MOS场效应管放大电路

2、共源放大电路的分析
• ⑴ 电路结构
2、共源放大电路的分析
• ⑵交流分析 • 先画出交流通路：
2、共源放大电路的分析
• ⑵交流分析 • 再画出交流等效电路：
2、共源放大电路的分析
• 再根据等效电路计算交流性能： • ① 电压放大倍数
U O g m U gs ( RD // RL ) Au
二、场效应管静态工作点的确定
• 2、解析法 • ⑴耗尽型场效应管的电流方程为：
iD I DSS (1
•
uGS UGS ( off )
)
2
把它在静态时的表达式与栅源间静态电压的表达式联立即可 求出IDQ和UDSQ：
U GSQ 2 ) I DQ I DSS (1 U GS ( off ) U GSQ I DQ RS



g m U gs ( RD // RL )

• g m RL
U gs
• 电压放大倍数为负值，说明输出电压与输入电压反相。
2、共源放大电路的分析
• •
如果有信号源内阻RS时：
Ri Au g m RL RS Ri
② 输入电阻

•
• Ri= = Rg1∥Rg2 • ③ 输出电阻 • RO=RD
五、应用举例
U GS 3.2 8 I D I (1 U GS ) 2 D 4 把上式代入下式得： 3 .2 8 I D 2 I D (1 ) 4 整理，得：
2 I D 1.2 I D 1.08 0
五、应用举例
I 1.2 I D 1.08 0
3、共漏放大电路的分析
• ⑴电路结构 一个共漏放大器的电路图如下：
3、共漏放大电路的分析
• ⑵交流分析 • 先画出交流通路：
3、共漏放大电路的分析
• ⑵交流分析 再画出交流等效电路：
3、共漏放大电路的分析
• 再根据等效电路计算交流性能： • ① 电压放大倍数：
3、共漏放大电路的分析
g m RL Au 1 g m R
一、场效ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ管的偏置电路
• 与晶体管放大器类似，静态工作点的设置对放大器的性能至 关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型 MOS场效应管的uGS=0时，iD0，故可以采用自偏压方式，如图 所示：
一、场效应管的偏置电路
•
在静态时，场效应管栅极电流为零，因此栅极电压为 零；而漏极电流不为零，必然在源极电阻上产生压降，使栅 源电压为负，获得合适的工作点。
2 D
解之，得：I D1 1.52m A, I D 2 0.535m A 由于I D1 1.52m A I DSS ，不合题意，舍去。故 ： I DQ 0.535m A U GSQ 1.08V U DSQ VDD I DQ ( RD RS ) 16 0.535 (10 8) 6.37V
U SQ I DQ RS U GSQ U GQ U SQ 0 U SQ I DQ RS
一、场效应管的偏置电路
•
对于增强型MOSFET，由于uGS=0时，iD=0，故一定 要采用分压式偏置或混合式偏置方式，如图所示：
一、场效应管的偏置电路
U GQ U A U SQ I DQ RS U GSQ U GQ U SQ Rg1 Rg1 Rg 2 VDD I DQ RS Rg1 Rg1 Rg 2

g m RL Au 1 1 g m RL

Au g m RL
1 Ri RS // gm

Ri Rg 3 Rg1 // Rg 2
RO RD
1 RO RS // gm
RO RD
五、应用举例
• 例1、电路如图。已知UGS(off)=-4V，IDSS=1mA， VDD=16V，RG1=160K， RG4=40K， RG=1M， RD=10K， RS=8K， RL=1M，试计算： 1、静态工作点Q； 2、输入电阻Ri和输出电阻RO； 3、电压放大倍数 Au 。

•
电压放大倍数为正值，表示输出电压与输入电 压同相。
当g m RL 1时： g m RL Au 1 1 g m R 因此，共漏放大电路又 源极跟随器 叫 。
3、共漏放大电路的分析
• ② 输入电阻：
Ri Rg 3 Rg1 // Rg 2
3、共漏放大电路的分析
VDD
二、场效应管静态工作点的确定
• 1、图解法 在场效应管的转移特性曲线上做出栅源回 路直流负载线的方程，其交点即为工作点。
U GSQ I DQ RS U GSQ Rg 1 Rg 1 Rg 2
自偏压方式 VDD I DQ RS 混压偏压方式
二、场效应管静态工作点的确定
•
对于（a)图，Q1为JFET的工作点，Q2为耗尽型MOSFET的 工作点； • 对于（b)图，Q1为JFET的工作点，Q2为耗尽型MOSFET的 工作点，Q3增强型MOSFET的工作点。
gm
2 U GS ( off )
I DSS I DQ
场效应管的高频等效模型
•
场效应管各极之间同样也存在电容，因而其高频响 应与晶体管类似。根据结构可得高频模型如下：
场效应管的高频等效模型
• 大多数场效应管的参数如下表：
场效应管的高频等效模型
•
从表中可以看出，rgs和rds数值很大，可以忽略；跨 接在g~d之间的电容Cgd可以用与晶体管分析相同的方法 折合到输入和输出回路：
③ 输出电阻：

