場效應(yīng)晶體管放大電路設(shè)計原理過程解析單管放大電路主要參數(shù)設(shè)定

金獻(xiàn)忠（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院　電子信息工程系,江蘇　江陰　214433?。?/p>

場效應(yīng)晶體管放大電路設(shè)計原理過程解析單管放大電路主要參數(shù)設(shè)定

金獻(xiàn)忠
（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,江蘇江陰214433）

摘要：現(xiàn)在的IC技術(shù)是日新月異的技術(shù)，無論是模擬電路還是數(shù)字電路都能進(jìn)行IC化或LSI化，觀察一些設(shè)備內(nèi)部的電子電路，除電源電路以外，幾乎所有電路都被IC化或LSI化，找到單個晶體管和FET等單個放大器是很困難的，但是，為了能探索IC電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，深刻理解電路的工作原理，研究分析晶體管最基本的放大器件仍具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：場效應(yīng)晶體管;增益;低頻跨導(dǎo)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子電路的集成化程度越來越高，常用電子設(shè)備除電源電路以外，找到單個晶體管和FET等單個放大器已經(jīng)很困難了，但對于電子初學(xué)者和大中專學(xué)生來說，學(xué)習(xí)和設(shè)計電路仍然要從簡單電路開始。通過查找資料發(fā)現(xiàn)，由雙極型三極管組成的放大電路的設(shè)計原理的內(nèi)容比較多，而由場效應(yīng)晶體管組成的放大電路的設(shè)計原理的內(nèi)容卻很難找到，以下內(nèi)容作者憑學(xué)習(xí)心得主要就單個場效應(yīng)晶體管組成的簡單放大電路的設(shè)計原理過程作簡要闡述，希望給電子初學(xué)者在理解場效應(yīng)晶體管工作原理方面有所幫助。

場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管，是利用改變電場來控制固體材料導(dǎo)電能力的有源器件，它是在六十年代平面工藝逐漸成熟后發(fā)展起來的。這種器件不僅兼有一般半導(dǎo)體三極管體積小，重量輕，耗電省，壽命長等特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而大大地擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。

由于場效應(yīng)管的種類繁多，不同場合下場效應(yīng)管的用法也不同。本文主要討論的是以N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管為例，由工作狀態(tài)入手，分析共源極小信號放大電路的設(shè)計原理和過程。

1　場效應(yīng)管的工作狀態(tài)分類

根據(jù)N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的工作原理可知，場效應(yīng)管在不同的電壓偏置下所呈現(xiàn)的工作狀態(tài)是不同的，簡述如下：

（1）當(dāng)0＜VGS＜VT：(VGS為柵極與源極之間的電壓，VT為場效應(yīng)管開啟電壓)

漏源間不存在載流子的通道，場效應(yīng)管不導(dǎo)通，管子處于截止?fàn)顟B(tài),即管子工作在截止區(qū)。

（2）當(dāng)VGS＞VT時：1）0＜VDS＜VGS-VT,(VDS為漏極與源極之間的電壓)場效應(yīng)管在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，此時由于漏源電壓VDS較小，它對溝道的影響不大，只要VGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以漏極電流ID隨VDS近似呈線性變化。對于不同的電壓偏置，只要VDS一定，VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，ID越大，場效應(yīng)管在這一工作區(qū)稱為工作在可變電阻區(qū)；2）VDS＞VGS-VT,場效應(yīng)管溝道出現(xiàn)夾斷,由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開始，ID基本不隨VDS增加而變化，場效應(yīng)管在這一工作區(qū)稱為工作在飽和區(qū)或放大區(qū)；3）VDS繼續(xù)增大，當(dāng)VDS達(dá)到一定值，場效應(yīng)管將出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1圖2所示。

圖1是N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線，它是場效應(yīng)管輸出端電流與輸出電壓關(guān)系的一族曲線，整個工作區(qū)分成了可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2所示,它是輸出電流與輸入電壓的關(guān)系曲線，圖中，由于當(dāng)場效應(yīng)管作放大器使用時，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時ID幾乎不隨VDS而變化,即不同的VDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用VDS大于某一數(shù)值(VDS＞VGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)VGS＞VT，VDS＞VGS-VT時，即在飽和區(qū)（放大區(qū)）內(nèi)，ID隨VGS的增加近似按平方律上升，工程上常用近似方程逼近，因而有：，ID0為VGS=2VT時ID的值

