模拟电路基础第十五次课

Chap4 MOSFET及其放大电路（8学时，第十五次课）ylzhanFET放大电路分析一般步骤画直流通路，分析直流电压和电流，求IDQ求交流参数gm和rds画交流小信号等效电路，分析交流电压和电流根据定义求Av/Avs、Ri、Ro三基本组态→共源极/共漏极/共栅极放大电路4.4

MOSFET放大电路的三种基本组态4.4.1

共源极放大器共源极电路的基本结构一.

基本电路结构与交流分析元器件作用：漏极电源VDD使漏源电压大于预夹断电压；作为电路的能源。

偏置电阻R1和R2组成分压式栅极偏置电路；漏极电阻RD将漏极电流的交流分量转变成交流电压输出；电容C1为耦合电容；si

gRigs输出电压：vo

gmvgs

(rds

//RD

)，又vR

R

vRisv Ri

Rg

gm

(rds

//

RD

)

vovs小信号源电压增益：A输入电阻→Ri=R1//R2；输出电阻→Ro=RD//rds交流分析→小信号等效电路共源极放大器的特点：输出电压与输入电压反相→反相放大器共源放大器的大信号动态范围分析当输入信号振幅不断增大时，放大器输出电压的波形产生严重的失真。FET会进入截止区或电阻区。输入输出电压信号波形DDR

vDS

VDD直流负载线→in DS(sat)

vDS

vGS

VTN

vDS(sat)iD

Kn

(vGS

VTN

)

K

v2

2临界饱和线→Note:

工作点位于放大区的中心，即VDS=VDS(sat)+(VDD-VDS(sat))/2时，电路可获得最大不失真电压。直流负载线、临界点和静态工作点估算FET基本共源放大电路动态范围的一般步骤①由直流通路估算静态工作点(IDQ

VDSQ)；②由交流通路写出交流负载线方程；⑤最大不失真输出电压幅度为：Vom=min[VDS(cut),VDS(SAT)

].即FET基本共源放大电路的动态范围为：Vom

min[(VDD

VSDQ

),

(VSDQ

VSDt

)]并在输出特性曲线平面上画出交流负载线；D

n

DS③

联立交流负载线方程和预夹断方程

i

K

v2求预夹断电压VDSt；④计算最大不截止失真幅度VDS(cut)和最大不饱幅度VDS(SAT)VDS(SAT)

VDD

VDSQ，VDS(cut)

VDSQ

VDSt例4.10

电路如图4.22所示。已知VDD=10V，R1=70.9kΩ，题型：计算共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻V

)2

1mAIDQ

Kn

(VGSQ

TNDDV

29.1VR1

R2R2R2=29.1kΩ

，RD=5kΩ

。场效应管参数VTN=1.5V，Kn=0.5mA/V²，λ=0.01V-1。设Rg=4kΩ

。求Av、Ri和Ro分析→①静态分析GSQV

IDQ

RD

5VVDSQ

VDDVTN

1.41V

VDSQ

VDS(sat)

VGSQ

场效应管工作在放大区。②交流性能指标的计算题型：计算共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻gm

2Kn

(VGSQ

VTN

)

1.41mA

/

V

100k1DQdsr

IRi

R1

//

R2

20.6k

5.62V

gmvgs

(rds

//

RD

)

s

s

svs R1

//

R2

R1

//

R2

Rg

gm

(rds

//

RD

)

vovsv

v

vARo

RD

//

rds

4.76ki

i

iRi

20.6gsv

v

0.837vRi

Rs

20.6

4v

2.

负载效应→由于Rg不为零，所以放大器输入信号vgs只占信号源电压的一部分。这种由于负载的变化而引起电源输出稳定量的变化的效应称为负载效应。尽管从栅极看入的场效应管输入电阻几乎为无穷大，但偏置电阻仍极大地影响了放大器的输入电阻和负载效应。*1.工作点位于直流负载线的中心(VDSQ=VDD/2=5V)，但不是放大区的中心(VDS=(VDS(sat)+(VDD-VDS(sat))/2=6.61V)，所以该电路在此情况下不能获得最大不失真电压。例4.11

电路。场效应管的参数为VTN=1V，Kn=1mA/V²，λ=0.015V-1。设Ri=R1//R2=100kΩ，设计电路参数使IDQ=2mA，且工作点位于放大区的中心。题型：设计MOSFET放大电路的偏置电阻，使工作点位于放大区的中心。GStIDt

