场效应晶体管放大电路设计原理过程解析单管放大电路主要参数设定

金献忠（江阴职业技术学院　电子信息工程系,江苏　江阴　214433　）

场效应晶体管放大电路设计原理过程解析单管放大电路主要参数设定

金献忠
（江阴职业技术学院电子信息工程系,江苏江阴214433）

摘要：现在的IC技术是日新月异的技术，无论是模拟电路还是数字电路都能进行IC化或LSI化，观察一些设备内部的电子电路，除电源电路以外，几乎所有电路都被IC化或LSI化，找到单个晶体管和FET等单个放大器是很困难的，但是，为了能探索IC电路的内部结构，深刻理解电路的工作原理，研究分析晶体管最基本的放大器件仍具有十分重要的意义。

关键词：场效应晶体管;增益;低频跨导

随着电子技术的发展，电子电路的集成化程度越来越高，常用电子设备除电源电路以外，找到单个晶体管和FET等单个放大器已经很困难了，但对于电子初学者和大中专学生来说，学习和设计电路仍然要从简单电路开始。通过查找资料发现，由双极型三极管组成的放大电路的设计原理的内容比较多，而由场效应晶体管组成的放大电路的设计原理的内容却很难找到，以下内容作者凭学习心得主要就单个场效应晶体管组成的简单放大电路的设计原理过程作简要阐述，希望给电子初学者在理解场效应晶体管工作原理方面有所帮助。

场效应晶体管简称场效应管，是利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件，它是在六十年代平面工艺逐渐成熟后发展起来的。这种器件不仅兼有一般半导体三极管体积小，重量轻，耗电省，寿命长等特点，而且还有输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而大大地扩展了它的应用范围。

由于场效应管的种类繁多，不同场合下场效应管的用法也不同。本文主要讨论的是以N沟道增强型场效应管为例，由工作状态入手，分析共源极小信号放大电路的设计原理和过程。

1　场效应管的工作状态分类

根据N沟道增强型场效应管的工作原理可知，场效应管在不同的电压偏置下所呈现的工作状态是不同的，简述如下：

（1）当0＜VGS＜VT：(VGS为栅极与源极之间的电压，VT为场效应管开启电压)

漏源间不存在载流子的通道，场效应管不导通，管子处于截止状态,即管子工作在截止区。

（2）当VGS＞VT时：1）0＜VDS＜VGS-VT,(VDS为漏极与源极之间的电压)场效应管在电场作用下产生导电沟道，此时由于漏源电压VDS较小，它对沟道的影响不大，只要VGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以漏极电流ID随VDS近似呈线性变化。对于不同的电压偏置，只要VDS一定，VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，ID越大，场效应管在这一工作区称为工作在可变电阻区；2）VDS＞VGS-VT,场效应管沟道出现夹断,由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化，场效应管在这一工作区称为工作在饱和区或放大区；3）VDS继续增大，当VDS达到一定值，场效应管将出现击穿现象。输出特性曲线和转移特性曲线如图1图2所示。

图1是N沟道增强型场效应管的输出特性曲线，它是场效应管输出端电流与输出电压关系的一族曲线，整个工作区分成了可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图2所示,它是输出电流与输入电压的关系曲线，图中，由于当场效应管作放大器使用时，场效应管工作在饱和区(恒流区),此时ID几乎不随VDS而变化,即不同的VDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用VDS大于某一数值(VDS＞VGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。

实验表明，当VGS＞VT，VDS＞VGS-VT时，即在饱和区（放大区）内，ID随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为VGS=2VT时ID的值

大家知道，要设计一个由场效应管为核心器件的小信号放大电路，就必须先保证场效应管工作在放大区,然后在静态工作点的基础上叠加交流小信号，把小信号进行放大。图3给出了一个由N沟道增强型场效应管构成的最简单电压偏置电路，其中栅源两极加上直流电压VGS，电源通过漏极电阻RD给场效应管提供能量，输出电压为V0，也即VDS。现在假定输入端电压满足条件VGS＞VT，那么不难得到输出电压V0=VDD-ID*RD。（图3图4）

图1　输出特性曲线

图2　转移特性曲线

2　场效应管主要参数设定过程

场效应管主要参数设定并不是一件容易的事，原因是电路参数的设定应该满足许多要求，常见的设计要求包括：（1）放大电路的增益要求；（2）放大电路放大的小信号是否满足失真要求；（3）放大电路信号的输入输出范围是否满足要求等等。

