第七节　场效应管放大电路

场效应管与三极管一样，均为三端有源控制器件，都可以构成放大电路。它们的不同在于：三极管是电流控制器件，它是通过iB对iC实现控制的，构成放大电路时需要设置一定的偏流；场效应管是电压控制器件，它是通过uGS对iD实现控制的，构成放大电路时需要设置合适的偏压。场效应管具有输入电阻高和噪声低等优点，适合于放大微弱信号，因此多用在多级放大电路的输入级。场效应管的栅极、漏极和源极与三极管的基极、集电极和发射极相对应，因此也可以组成三种组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路。由于场效应管的结构和特性不同，且种类较多，本节仅以N沟道结型场效应管、N沟道增强型MOS管为例，讨论共源和共漏场效应管放大电路的静态分析和动态分析。

一、偏置电路与静态分析

由场效应管构成的放大电路与三极管构成的放大电路一样，都要建立合适的静态工作点。所不同的是由于场效应管为电压控制器件，因此需要有合适的栅极电压。通常，偏置的形式有两种：自给偏压和分压式偏置。

1.自给偏压电路

图2-34（a）为结型N沟道耗尽型场效应管自给偏压放大电路。电路中各元件的作用是：漏极电阻RD的作用是将变化的漏极电流iD转换成变化的电压uDS，并通过电容C2输出电压信号，从而实现电压放大；源极电阻RS的作用是利用漏极电流在其上的压降为栅-源极提供负的偏压；栅极电阻RG的作用是将自给偏压加至栅极，形成直流通路。

场效应管放大电路的静态工作点有三个参数：栅-源之间的电压UGSQ；漏极电流IDQ；漏-源之间的电压UDSQ。

自给偏压电路的静态分析：由图2-34（b）所示的直流通路可知，由于直流栅极电流为零，则栅极电阻RG上的电压也为零，所以栅极电位UG=0。当电路处于静态（ui=0）时，漏极电流IDQ将流过源极电阻RS，并在RS上产生源极电压US，因此栅-源之间的电压为

UGSQ=UG-US=-IDQRS　　（2-45）

此电压作为栅-源之间的负偏置电压，由于UGSQ是依靠自身的漏极电流IDQ产生的，故称为自给偏压。

根据结型场效应管的转移特性，有关系式：

联立式（2-45）、式（2-46），就可求出UGSQ和IDQ值。

由漏极回路可求出漏-源之间的电压为

UDSQ=VDD-IDQ（RD+RS）　　（2-47）

自给偏压电路比较简单，当静态工作点确定后，UGSQ和IDQ就确定了，因而RS的选择范围很小。另外，由于自给偏压使栅-源之间的偏置电压为负，所以自给偏压电路只适用于耗尽型场效应管。

2.分压式偏置电路

图2-35（a）为绝缘栅型N沟道增强型MOS管分压式偏置放大电路，图2-35（b）为其直流通路。由图可知，分压式偏压电路是在自给偏压电路的基础上加接了分压电阻RG1和RG2构成的。又由于场效应管的输入电阻很高，可以认为直流栅极电流为零，因此由电路的直流通路可求出电路的静态工作点。

因为直流栅极电流为零，RG上无直流压降，所以栅极电位由式（2-48）确定。

又由于源极电位为

USQ=IDQRS

因此，静态时栅-源电压为

与式（1-8）联立可得到IDQ和UGSQ。由漏极回路可求出漏-源电压为

UDSQ=VDD-ID（RD+RS）

适当选择RG1和RG2的值，可使UGSQ为正、为负或零，因此该偏置电路也适用于耗尽型。为进一步提高电路的输入电阻，在栅极回路中串入一个很大的电阻RG，以隔离RG1、RG2对信号的分流作用，使输入电阻保持在较大的数值，所以一般RG都选得很大，在兆欧级。

二、场效应管放大电路的动态分析

1.场效应管放大电路的微变等效电路

与三极管放大电路一样，对于输入信号为小信号的情况，场效应管放大电路也可以用微变等效电路法分析。在使用该方法时，也必须先将场效应管进行线性化处理。

1）场效应管的线性化

先看输入回路的线性化。由于场效应管的输入电阻rGS很高，栅极电流可以认为是零，即iG≈0，所以，栅-源之间可认为开路，输入电路的等效电路如图2-36（b）所示。

再看输出回路的线性化。由场效应管的伏安特性可知，场效应管工作在线性放大区时，漏极电流iD主要受栅-源电压uGS的控制。在场效应管中，iD与uGS间的关系可用“跨导”gm来表示，即

或　　iD=gmugs

因此，场效应管的输出回路，即漏-源之间可等效为一个受栅-源电压ugs控制的电流源gmugs，如图2-36（b）所示。其中，跨导gm反映了输入电压对输出电流的控制能力。

2）场效应管放大电路的微变等效电路

画场效应管放大电路的微变等效电路与三极管放大电路的微变等效电路的步骤是完全相同的，不同之处就是线性化的对象不同。对于图2-35的分压式偏置电路，即共源放大电路，它的微变等效电路如图2-37所示。画出场效应管放大电路的微变等效电路图后，就可以对电路进行动态分析并计算电路的性能指标。

2.共源极放大电路的动态分析

动态分析仍是分析其性能指标，即电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。

由图2-37可求出共源极放大电路的性能指标：

电压放大倍数为

输入电阻为

ri=RG+（R1∥R2）　　（2-52）

由式（2-52）可知，由于电阻RG的接入，使放大电路的输入电阻大大提高。

输出电阻为

ro=RD　　（2-53）

共源极放大电路与共射极放大电路相比，由于gm较小，所以电压放大倍数较低，但输入电阻很大，适用于多级放大电路的输入级。

3.共漏极放大电路的动态分析

共漏极放大电路又称源极输出器，这与射极输出器的含义相同。图2-38（a）所示为共漏极放大电路，图2-38（b）为其微变等效电路。由微变等效电路可以求出其性能指标。

电压放大倍数为

输入电阻为

ri=RG+（R1∥R2）　　（2-55）

输出电阻：求解输出电阻时，将输入端短接，在输出端外加一交流电压uo，然后求出io，则ro=uo/io。求解输出电阻方法如图2-39所示。

由上述分析可见，源极输出器的电压放大倍数略小于1，输出电压与输入电压近似相等。

在测量仪表中，常采用场效应管源极输出器作为输入级进行阻抗变换，它的工作性能与射极输出器相似，但输入电阻更高。