Kn

(VGSt

VTN)2

(V

1)2

(V

1)2

4GStDDi

VDD

vDSR分析→首先在输出特性平面上画出直流负载线。要求工作点位于放大区的中心，则临界点处漏极电流：IDt=2IDQ=4mA,根据设计要求，将工作点设置在放大区的中心，则:2

7V

VDD

VDStVDSQ

VDSt下面求RD、R1和R2的值→2

12

7

2.5kDQDI

VDD

VDSQRDQ

n

GSQV

)2

(V

1)2TN

GSQ由

I

2K

(V可得VGSQ=2.41V

或VGSQ=-0.41V（舍去）1DDiDD1

2

1GSQVR

RR2

R

10012R

R又

V

V

则R1=498kΩ，R2=125kΩ。VTN

2VVDSt

VGSt由此可得VGSt=3V

或VGSt=-1V（舍去）2.也可计算放大器的交流小信号基本参数及源电压增益：m

n

GSQ

TN1DQ

33.3kΩdsg

2K

(V

V

)

2.82mA/V

rI

gm

(rds

//

RD

2.8)

2

(333.//

6.5)56vsvAvs

o本例中没有考虑负载效应。如果考虑负载效应，则工作点应为交流负载线在放大区的中心，才能获得对称的最大不失真电压。静态工作点不稳定；解决办法→串入源极电阻Rs1.

根据上述分析，可求出最大输出电压的峰-峰值为：

12

2

10Vvo(pp)

VDD

VDSt*二.含源极电阻的共源极放大器例4.12

电路。场效应管的参数为VTN=0.8V，Kn=1mA/V²，λ=0。求电压增益Av。分析→①静态分析题型：计算含源极电阻的共源极放大器的小信号电压增益

、

输入和输出电阻DQ

SR1

R2R2VGSQ

[5

(5)]

I R)2VIDQ

Kn

(VGSQ

TN1

6.)2(5V

IDQ

0.5mA，VGSQ

VDSQ

([5)]5

IDQ

RD

RS小信号跨导为：gm

2Kn

(VGSQ

VTN

)

1.4mA/V小信号输出电阻为：rds

1

IDQ

②计算小信号源电压增益→m Sgs1

g

R

v

小信号源电压增益：

m

D

5.76g

Rvs

1

gm

RSvAvs

o题型：计算含源极电阻的共源极放大器的小信号电压增益

、

输入和输出电阻：vo

gm

vgs

RD栅源输入回路的KVL方程vs

vgs

(gm

vgs

)RSvs→源极电阻对电路的影响：①源极电阻减小了小信号源电压增益（绝对值）②源极电阻：稳定工作点有源极电阻时，若Kn=0.8mA/V²，则gm=1.17mA/V，Av=-5.17；若Kn=1.2mA/V²，则gm=1.62mA/V，Av=-6.27。有源极电阻时，Kn~±20％时，Av~±9.5％无源极电阻时，通过相应计算Kn~±20％时，Av~±20％无源极电阻：通过计算可得VGSQ=1.75V，gm=1.9mA/V，Avs=-gmRD=-13.3。m

Svsgm

RDvA1

g

R

vos三.含源极旁路电容的共源极电路TN)2IDQ

IQ

Kn

(VGSQ

V源极电阻或恒流源上并联一个旁路电容→减小源极电阻降低小信号增益的程度。例4.13

电路

。

场效应管参数为：λ=0，VTN=0.8V，Kn=1mA/V²，求Avs=vo/vs。分析→①静态分析假设FET处于放大状态，VGSQ=1.51V或VGSQ=0.09V（舍去）VSQ=-VGSQ=-1.51V题型：计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻

IDQ

RD

VSQ

3.01V

VDSQ

VDD题型：计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻VDSQ>VDS(sat)=VGSQ-VTN=0.71V，

假设成立，上述计算有效。

gm

2Kn

(VGSQ

VTN

)

1.4mA/V②动态分析vo

(gmvgs

)RD

(gmvs

)RDm

Dsvs

g

R

-9.8v

vo

A4.4.2

源极跟随器交流小信号等效电路1.输入电阻

Ri

R1

//

R2电路结构ix

vs

0RL

v2.输出电阻

Ro

xds

vx

vxSx

m

gsR

r

g

v在源端用KCL定理：idsSm

ix

vx

(gR

r

)

1

1由于输入回路中无电流，vgs=-vxsRL

v

0xxo

R

iv求共漏极电路交流输出电阻的等效电路附注：从源端看MOSFET，其等效电阻为1/gm//rds。dsSmg

1

//

R

//

ri

1

2i

gg1

sRR

R又

v

i

v

，R

R

//

R3.