IO
UO UO 1 g m U gs g m ( U O ) ( gm )U O RS RS RS
Us置零后，电路输入部分无电流流过，所以g点电压与d点相同


RO
UO


1 1 gm RS
IO
RS 1 RS // 1 g m RS gm
场效应管的低频小信号等效模型
•
•
与晶体管模型的导出相类似，iD是uGS 和uDS 的函数：
iD=f(uGS， uDS）
研究动态信号时用全微分表示：
•
场效应管的低频小信号等效模型
• 定义：
•
当信号较小时，管子的电压、电流仅在Q点附近变化，可以 认为是线形的，gm与rds近似为常数，用有效值表示：
1 I d g mU gs U ds rds


g m ( RD // RL ) g m RL 1
Ui

Ri
Ui


Ii RO RD
U gs g m U gs RS
1 RS // 1 gm gm RS
四、场效应管三种组态放大性能的比较
Au g m RL
Ri Rg1 // Rg 2
4、共栅放大电路的分析
• ⑴电路结构 一个共栅放大器的电路图如下：
4、共栅放大电路的分析
• ⑵交流性能分析 • 先画出交流通路：
4、共栅放大电路的分析
• ⑵交流性能分析 • 再画出交流等效电路：
4、共栅放大电路的分析
• 再根据等效电路计算交流性能：
Au

UO


g m U gs ( RD // RL ) U gs U gs
U DS
场效应管的低频小信号等效模型
• 增强型MOS管在小信号作用时，可用IDQ代替iD，得出：
gm
2 U GS (th)
I DO I DQ
场效应管的低频小信号等效模型
•
对耗尽型MOS管，同样可用电流方程作类似的推导求 出gm的表达式，电流方程和推导如下：
iD I DSS [1 [1 uGS U GS ( off )
五、应用举例
• 解： 1、计算静态工作点Q
RG 2 40 UG VDD 16 3.2V RG1 RG 2 160 40 列求Q点的方程组： U GS U G I D RS I I (1 U GS ) 2 D DSS U GS ( off ) 代入数值： U GS 3.2 8I D I (1 U GS ) 2 D 4

五、应用举例
•
例2、电路如图。已知场效应管的UGS(off)=-4V， IDSS=2mA， VDD=15V， RG=1M， RL=1M， RS=8K， 试计算： 1、静态工作点Q； 2、输入电阻Ri和输出电阻RO； 3、电压放大倍数 Au 。
五、应用举例
二、场效应管静态工作点的确定
• ⑵增强型场效应管的电流方程为：
uGS 2 iD I DO ( 1) U GS (th)
• 把它在静态时的表达式与栅源间静态电压的表达式联立即可 求出IDQ和UDSQ：
U GSQ I DQ I DO ( 1) 2 U GS (th) Rg 1 U GSQ VDD I DQ RD Rg 1 Rg 2
C gs C gs (1 K )C gd , Cds Cds K1


( K g m RL ) ( K g m RL )


C gd ,
K
场效应管的高频等效模型
• 由于输出回路的时间常数比输入回路小得多，可忽 略 Cds 的影响，综上所述，可得简化模型:
二、场效应管静态工作点的确定
•
把下式代入上式，解关于iD的二次方程，有两 个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根 便是IDQ。 • 而
U DSQ VDD I DQ ( RD RS )
三、场效应管的动态分析
• • • • 1、场效应管的小信号等效模型 2、共源放大电路的分析 3、共漏放大电路的分析 4、共栅放大电路的分析
uGS U GS ( off ) iD
]2
]
I DSS 2 I DSS uGS 2 (1 )U U GS ( off ) U GS ( off ) DS U GS ( off ) I DSS iD
iD gm uGS
U DS
场效应管的低频小信号等效模型
• 耗尽型MOS管在小信号作用时，可用IDQ代替iD， 得出：
场效应管的低频小信号等效模型
• 由此式可画出场效应管的低频小信号等效模型：
•
可见场效应管的低频小信号等效模型比晶体管还要 简单。
场效应管的低频小信号等效模型
•
可以从场效应管的转移特性和输出特性曲线上求出gm与rds： • ⑴由转移特性曲线可知，gm是uDS=UDSQ那条曲线上Q点处的导数。 由于gm是输出回路电流与输入回路电压之比，所以称为跨导。
五、应用举例
• 2、计算输入电阻Ri和输出电阻RO
Ri RG RG1 // RG 2 1 0.16 // 0.04 1.03M RO RD 10K
五、应用举例
• 3、计算电压放大倍数 Au 。

gm
2 U GS ( off )
I DSS I DQ
2 1 0.535 0.366m s 4 Au g m RL g m ( RD // RL ) 0.366 (10 // 1000 3.65 )
§5.3 场效应管放大电路
• 场效应管的源极、栅极和漏极分别对应 于晶体管的射极、基极和集电极。与晶体 管的共射、共基和共集三种组态相对应， 场效应管也有共源、共栅和共漏三种组态。
§5.3 场效应管放大电路
• • • • • 一、场效应管的偏置电路 二、场效应管静态工作点的确定 三、场效应管的动态分析 四、场效应管三种组态放大性能的比较 五、应用举例
场效应管的低频小信号等效模型
• ⑵由输出特性曲线可知， rds是uGS=UGSQ这条曲线上Q点处斜率 的倒数，描述曲线上翘的程度。
场效应管的低频小信号等效模型
• 由于rds的值很大，可以忽略，得到简化的等效模型：
场效应管的低频小信号等效模型
• 对增强型MOS管，可用电流方程求出gm的表达式：
uGS iD I DO [ 1]2 U GS (th) uGS [ 1] U GS (th) iD gm uGS iD I DO 2 I DO uGS 2 ( 1) U DS U GS (th) U GS (th) U GS (th) I DO iD