场效应晶体管放大电路优化指南

场效应晶体管放大电路与晶体管放大电路一样，也有共源、共栅和共漏三种组态。下面以N沟道MOS管为例来讨论场效应晶体管放大电路。

1.电路的组成

N沟道MOS管共源电压放大器的电路组成如图6-88所示。由图6-88可见，该电路的结构与工作点稳定的晶体管电压放大器很相似。图中的R_g1和R_g2为偏置电阻，它们的作用与晶体管电路中的R_b1和R_b2相同，是给电路提供合适的静态工作点；R_g3的作用是提高电路的输入阻抗；R_d、R_s和C_s的作用与晶体管电路中的R_c、R_e和C_e的作用相同。

2.静态分析

对晶体管放大电路进行静态分析的目的是计算电路的静态工作点Q（I_BQ、I_CQ、U_CEO）。对场效应晶体管放大电路进行静态分析的目的也是计算电路的静态工作点Q，由于场效应晶体管是压控元件，所以静态工作点Q为U_GSQ、I_DQ和U_DSQ。计算静态工作点所用的直流通路如图6-89所示。

图6-88 共源电压放大器

图6-89 直流通路

因场效应晶体管栅-源之间的电阻很大，可作开路处理，根据电路分析的知识，可得计算电路静态工作点的公式为

联立上面5个方程式可求得静态工作点Q（U_GSQ、I_DQ和U_DSQ）。

3.动态分析

与晶体管放大电路一样，对场效应晶体管放大电路进行动态分析的目的，主要也是计算电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。进行动态分析所用的电路也是微变等效电路，场效应晶体管微变等效电路的模型如图6-90所示。

图6-90a是低频模型，用于低频小信号的分析；图6-90b是高频模型，用于高频电路和频响特性的分析。场效应晶体管共源电压放大器的微变等效电路如图6-91所示。

图6-90 微变等效电路

图6-91 共源极电压放大器的微变等效电路

根据图6-91可得电压放大倍数为

输入电阻和输出电阻分别为

式（6-118）说明，电阻R_g3的作用是提高电路的输入电阻。共源电压放大器在Multisim软件上仿真实验的结果如图6-92所示。利用图6-90b所示的电路也可讨论场效应晶体管放大器的频响特性，讨论的方法与晶体管放大电路讨论的方法相同，留作习题供大家练习。

图6-92 共源极电压放大器仿真实验的结果

因为共漏放大器等效于共集电极放大器，共栅放大器等效于共基极放大器，所以这两个电路的分析方法分别与共集电极放大器和共基极放大器讨论问题的方法相同，这里不再赘述，留作习题供大家练习。

对于结型场效应晶体管和耗尽型的MOS管，因为，在栅-源之间不加电压时，管子内部就有导电沟道的存在，所以可以采用自给栅偏压的方法来组成场效应晶体管电压放大器。下面以N沟道结型场效应晶体管为例来讨论自给栅偏压场效应晶体管的电压放大器。

图6-93 自给栅偏压电路

自给栅偏压场效应晶体管电压放大器的电路组成如图6-93所示。该电路产生偏压的原理是：在静态时，由于场效应晶体管的栅极电流为零，所以，电阻R_g上没有电流，栅极电位U_GQ等于零，但场效应晶体管的漏极电流I_DQ不等于零，I_DQ在源极电阻R_s上的电压值U_g=I_DQR_s大于零，使得栅-源电压U_gs小于零，该电压即为栅极的偏置电压U_GSQ。因为，栅偏压是由I_DQR_s自给产生的，所以，该电路称为自给栅偏压电路。根据这一特点，可得计算自给栅偏压电路静态工作点的公式为

对该电路进行动态分析的方法与上面讨论的方法相同，这里不再赘述，在Multisim软件上仿真实验的结果如图6-94所示。

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图6-94 在Multisim软件上仿真实验的结果

通过上面的讨论可知，因为场效应晶体管放大器具有输入阻抗高、动态范围大的特点，所以场效应晶体管放大器在通信电路中也被广泛使用，由场效应晶体管组成的选频放大器的电路如图6-95所示。

