3.3　场效应管放大电路

用场效应管作为放大元件组成的放大电路，称为场效应管放大电路。场效应管是通过栅源之间的电压uGS来控制漏极电流iD，因此，和晶体管放大电路一样，可以实现能量的控制；由于栅源之间的电阻可达107～1012数量级，所以常作为高输入阻抗放大器的输入级。同样，为了实现场效应管能线性地放大信号，和晶体管放大电路一样也必须创建适当的偏置电路以提供正确的偏置电压，确保其工作在输出特性的恒流区。下面对场效应管的偏置方法、场效应管放大电路的静态特性和场效应管3种基本放大电路的动态特性分别进行讨论。

3.3.1　场效应管的直流偏置电路及静态分析

自给式偏压和分压式偏置是场效应管在放大电路中应用时常用的两种偏置方法。

1.自给式偏压电路

自给式偏压的场效应管放大电路如图3.12所示。需要说明的是，这种偏置方法只适用于由结型场效应管和耗尽型的MOS管组成的电路。因为这两种场效应管都属耗尽型的场效应管，即使栅源之间的电压uGS=0，只要有漏源之间的电压uDS，场效应管就会有电流iD从漏极流过，因此，在该电路中并没有直接用直流电源给栅源之间加电压，而是通过在场效应管的源极接入一源极电阻RS后，漏极电流IDQ通过它产生一个大小等于IDQRS的电压降，由图易知，UGSQ=-IDQRS<0。因此，在电路中产生了一个负的栅源偏置电压UGSQ，此时的UGSQ即为电路的自给偏压，正好满足电路中N沟道耗尽型场效应管工作于放大区时对uGS的要求。

那么为什么这种偏置方法不适用于增强型的MOS管呢？因为增强型的MOS管在uGS=0时，漏极电流iD=0，只有当栅极与源极之间的电压达到开启电压UGS（th）时，才有漏极电流，简单地说就是，对于增强型的MOS管来说产生漏极电流的前提是“开启”导电沟道，而这个导电沟道的开启是需要在栅源之间加电压。

电路中各元件的作用如下：

①RS为源极电阻，静态工作点受它控制。

②RD为漏极电阻，能放大电路具有电压放大作用。

③RG为栅极电阻，用以构成栅源极间的直流通路，它不能太小，否则会影响放大电路的输入电阻。

④CS为源极电阻上的交流旁路电容。

⑤C1和C2分别为输入端和输出端的耦合电容。

场效应管放大电路的静态工作点的分析方法也有图解法和估算法两种。图解法的作图过程较为麻烦，很少使用。下面以图3.12所示电路为例，估算自给偏压电路的静态工作点。

当场效应管工作于恒流区时，耗尽型场效应管满足下面的关系：

式中，IDSS为的栅源之间处于零偏（即uGS=0）时的漏极电流，称为漏极饱和电流。

由图3.13可见：

UGSQ=-IDQRS　　（3.3.2）

UDSQ=VDD-IDQ（RS+RD）　　（3.3.3）

根据式（3.3.1）～式（3.3.3）就可确定自偏压电路的静态工作点（IDQ、UGSQ和UDSQ）。注意，在得出Q点值后，还必须要判断其是否满足UDSQ> UGSQ-UGS（off），若满足则说明场效应管工作于恒流区，否则表明电路中的场效应管没有工作在恒流区，因此所求得的Q点值没有任何实际意义。

【例3.2】　已知电路如图3.12所示。其中VDD=30V，RD=3kΩ，RS=1kΩ，RG=1MΩ，漏极饱和电流IDSS=7 mA，UGS（off）=-8 V。试求IDQ、UGSQ和UDSQ。

解：由式（3.3.1）、式（3.3.2）可得

UGSQ=-IDQRS=-IDQ×1kΩ

联立以上两式求得

IDQ=2.9mV

UGSQ=-2.9V

由式式（3.3.3）可得

UDSQ=VDD-IDQ（RS+RD）=30V-2.9mV×（1kΩ+3kΩ）=18.4V

2.分压式偏置电路

分压式偏置电路也是一种常用的偏置电路，其栅源之间的电压除与RS有关外，还随RG1和RG2的分压比而改变。所以，这种偏置电路适用于所有类型的场效应管，如图3.13所示，这种偏置电路由于有RG1和RG2的分压，提高了栅极电位，使UGQ>0。这样既有可能使IDQRS>UGQ，满足N沟道结型场效应管对栅源之间电压的要求（UGQ<0）；也有可能使IDQRS<UGQ，满足N沟道增强型的MOS管对UGSQ>UGS（th）>0的要求。由于耗尽型MOS管的UGSQ可“正”可“负”，这种偏置电路总是适用的。为了不使分压电阻RG1、RG2对放大电路的输入电阻影响太大，故通过电阻RG3与栅极相连。

