写在前面:本博文是华南理工大学电子与信息学院《模拟电子技术》第九讲的课程笔记
1.场效应管介绍
场效应管类似于三极管,都有三个极:栅极G,源极S和漏极D;它的本质是电压对电流的控制作用
场管的分类示意图如下:
下面,我们先来分析一下结型场效应管(以N沟道为例):
首先,在栅极和源极之间我们加的是反向电压:
- 当uGS>UGS(OFF)时,随着VDD的增大,iD也随之增大
- 当uGS=UGS(OFF)时,称为预夹断
- 当uGS<UGS(OFF)时,VDD的增大几乎全部用来克服沟道电阻,所以iD基本不变,进入了恒流区
结型场管在恒流区有一个非常重要的方程:iD=IDSS(1−UGS(off)uGS)2(1)
IDSS(饱和漏级电流)就是当uGS=0时的iD
下面我们再来看看MOS管(以增强型N沟道MOS管为例)
- 当uGS>UGS(th)时,随着uDS的增大,iD逐渐增大
- 当uGS=UGS(th),进入预夹断状态
- 当uGS<UGS(th)时,uDS的增大几乎全部用来克服沟道电阻,所以iD基本不变,进入了恒流区
对于MOS管,也有一个非常重要的方程:iD=IDO(UGS(th)uGS−1)2(2)
其中,IDO为当uGS=2UGS(th)时的iD。
2.场效应管静态工作点的设置以及求解
首先,对于场效应管来说,我们静态工作点Q的指标包括:IDQ,UGSQ,UDSQ。
2.1. 自给偏压电路
首先,我们要画出该电路的直流通路,在现在这个阶段,我们应该是对直流通路的画法非常熟悉了,因此,博主不打算在这里画它的直流通路,大家试着在脑海中画一下:
下面,我们要特别注意一点:栅极是没有电流通过的! 因此,流过Rd,RS的电流都是一样的,也就是漏极电流
那么,首先我们就可以得到下面的式子:VDD=IDQ(Rd+Rs)+UDSQUGSQ=UG−IDQRs
由于栅极无电流通过,因此UG = 0V,故UGSQ=−IDQRs
现在是三个未知数,两个方程,还不足以解出静态工作点,还需要一个方程,他就是:IDQ=IDSS(1−UGS(OFF)UGSQ)2
联立上面三个方程即可求出Q的指标
2.2. 分压式偏置电路
同理,由于栅极无电流流过,因此,在直流通路中,Rg3那条支路就相当于开路
那么,我们先可以得到下面的几个式子:UDSQ+(Rd+Rs)IDQ=VDDUGSD+IDQRs=Rg1+Rg2Rg1VDD
还差一个式子,想必大家也想到了,我们就应用场管的电流方程:IDQ=IDO(UGS(th)UGSQ−1)2
说明:上面的自给偏压电路和分压式偏置电路
3.场效应管放大电路的动态分析方法
首先,我们要知道场效应管在低频小信号下的等效模型
(注意:在高频信号下的模型有所不同,现在我们只考虑低频小信号)
一个技巧:共什么极就将什么极接地
3.1.基本共源放大电路
对于基本共源放大电路,我们分别来分析上面的自给偏压式电路和分压偏置式电路:
首先,对于自给偏压式电路,我们先画出它的交流通路:
下面来看看交流放大电路的各项指标吧:
- 放大倍数Au:Au=uiu0=Ugs−gmUgs(rds//Rd//RL)=−gm(rds//Rd//RL)(注意放大倍数是负的,也就是反向)
其中,如果rds >> Rd,RL;那么,Au≈−gm(Rd//RL)
- 输入电阻Ri:
很明显,Ri=Rg
- 输出电阻R0:
输出电阻就是RL开路时;内部所有独立源置零之后从输出端看进去的等效电
Ri=gmUgsgmUgs(rds//Rd)=rds//Rd
其中,当rds>>Rd时Ri≈Rd
对于分压偏置式放大电路,同样的,我们先画出交流通路:
下面将场管的微变等效电路带入:
下面分析电路的各项指标:
- 放大倍数Au:
Au=uiu0=Ugs−gmUgs(rds//Rd//RL)=−gm(rds//Rd//RL)
- 输入电阻Ri:
Ri=Rg3+(Rg1//Rg2)
- 输出电阻R0:
R0=rds//Rd
增加Rg3的作用是增大输入电阻(Rg3一般很大,几兆欧)
那么,对于上面的分压偏置电路,如果没有旁路电容Cs,那么效果会有什么不同呢?
(说明:上图有一个笔误:Ugs上面那个字母应该是G)
为了简单起见,我们省略了rds(因为它一般很大,并联之后就没什么影响了)
果然,在画法上有一些不同,我们发现其实Ugs就是受控电流源两端的电压
- 放大倍数Au:Au=uiu0=Ugs+gmUgsRs−gmUgs(Rs+Rd//RL)=1+Rs−(Rs+Rd//RL)
- 输入电阻和之前一样
- 输出电阻也和之前一样
3.2.基本共漏放大电路
我们来看一个例子
这时,场管的微变等效电路中,是漏极接地了
下面,我们来分析一下它的动态电路各项指标:
- 放大倍数Au:
Au=uiu0=Ugs+gmUgs(Rs//RL)gmUgs(Rs//RL)=1+gm(Rs//RL)gm(Rs//RL)
我们有几个发现:1. 共漏放大电路不同于共源放大电路,它的放大倍数是正的;2. 并且这个放大倍数接近1,但比1小
- 输入电阻Ri:
Ri=Rg1+Rg2//Rg3
-
输出电阻R0:
R0=Rs//gmUgsUgs=Rs//gm1