大家知道，要設(shè)計一個由場效應(yīng)管為核心器件的小信號放大電路，就必須先保證場效應(yīng)管工作在放大區(qū),然后在靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上疊加交流小信號，把小信號進(jìn)行放大。圖3給出了一個由N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管構(gòu)成的最簡單電壓偏置電路，其中柵源兩極加上直流電壓VGS，電源通過漏極電阻RD給場效應(yīng)管提供能量，輸出電壓為V0，也即VDS?，F(xiàn)在假定輸入端電壓滿足條件VGS＞VT，那么不難得到輸出電壓V0=VDD-ID*RD。（圖3圖4）

圖1　輸出特性曲線

圖2　轉(zhuǎn)移特性曲線

2　場效應(yīng)管主要參數(shù)設(shè)定過程

場效應(yīng)管主要參數(shù)設(shè)定并不是一件容易的事，原因是電路參數(shù)的設(shè)定應(yīng)該滿足許多要求，常見的設(shè)計要求包括：（1）放大電路的增益要求；（2）放大電路放大的小信號是否滿足失真要求；（3）放大電路信號的輸入輸出范圍是否滿足要求等等。

根據(jù)場效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線我們還可以得到如圖4所示的輸入輸出電壓關(guān)系曲線，其中曲線аb段滿足條件VGS＜VT，此時場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出端的輸出電壓VDS等于電源電壓VDD基本保持不變；曲線bc段滿足條件VGS＞VT，VDS＞VGSVT，曲線向下彎折，電路輸出端根據(jù)KVL定理，輸出電壓VDS滿足方程VDS=VDD-ID*RD的關(guān)系，VDS隨著VGS的增大迅速變小，場效應(yīng)管逐步進(jìn)入飽和區(qū)也即放大區(qū)；曲線cd段滿足條件VGS＞VT，0＜VDS＜VGS-VT，為場效應(yīng)管的可變電阻區(qū)。圖中需要說明的是虛線一為方程VDS=VGS所在的直線，沿橫坐標(biāo)把它向右移動VT個單位就得到虛線二，即方程VDS=VGS-VT所在的直線，虛線二的上方區(qū)域就滿足不等式VDS＞VGS-VT的條件，c點(diǎn)是曲線方程VDS=VDD-ID*RD與直線方程VDS=VGS-VT的交點(diǎn)，可見，c點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)VM就是設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時輸入端偏置直流電壓VGS的上限，這樣就找到了輸入端偏置直流電壓的范圍VT＜VGS＜VM，下面是計算VM的過程。

方程：

方程（1）中ID=ID0*代入（1），聯(lián)立方程（2）VGSVT=VDD-ID0**RD整理得：

則VM=VGS=

這是一個關(guān)于VGS的一元二次方程的解，解得的結(jié)果中包含的數(shù)值量有電源電壓VDD，漏極負(fù)載電阻RD，開啟電壓VT以及特定電流ID0的值，放大電路設(shè)計時，開啟電壓VT和特定電流ID0由選定的場效應(yīng)管通過查閱可得，電源電壓VDD受到系統(tǒng)條件的限制通常為一個確定的已知值，也就是說方程中VGS的大小最終求得取決于漏極負(fù)載電阻RD的選定。到此，我們得到了輸入端直流偏置電壓VGS的上限。在實(shí)際電路中，常采樣自偏法或分壓法對場效應(yīng)管進(jìn)行直流偏置來滿足設(shè)計要求，只要偏置電壓VGS范圍確定，是容易實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)我們知道了場效應(yīng)管輸入端直流偏置電壓VGS的范圍后，由于放大電路的增益計算設(shè)計也與漏極負(fù)載電阻RD的值有關(guān)，所以還不能馬上確定漏極負(fù)載電阻RD的值。下面是場效應(yīng)管小信號放大電路的增益計算的推導(dǎo)，推導(dǎo)的方法有兩種：