源电压增益输出电压：vo

(gmvgs

)

(RS

//

rds

)由输入回路KVL，有：vg1

vgs

vs1

vgs

vo

vgs

gmvgs

(RS

//

rds

)g1dsm

S1

gmvg11

gm

(RS

//

rds

)gs1

g

(R

//

r

)

v

v

sm

S

ds

i

gg11

gm

(RS

//

rds

)RS

//

rdsovRS

//

rds

Ri

v

1

g

(R

//

r

)

R

Rv

vs

vovs

A共漏极电路小信号源电压增益为：共漏极放大器→源极跟随器的特点：①电压增益Av小于1但接近于1；②输出电压与输入电压同相→同相放大器；③源极跟随器→Av~1，输出信号基本上与输入信号相等;④类BJT射极跟随器，而且两者Av类似。vs(Rs

//

rds

)

Rivs

1

gm

(Rs

//

rds

)

Ri

RgA

vo例4.14

电路 。已知VDD=12V，R1=162kΩ，例4.16

R2=463kΩ，RS=0.75kΩ。场效应管参数VTN=1.5V，Kn=4mA/V²，λ=0.01V-1。设Rg=4kΩ。求Avs=vo/vs、Ri、Ro。分析→静态分析题型：计算源极跟随器的交流性能指标DQ

SVDD

I

RR1

R2R2GSQV

DQ

n

GSQ

TN)2I

K

(V

V

IDQ

7.97mA，VGSQ

2.91V小信号跨导为：gm

2Kn

(VGSQ

VTN

)

11.3mA

V

12.5kΩ1DQds交流输出电阻为：r

I输入电阻为：Ri

R1

//

R2

120kΩs

m

s

ds

i

g

0.860v

1

g

(R

//

r

)

R

R

vo

(Rs

//

rds

)

Rivs小信号源电压增益为：A：①在源极跟随器输出电阻中，跨导占主要地位，故输出电阻很小源极跟随器近似为一个理想的电压源，即它的带负载的能力较强。②BJT跨导比MOSFET跨导大得多BJT射极跟随器的Av比MOSFET源极跟随器的Av更趋近于1。题型：计算源极跟随器的交流性能指标//

0.75

//12.5

78.711.31dso

smgR

1 //

R

//

r

输出电阻为：例4.15

电路 。场效应管参数为VTN=1V

，λ=0

，Kn=1mA/V²。电路参数为VDD=5V，Ri=300kΩ。设计电路参数，使IDQ=1.7mA，VDSQ=3V；求小信号电压增益Avs=vo/vs。题型：按要求设计一个特定源极跟随器；计算交流性能指标

1.18kDQSIDD

VDSQVR

DQ)2分析→(1)I

Kn

(VGSQ

VTNVGSQ=2.30V

或VGSQ=-0.3V（舍去）DQ

S1

2R2R

R又

VGSQ

VG

VS

VDD

I

R

R1=348.8k，R2=2144kVTN

)

2.6mA

/

Vgm

2Kn

(VGSQ（2）小信号跨导：交流输出电阻：

DQdsr

1Im

Sm

gs

Ss

gs

3.071

g

Rgmvgs

RSvsv

v

g

v

R

vo

gm

RSA题型：按要求设计一个特定源极跟随器vo

(gm

vgs

)RSvg1

vgs

vs1

vgs

vo

vgs

gmvgs

RSvg1

vs4.4.3

共栅极放大器电路结构小信号等效电路1.输入电阻输出电阻→mm

gsigsi

1i

g

v

g

v

vgsR

将电压源置零，则有vgs=-gmvgsRgvgs≡0g

v

≡0m

gs

Ro=RD设场效应管小信号输出电阻rds为无穷大。1

gm

Rgvs

vgs

由输入回路的KVL方程得vs

ii

Rg

vgs

(gmvgs

)Rg

vgsvs

1

gm

Rg

vo

gm

(RD

//

RL

)vs

A2.源电压增益输出电压为vo

gmvgs

(RD

//

RL

)：①共栅极电路输入电阻很低。②当输入信号是电流，输入电阻低就成为其优点。输出电压与输入电压相位相同同相放大器migR

1电流信号源的共栅极电路的小信号等效电路3.

源电流增益→通常，共栅极电路的输入信号是电流输出电流：在输入端由KCLm

gs(g

v

)RD

RLRDoi

gs

m

gsRi

g

v

vgs

0sm

gRggs1

g

Ri

v

sisi

A

i

RD

RLo

m

ggm

R