2.6 场效应管放大电路 |
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一、场效应管放大电路的三种接法
场效应管的源极、栅极和漏极与晶体管的发射极、基极和集电极相对应,因此在组成放大电路时也有三种接法,即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以
N
N
N 沟道结型场效应管为例,三种接法的交流通路如图2.6.1所示。其中共栅放大电路很少使用。 与晶体管一样,为了使电路正常放大,必须设置合适的静态工作点,以保证在信号的整个周期内场效应管均工作在恒流区。下面以共源电路为例,说明设置 Q Q Q 点的几种方法。 1、基本共源放大电路图2.6.2所示共源放大电路采用的是
N
N
N 沟道增强型MOS管,为使其工作在恒流区,在输入回路加栅极电源
V
G
G
V_{GG}
VGG,
V
G
G
V_{GG}
VGG应大于开启电压
U
G
S
(
t
h
)
U_{GS(th)}
UGS(th);在输出回路加漏极电源
V
D
D
V_{DD}
VDD,它一方面使漏 - 源电压大于预夹断电压以保证管子工作在恒流区,另一方面作为负载的能源;
R
d
R_d
Rd与共射放大电路中
R
c
R_c
Rc 具有完全相同的作用,它将漏极电流
i
D
i_D
iD 的变化转换成
u
D
S
u_{DS}
uDS的变化,从而实现电压放大。 图2.6.4(a)所示为
N
N
N 沟道结型场效应管共源放大电路,也是典型的自给偏压电路。
N
N
N 沟道结型场效应管只有在栅 - 源电压
U
G
S
U_{GS}
UGS 小于零时才能正常工作。 图2.6.5所示为
N
N
N 沟道增强型MOS管构成的共源放大电路,它靠
R
g
1
R_{g1}
Rg1 与
R
g
2
R_{g2}
Rg2 对电源
V
D
D
V_{DD}
VDD 分压来设置偏压,故称为分压式偏置电路。 与分析晶体管的
h
h
h 参数等效模型相同,将场效应管也看成一个二端口网络,栅极于源极之间看成输入端口,漏极与源极之间看成输出端口。以
N
N
N 沟道增强型MOS管为例,可以认为栅极电流为零,栅 - 源之间只有电压存在。而漏极电流
i
D
i_D
iD是栅 - 源电压
u
G
S
u_{GS}
uGS 和漏 - 源电压
u
D
S
u_{DS}
uDS 的函数,即
i
D
=
f
(
u
G
S
,
u
D
S
)
i_D=f(u_{GS}, u_{DS})
iD=f(uGS,uDS)研究动态信号作用时用全微分表示
d
i
D
=
∂
i
D
∂
u
G
S
∣
U
D
S
d
u
G
S
+
∂
i
D
∂
u
D
S
∣
U
G
S
d
u
D
S
(
2.6.7
)
\textrm di_{D}=\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}\textrm du_{GS}+\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}\textrm du_{DS}\kern 10pt(2.6.7)
diD=∂uGS∂iD∣∣∣UDSduGS+∂uDS∂iD∣∣∣UGSduDS(2.6.7)令式中
∂
i
D
∂
u
G
S
∣
U
D
S
=
g
m
(
2.6.8
)
\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}=g_m\kern 117pt(2.6.8)
∂uGS∂iD∣∣∣UDS=gm(2.6.8)
∂
i
D
∂
u
D
S
∣
U
G
S
=
1
r
d
s
(
2.6.9
)
\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}=\frac{1}{r_{ds}}\kern 116pt(2.6.9)
∂uDS∂iD∣∣∣UGS=rds1(2.6.9)当信号幅值较小时,管子的电流、电压只在
Q
Q
Q 点附近变化,因此可以认为在
Q
Q
Q 点附近的特性是线性的,
g
m
g_m
gm 与
r
d
s
r_{ds}
rds 近似为常数。用交流信号
I
˙
d
\dot I_d
I˙d、
U
˙
g
s
\dot U_{gs}
U˙gs 和
U
˙
d
s
\dot U_{ds}
U˙ds取代变化量
d
i
D
\textrm di_D
diD、
d
u
G
S
\textrm du_{GS}
duGS 和
d
u
D
S
\textrm du_{DS}
duDS,式(2.6.7)可写成
I
˙
d
=
g
m
U
˙
g
s
+
1
r
d
s
⋅
U
˙
d
s
(
2.6.10
)
\dot I_d=g_m\dot U_{gs}+\frac{1}{r_{ds}}\cdot\dot U_{ds}\kern 99pt(2.6.10)
I˙d=gmU˙gs+rds1⋅U˙ds(2.6.10)根据此式可构造出场效应管的低频小信号作用下的等效模型,如图2.6.6所示。输入回路栅 - 源之间相当于开路;输出回路与晶体管的
h
h
h 参数等效模型相似,是一个电压
U
˙
g
s
\dot U_{gs}
U˙gs控制的电流源和一个电阻
r
d
s
r_{ds}
rds 并联。 图2.6.2所示基本共源放大电路的交流等效电路如图2.6.8所示,图中采用了MOS管的简化模型,即认为 r d s = ∞ r_{ds}=\infty rds=∞。 ![]() ![]() 根据电路可得 { A ˙ u = U ˙ o U ˙ i = − I ˙ d R d U ˙ g s = − g m U ˙ g s R d U ˙ g s = − g m R d ( 2.6.12 a ) R i = ∞ ( 2.6.12 b ) R o = R d ( 2.6.12 c ) \left\{\begin{matrix}\dot A_u=\displaystyle\frac{\dot U_o}{\dot U_i}=\frac{-\dot I_dR_d}{\dot U_{gs}}=-\frac{g_m\dot U_{gs}R_d}{\dot U_{gs}}=-g_mR_d\kern 10pt(2.6.12a)\\R_i=\infty\kern 165pt(2.6.12b)\\R_o=R_d\kern 163pt(2.6.12c)\end{matrix}\right. ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧A˙u=U˙iU˙o=U˙gs−I˙dRd=−U˙gsgmU˙gsRd=−gmRd(2.6.12a)Ri=∞(2.6.12b)Ro=Rd(2.6.12c)与共射放大电路类似,共源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,只是共源电路比共射电路的输入电阻大得多。 【例2.6.1】已知图2.6.2所示电路中, V G G = 6 V V_{GG}=6\,\textrm V VGG=6V, V D D = 12 V V_{DD}=12\,\textrm V VDD=12V, R d = 3 k Ω R_d=3\,\textrm kΩ Rd=3kΩ;场效应管的开启电压 U G S ( t h ) = 4 V U_{GS(th)}=4\,\textrm V UGS(th)=4V, I D O = 10 mA I_{DO}=10\,\textrm{mA} IDO=10mA。试估算电路的 Q Q Q 点、 A ˙ u \dot A_u A˙u 和 R o R_o Ro。 解:(1)估算静态工作点:已知 U G S = V G G = 6 V U_{GS}=V_{GG}=6\,\textrm V UGS=VGG=6V,则 I D Q = I D O ( V G G U G S ( t h ) − 1 ) 2 = [ 10 × ( 6 4 − 1 ) 2 ] mA = 2.5 mA I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{V_{GG}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2=[10\times(\frac{6}{4}-1)^2]\textrm{mA}=2.5\,\textrm{mA} IDQ=IDO(UGS(th)VGG−1)2=[10×(46−1)2]mA=2.5mA U D S Q = V D D − I D Q R d = ( 12 − 2.5 × 3 ) V = 4.5 V U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d=(12-2.5\times3)\textrm V=4.5\,\textrm V UDSQ=VDD−IDQRd=(12−2.5×3)V=4.5V(2)估算 A ˙ u \dot A_u A˙u 和 R o R_o Ro: g m = 2 U G S ( t h ) I D O I D Q = ( 2 4 10 × 2.5 ) mS = 2.5 mS g_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{4}\sqrt{10\times2.5})\textrm{mS}=2.5\,\textrm{mS} gm=UGS(th)2IDOIDQ =(4210×2.5 )mS=2.5mS A ˙ u = − g m R d = − 2.5 × 3 = − 7.5 \dot A_u=-g_mR_d=-2.5\times3=-7.5 A˙u=−gmRd=−2.5×3=−7.5 R o = R d = 3 k Ω R_o=R_d=3\,\textrm kΩ Ro=Rd=3kΩ 3、基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路如图2.6.9(a)所示,图(b)是它的交流等效电路。 【例2.6.2】电路如图2.6.9(a)所示,已知场效应管的开启电压 U G S ( t h ) = 3 V U_{GS(th)}=3\,\textrm V UGS(th)=3V, I D O = 8 mA I_{DO}=8\,\textrm{mA} IDO=8mA; R s = 3 k Ω R_s=3\,\textrm kΩ Rs=3kΩ;静态时 I D Q = 2.5 mA I_{DQ}=2.5\,\textrm{mA} IDQ=2.5mA,场效应管工作在恒流区。试估算电路的 A ˙ u \dot A_u A˙u、 R i R_i Ri 和 R o R_o Ro。 解: 首先求出 g m g_m gm g m = 2 U G S ( t h ) I D O I D Q = ( 2 3 8 × 2.5 ) mS ≈ 2.98 mS g_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{3}\sqrt{8\times2.5})\textrm {mS}\approx2.98\,\textrm{mS} gm=UGS(th)2IDOIDQ =(328×2.5 )mS≈2.98mS然后可得 A ˙ = g m R s 1 + g m R s ≈ 2.98 × 3 1 + 2.98 × 3 ≈ 0.899 \dot A=\frac{g_mR_s}{1+g_mR_s}\approx\frac{2.98\times3}{1+2.98\times3}\approx0.899 A˙=1+gmRsgmRs≈1+2.98×32.98×3≈0.899 R i = ∞ R_i=\infty Ri=∞ R o = R s / / 1 g m ≈ 3 × 1 / 2.98 3 + 1 / 2.98 k Ω ≈ 0.302 k Ω = 302 Ω R_o=R_s//\frac{1}{g_m}\approx\frac{3\times1/2.98}{3+1/2.98}\,\textrm kΩ\approx0.302\,\textrm kΩ=302\,Ω Ro=Rs//gm1≈3+1/2.983×1/2.98kΩ≈0.302kΩ=302Ω场效应管(单极型管)与晶体管(双极型管)相比,最突出的优点是可以组成高输入电阻的放大电路。此外,由于它还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于晶体管的特点,而且便于集成化,构成低功耗电路,所以被广泛地应用于各种电子电路中。 |
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