图6-95所示的电路与图6-75所示的电路比较，除了用场效应晶体管替代晶体管外，为了改善电路的通频带，谐振网络采用双调谐回路。因为对高频电路的分析，通常都是在静态工作点正常的前提下进行的，所以对高频电路的分析通常只进行动态分析。

在场效应晶体管的C_gs可忽略的前提下，图6-95所示电路的微变等效电路如图6-96a所示，利用电路分析课程的知识讨论电路频响特性曲线的等效电路如图6-96b所示。

图6-95 由场效应晶体管组成的选频放大器

在Multisim软件上仿真测试的结果如图6-97所示。

图6-97中波特图屏幕上的波形清晰地显示出图6-95所示的电路是选频放大器。为了进一步提高选频放大器的性能，利用6.6.2节的思路，也可以用场效应晶体管组成如图6-98所示的共源-共栅高频（选频）放大器。

图6-96 微变等效电路

图6-97 在Multisim软件上仿真测试的结果

图6-98 共源-共栅高频（选频）放大器

在图6-98所示的电路中，放大器的输入端采用电容分接电路实现阻抗匹配，第一个结型场效应晶体管VT₁组成自给栅偏压的共源极放大器，第二个结型场效应晶体管VT₂组成共栅极电路，输出端采用变压器耦合的双调谐网络，以实现选择性和通频带的最佳组合。

因为共源极场效应晶体管放大器的工作原理与共发射极电路相同，共栅极场效应晶体管放大器的工作原理与共基极电路相同，综合利用6.6.2节和电路分析课程的知识可以讨论图6-98所示电路的静态参数和动态参数。

在图6-98所示的电路中，第一个场效应晶体管VT₁的漏极与第二个场效应晶体管VT₂的源极直接相连，根据这个思路开发的双栅极场效应晶体管被广泛用在电视机的高频调谐器（高频头）电路中，用双栅极场效应晶体管组成的高频放大器电路如图6-99所示。

图6-99 用双栅极场效应晶体管组成的高频放大器

图6-99中的场效应晶体管VT₁是MOS结构的双栅极场效应晶体管，该电路的工作原理与图6-98所示电路的工作原理相同，但双栅极结构的屏蔽作用改善了电路的动态特性，使放大器的增益更大、工作更稳定。在Multisim软件上仿真测试的结果如图6-100所示。

图6-100 在Multisim软件上仿真测试的结果

在图6-100所示的电路中，为了进一步提高电路工作的稳定性，谐振网络也可以采用电

路分析课程介绍的陶瓷滤波器或声表面滤波器。

6.9.5 场效应晶体管与晶体管的比较

场效应晶体管的栅g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，它们的作用相类似。场效应晶体管和晶体管的主要差别是：

1）场效应晶体管用栅-源电压u_gs控制漏极电流i_d，栅极基本上不索取电流；而晶体管工作时基极总要索取一定的电流。因此要求输入电阻高的电路应选用场效应晶体管；因晶体管的电压放大倍数比场效应晶体管大，在信号源可以提供一定电流的情况下，通常选用晶体管。

2）场效应晶体管只有多子参与导电，晶体管内既有多子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素的影响较大，因而场效应晶体管比晶体管的温度稳定性好，所以在环境条件变化很大的情况下通常选用场效应晶体管。

3）场效应晶体管的噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级和要求信噪比较高的电路通常选用场效应晶体管或特制的低噪声晶体管。

4）场效应晶体管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。

5）场效应晶体管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅-源电压u_gs可正、可负、可零，均能控制漏极电流。因而在组成电路时场效应晶体管比晶体管有更大的灵活性。

6）场效应晶体管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应晶体管集成工艺更简单，且具有耗电小、工作电源电压范围宽等优点，因此场效应晶体管被广泛用在集成电路的制造中。