根据场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线我们还可以得到如图4所示的输入输出电压关系曲线，其中曲线аb段满足条件VGS＜VT，此时场效应管处于截止状态，输出端的输出电压VDS等于电源电压VDD基本保持不变；曲线bc段满足条件VGS＞VT，VDS＞VGSVT，曲线向下弯折，电路输出端根据KVL定理，输出电压VDS满足方程VDS=VDD-ID*RD的关系，VDS随着VGS的增大迅速变小，场效应管逐步进入饱和区也即放大区；曲线cd段满足条件VGS＞VT，0＜VDS＜VGS-VT，为场效应管的可变电阻区。图中需要说明的是虚线一为方程VDS=VGS所在的直线，沿横坐标把它向右移动VT个单位就得到虚线二，即方程VDS=VGS-VT所在的直线，虚线二的上方区域就满足不等式VDS＞VGS-VT的条件，c点是曲线方程VDS=VDD-ID*RD与直线方程VDS=VGS-VT的交点，可见，c点对应的横坐标VM就是设置静态工作点时输入端偏置直流电压VGS的上限，这样就找到了输入端偏置直流电压的范围VT＜VGS＜VM，下面是计算VM的过程。

方程：

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

则VM=VGS=

这是一个关于VGS的一元二次方程的解，解得的结果中包含的数值量有电源电压VDD，漏极负载电阻RD，开启电压VT以及特定电流ID0的值，放大电路设计时，开启电压VT和特定电流ID0由选定的场效应管通过查阅可得，电源电压VDD受到系统条件的限制通常为一个确定的已知值，也就是说方程中VGS的大小最终求得取决于漏极负载电阻RD的选定。到此，我们得到了输入端直流偏置电压VGS的上限。在实际电路中，常采样自偏法或分压法对场效应管进行直流偏置来满足设计要求，只要偏置电压VGS范围确定，是容易实现的。

当我们知道了场效应管输入端直流偏置电压VGS的范围后，由于放大电路的增益计算设计也与漏极负载电阻RD的值有关，所以还不能马上确定漏极负载电阻RD的值。下面是场效应管小信号放大电路的增益计算的推导，推导的方法有两种：

方法一：假设场效应管输入端输入电压为vI=VI+vi=VGS+vi，式中vI是输入端的直流偏置电压VGS与交流小信号电压vi的叠加，则输出端输出电压满足vo=Vo+vO=VDD-iD*RD，式中vo是输出端放大的直流电压Vo与放大的交流小信号电压vo的叠加，iD是通过漏极电阻的静态直流电流ID与交流小电流id的叠加。

根据ID=ID0*；那么iD=ID0*；代入方程vo=VDD-iD*RD；

得vo=VDD-ID0**RD=VDD-ID0*RD*；

转化得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号传输关系式:

vO=-2ID0*RD*=-2ID0*RD**vi；

方法二：根据场效应管小信号放大电路输出端输出方程，结合输入输出电压关系曲线，在已知场效应管在静态工作点上存在小信号扰动的情况下，工程上认为，静态工作点附近输入输出电压关系曲线可以线性化处理，考虑到电压与电流之间的微变关系，输出信号的增量可通过对方程在VGS处求导所得：

vo=VDD-iD*RD；

把iD=ID0*代入得vo=VDD-ID0**RD；

vO==-2ID0***RD*Vi；

（Vi=VGS+Vi）；

图3　场效应管直流偏置电路

图4　场效应管输入输出电压关系图

可

见，场效应管低频小信号放大电路的电压增益与漏极负载电阻RD也有关系，并且与它成正比。如果单考虑放大电路的电压增益，增大漏极负载电阻将有利于交流小信号电压的放大，但是考虑到输入端输入信号的电压范围，由于输入端的直流偏置电压与交流小信号电压的叠加范围（VT＜VGS+Vi＜VM）随着漏极负载电阻的增大而变窄（VM随着漏极负载电阻的增大而减小），过窄的输入范围将使场效应管的工作状态很容易滑入截止区或可变电阻区，直接导致输出的放大信号产生较大的失真，这是不容许的，所以，在选择漏极负载电阻RD的值时应该采取折中方案，达到既能满足放大电路的电压增益的要求，也能满足输入端电压信号输入范围的要求。

另外我们找到了低频跨导的来源gm=-2ID0*VT-2*（VGS-VT），实验显示，合理设定静态工作点对场效应管放大电路的正常工作将产生重要影响，与双极型晶体管组成的电压放大电路不同，双极型晶体管的电流放大系数β值基本上不随静态工作点的变化而产生变化，当三极管正常工作时，电压增益也不会受静态工作点的变化产生影响，而场效应管的低频跨导与输入端直流偏置电压VGS有关，低频跨导将随静态工作点的变化而产生变化，那么即使场效应管在正常工作时，电压增益也会受静态工作点的变化而产生较大影响，这一点值得大家关注的。至于其它类型的场效应管构成的低频小信号放大电路，大家可以采用同样的方法进行分析计算并加以讨论。

参考文献：

[1]康华光.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.

[2]谢沅清.电子电路基础[M].人民邮电出版社.

[3]AnantAgarwal.电路和电子学[M].美国麻省理工学院.