模拟电路网络课件 第二十节:场效应管放大电路
模拟电路网络课件 第二十节:场效应管放大电路
4.3 场效应管放大电路
4.3.1 直流偏置电路及静态分析
一、直流偏置电路
由场效应管组成放大电路时，也要建立合适的静态工作点q，而且场效应管是电压控制器件，因此需要有合适的栅-源偏置电压。常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压电路和分压式自偏压电路。
1．自偏压电路
(a) (b)
图1
图1(a)所示电路是一个自偏压电路，其中场效应管的栅极通过电阻rg接地，源极通过电阻r 接地。这种偏置方式靠漏极电流id在源极电阻r上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压vgs，故称为自偏压电路。静态时，源极电位vs=idr。由于栅极电流为零，rg上没有电压降，栅极电位vg=0，所以栅源偏置电压vgs= vg–vs= –idr 。耗尽型mos管也可采用这种形式的偏置电路。
图1(b)所示电路是自偏压电路的特例，其中vgs=0。显然，这种偏置电路只适用于耗尽型mos管，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型mos管均能正常工作。
增强型mos管只有在栅-源电压达到其开启电压vt时，才有漏极电流id产生，因此这类管子不能用于图1所示的自偏压电路中。
2．分压式偏置电路
图2
二、静态分析
对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。
工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型mos管的漏极电流 ，增强型mos管的漏极电流。
求静态工作点时，对于图1(a)所示电路，可求解方程组
得到id和vgs。
管压降
对于图2所示电路，可求解方程组
得到id和vgs。
管压降 vds=vdd–id( rd + r )
4.4.2 场效应管的小信号模型分析法
一、场效应管和小信号模型
场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小，且场效应管工作在放大区时，与三极管一样，也可将其用小信号模型等效，如下面动画所示。
当场效应管工作在高频小信号条件下时，其极间电容的影响不能忽略，这时场效应管要用右图所示的高频小信号模型等效。
二、共源放大电路及小信号模型分析法
与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三极管小信号模型分析法的步骤相同。
共源极放大电路如图1(a)所示，其中频小信号等效电路由连续操作图1中的第一个按钮得到。
1．中频电压增益
场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级，比电阻rd 、rl大得多，因此可将rd作开路处理，于是图1(b)中
式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源极放大电路属于反相电压放大电路。
2．输入电阻
由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅-源极间的交流电阻可视为无穷大，因此，图1所示共源极放大电路的输入电阻为
3．输出电阻
应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图1所示电路的输出电阻为。
由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相，故被称为反相电压放大器。共源极放大电路的输入电阻很高，输出电阻主要由漏极电阻rd决定。适用于作多级放大电路的输入级或中间级。
三、共漏极放大电路
共漏极放大电路如图1(a)所示，其中频小信号等效电路如图1(b)所示。由于输出电压从源极取出，故又称其为源极输出器。
1．中频电压增益
由图1(b)可知
所以
由此式可知，共漏极放大电路的中频电压增益 ，输出电压与输入电压相位相同。当 时， ，因此，共漏极放大电路又称为源极电压跟随器。
2．输入电阻ri
3．输出电阻ro
连续操作图1(b)中的三角形按钮，可以得到求共漏极放大电路输出电阻的等效电路。
在此电路中，由于栅极电流 ，栅极回路的电阻上均无信号电压，所以 ，于是有
即共漏极电路的输出电阻ro等于源极电阻r 和跨导的倒数 相并联，所以，输出电阻ro较小。不过，由于一般情况下gm较小，因而使共漏电路的输出电阻比共集电极电路的输出电阻高。
由以上分析可知，与三极管共集电极放大电路类似，场效应管共漏极放大电路没有电压放大作用，其电压增益小于1，输出电压与输入电压相位相同，输入电阻高，输出电阻低。可作阻抗变换用。
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一、直流偏置电路
由场效应管组成放大电路时，也要建立合适的静态工作点q，而且场效应管是电压控制器件，因此需要有合适的栅-源偏置电压。常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压电路和分压式自偏压电路。
1．自偏压电路
(a) (b)
图1
图1(a)所示电路是一个自偏压电路，其中场效应管的栅极通过电阻rg接地，源极通过电阻r 接地。这种偏置方式靠漏极电流id在源极电阻r上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压vgs，故称为自偏压电路。静态时，源极电位vs=idr。由于栅极电流为零，rg上没有电压降，栅极电位vg=0，所以栅源偏置电压vgs= vg–vs= –idr 。耗尽型mos管也可采用这种形式的偏置电路。
图1(b)所示电路是自偏压电路的特例，其中vgs=0。显然，这种偏置电路只适用于耗尽型mos管，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型mos管均能正常工作。
增强型mos管只有在栅-源电压达到其开启电压vt时，才有漏极电流id产生，因此这类管子不能用于图1所示的自偏压电路中。
2．分压式偏置电路
图2
二、静态分析
对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。
工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型mos管的漏极电流 ，增强型mos管的漏极电流。
求静态工作点时，对于图1(a)所示电路，可求解方程组
得到id和vgs。
管压降
对于图2所示电路，可求解方程组
得到id和vgs。
管压降 vds=vdd–id( rd + r )
4.4.2 场效应管的小信号模型分析法
一、场效应管和小信号模型
场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小，且场效应管工作在放大区时，与三极管一样，也可将其用小信号模型等效，如下面动画所示。
当场效应管工作在高频小信号条件下时，其极间电容的影响不能忽略，这时场效应管要用右图所示的高频小信号模型等效。
二、共源放大电路及小信号模型分析法
与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三极管小信号模型分析法的步骤相同。
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1．中频电压增益
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式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源极放大电路属于反相电压放大电路。
2．输入电阻
由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅-源极间的交流电阻可视为无穷大，因此，图1所示共源极放大电路的输入电阻为
3．输出电阻
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由图1(b)可知
所以
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2．输入电阻ri
3．输出电阻ro
连续操作图1(b)中的三角形按钮，可以得到求共漏极放大电路输出电阻的等效电路。
在此电路中，由于栅极电流 ，栅极回路的电阻上均无信号电压，所以 ，于是有
即共漏极电路的输出电阻ro等于源极电阻r 和跨导的倒数 相并联，所以，输出电阻ro较小。不过，由于一般情况下gm较小，因而使共漏电路的输出电阻比共集电极电路的输出电阻高。
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