因为场效应管栅源之间的电阻极高，根本没有栅极电流流过电阻RG3。所以，栅极电位为电源电压在RG1、RG2上的分压，由图3.13可得栅源之间的电压UGSQ为

根据式（3.3.4）、式（3.3.5）就可以确定分压式偏置电路的静态工作点。由式（3.3.4）可见，UGSQ可正可负，所以这种偏置电路也适用于增强型场效应管。

3.3.2　场效应管放大电路的微变等效电路分析法

场效应管的3个电极源极、栅极和漏极与晶体管的3个电极发射极、基极和集电极相对应，因此，根据信号的输入、输出方式，场效应管放大电路也有3种接法，即共源极放大电路、共栅极放大电路和共漏极放大电路。下面主要以共源极放大电路为例进行分析。

1.场效应管的微变等效电路

与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，其输入电阻极高，输入电流几乎为零，它是通过改变栅源之间的电压来控制漏极电流id的。在低频小信号情况下，也可以由它的线性等效电路——微变等效电路来代替：由于在输入端栅极电流几乎为零，故可看成一个阻值极高的RGS，通常视为开路；输出端的漏极电流id主要受栅源之间的电压的控制，当有输入信号时。所以，输出回路可等效为一个受电压控制的电流源和输出电阻RDS并联，一般负载电阻比RDS小很多，故可认为RDS开路。因此，场效应管的微变等效电路如图3.14所示。

2.应用微变等效电路法分析场效应管放大电路

典型的共源极放大电路如图3.12所示，图3.15为其微变等效电路。分析步骤和晶体管放大电路相同。

（1）电压放大倍数

由图3.15可得图3.12所示电路的电压放大倍数为

（2）输入电阻Ri

从输入端看进去，电路的输入电阻为

（3）输出电阻Ro

若，即，则受控电流源，相当于开路，所以可求得放大电路的输出电阻为

Ro=RD　　（3.3.8）

【例3.3】　如图3.13所示放大电路，已知场效应管的参数为IDSS=1 mA，UGS（off）=-5V，gm=0.312mS，图中RG1=150kΩ，RG2=50kΩ，RG3=1MΩ，RS=10kΩ，RD=10kΩ，RL=10kΩ，VDD=20V。试求放大电路的静态工作点，电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro。

解：①静态分析。由式（3.3.4）和式（3.3.5）可得

联立求解方程的解为

第1组解因为UGS<UGS（off），场效应管已截止，应舍去。所以静态工作点为：

UGS=-1.1V

ID=0.61mA

UDS=UDD-ID（RD+RS）=20-0.61×（10+10）=7.8V

②动态性能分析。由式（3.3.6）～式（3.3.8）可得

Ro≈RD=10kΩ

从本例可见，场效应管共源极放大电路与晶体管共发射极放大电路的性能类似：有电压放大能力，并且输出电压与输入电压的相位相反，输入电阻较高。但共源极放大电路的电压放大能力通常低于共射极放大电路，而共源极放大电路的输入电阻高于共射极放大电路的输入电阻。

3.3.3　三种基本放大电路的性能比较

前面分析了共源极放大电路的，和晶体管共集电极电路和共基极电路一样，场效应管放大电路也有共漏极电路和共栅极电路。为便于读者学习，现将场效应管的3种基本放大电路的性能列于表3.2中，以资比较。

应当指出，在场效应管放大电路中的场效应管都工作于输出特性的线性放大区。如果使其工作于可变电阻区，那么场效应管可用作压控可变电阻。

电路仿真测试：

打开Multisim，建立如图3.16所示仿真电路，测量电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻，比较场效应管放大电路与晶体管放大电路，总结场效应管放大电路的特点。