方法一：假設(shè)場效應(yīng)管輸入端輸入電壓為vI=VI+vi=VGS+vi，式中vI是輸入端的直流偏置電壓VGS與交流小信號電壓vi的疊加，則輸出端輸出電壓滿足vo=Vo+vO=VDD-iD*RD，式中vo是輸出端放大的直流電壓Vo與放大的交流小信號電壓vo的疊加，iD是通過漏極電阻的靜態(tài)直流電流ID與交流小電流id的疊加。

根據(jù)ID=ID0*；那么iD=ID0*；代入方程vo=VDD-iD*RD；

得vo=VDD-ID0**RD=VDD-ID0*RD*；

轉(zhuǎn)化得vo=VDD-ID0*RD* +2；

即得vo=（VDD-ID0*RD* -2ID0*RD*；

也就是Vo+vO=（VDD-ID0*RD*）-2ID0*RD*

由上面分析可得放大的小信號傳輸關(guān)系式:

vO=-2ID0*RD*=-2ID0*RD**vi；

方法二：根據(jù)場效應(yīng)管小信號放大電路輸出端輸出方程，結(jié)合輸入輸出電壓關(guān)系曲線，在已知場效應(yīng)管在靜態(tài)工作點(diǎn)上存在小信號擾動的情況下，工程上認(rèn)為，靜態(tài)工作點(diǎn)附近輸入輸出電壓關(guān)系曲線可以線性化處理，考慮到電壓與電流之間的微變關(guān)系，輸出信號的增量可通過對方程在VGS處求導(dǎo)所得：

vo=VDD-iD*RD；

把iD=ID0*代入得vo=VDD-ID0**RD；

vO==-2ID0***RD*Vi；

（Vi=VGS+Vi）；

圖3　場效應(yīng)管直流偏置電路

圖4　場效應(yīng)管輸入輸出電壓關(guān)系圖

可

見，場效應(yīng)管低頻小信號放大電路的電壓增益與漏極負(fù)載電阻RD也有關(guān)系，并且與它成正比。如果單考慮放大電路的電壓增益，增大漏極負(fù)載電阻將有利于交流小信號電壓的放大，但是考慮到輸入端輸入信號的電壓范圍，由于輸入端的直流偏置電壓與交流小信號電壓的疊加范圍（VT＜VGS+Vi＜VM）隨著漏極負(fù)載電阻的增大而變窄（VM隨著漏極負(fù)載電阻的增大而減?。?，過窄的輸入范圍將使場效應(yīng)管的工作狀態(tài)很容易滑入截止區(qū)或可變電阻區(qū)，直接導(dǎo)致輸出的放大信號產(chǎn)生較大的失真，這是不容許的，所以，在選擇漏極負(fù)載電阻RD的值時應(yīng)該采取折中方案，達(dá)到既能滿足放大電路的電壓增益的要求，也能滿足輸入端電壓信號輸入范圍的要求。

另外我們找到了低頻跨導(dǎo)的來源gm=-2ID0*VT-2*（VGS-VT），實(shí)驗(yàn)顯示，合理設(shè)定靜態(tài)工作點(diǎn)對場效應(yīng)管放大電路的正常工作將產(chǎn)生重要影響，與雙極型晶體管組成的電壓放大電路不同，雙極型晶體管的電流放大系數(shù)β值基本上不隨靜態(tài)工作點(diǎn)的變化而產(chǎn)生變化，當(dāng)三極管正常工作時，電壓增益也不會受靜態(tài)工作點(diǎn)的變化產(chǎn)生影響，而場效應(yīng)管的低頻跨導(dǎo)與輸入端直流偏置電壓VGS有關(guān)，低頻跨導(dǎo)將隨靜態(tài)工作點(diǎn)的變化而產(chǎn)生變化，那么即使場效應(yīng)管在正常工作時，電壓增益也會受靜態(tài)工作點(diǎn)的變化而產(chǎn)生較大影響，這一點(diǎn)值得大家關(guān)注的。至于其它類型的場效應(yīng)管構(gòu)成的低頻小信號放大電路，大家可以采用同樣的方法進(jìn)行分析計算并加以討論。

參考文獻(xiàn)：

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