模电·场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析估算

  图1所示共源放大电路采用的是N沟道增强型MOS管，为使它工作在恒流区，在输人回路加栅极电源 V G G V\tiny GG VGG， V G G V\tiny GG VGG应大于开启电压 U G S ( t h ) U\tiny GS(th) UGS(th)；在输出回路加漏极电源V，它一方面使漏 - 源电压大于预夹断电压以保证管子工作在恒流区，另一方面作为负载的能源； R d R\tiny d Rd与共射放大电路中 R c R\tiny c Rc具有完全相同的作用，它将漏极电流 i D \large i\tiny D iD的变化转换成电压 u D S \large u\tiny DS uDS的变化，从而实现电压放大。

  令 U ˙ i = 0 \.U{\tiny i}=0 U˙i=0，由于栅 - 源之间是绝缘的，故栅极电流为0，所以 U G S Q = V G G {U\tiny GSQ}={V\tiny GG} UGSQ=VGG。如果已知场效应管的输出特性曲线，那么首先在输出特性中找到 U G S = V G G {U\tiny GS}={V\tiny GG} UGS=VGG的那条曲线(若没有，需测出该曲线)，然后作负载线 u D S = V D D − i D R d {\large u\tiny DS}={V\tiny DD}-{i\tiny D}{R\tiny d} uDS=VDD−iDRd，如图2.场效应管放大电路所示，曲线与直线的交点就是Q点，读其坐标值即得 I D Q I\tiny DQ IDQ和 U D S Q U\tiny DSQ UDSQ。

  当然，也可以利用场效应管的电流方程，求出。因为 i D S = I D O ( u G S U G S ( t h ) − 1 ) 2 {\large i\tiny DS}={I\tiny DO}(\frac{\large u\tiny GS}{U\tiny GS(th)}-1)^2 iDS=IDO(UGS(th)uGS​−1)2 所以 I D Q I\tiny DQ IDQ和 U D S Q U\tiny DSQ UDSQ分别为 I D Q = I D O ( V G G U G S ( t h ) − 1 ) 2 {I\tiny DQ}={I\tiny DO}(\frac{V\tiny GG}{U\tiny GS(th)}-1)^2 IDQ=IDO(UGS(th)VGG​−1)2 U D S Q = V D D − I D Q R d {U\tiny DSQ}={V\tiny DD}-{I\tiny DQ}{R\tiny d} UDSQ=VDD−IDQRd   为了使信号源与放大电路“共地”，也为了采用单电源供电，在实用电路中多采用下面介绍的自给偏压电路和分压式偏置电路。

  图3.(a)所示为N沟道结型场效管共源放大电路，也是典型的自给偏压电路。N沟道结型场效管只有在栅-源电压 U G S U\tiny GS UGS小于零时电路才能正常工作，那么图示电路中为什么 U G S U\tiny GS UGS会小于零呢?   在静态时，由于场效管栅极电流为零，因而电阻 R g R\tiny g Rg的电流为零，栅极电位 U G Q U\tiny GQ UGQ也就为零；而漏极电流 I D Q I\tiny DQ IDQ流过源极电阻 R s R\tiny s Rs必然产生电压，使源极电位 U S Q = I D Q R s {U\tiny SQ}={I\tiny DQ}{R\tiny s} USQ=IDQRs，因此，栅-源之间静态电压 U G S Q = U C Q − U S Q = − I D Q R s {U\tiny GSQ}={U\tiny CQ}-{U\tiny SQ}=-{I\tiny DQ}{R\tiny s} UGSQ=UCQ−USQ=−IDQRs 可见，电路是靠源极电阻上的电压为栅 - 源两极提供一个负偏压的，故称为自给偏压。将 U G S Q = U C Q − U S Q = − I D Q R s {U\tiny GSQ}={U\tiny CQ}-{U\tiny SQ}=-{I\tiny DQ}{R\tiny s} UGSQ=UCQ−USQ=−IDQRs与场效应管的电流方程联立，即可解出 I D Q I\tiny DQ IDQ和 U G S Q U\tiny GSQ UGSQ I D Q = I D S S ( 1 − u G S Q U G S ( o f f ) ) 2 {I\tiny DQ}={I\tiny DSS}(1-\frac{\large u\tiny GSQ}{U\tiny GS(off)})^2 IDQ=IDSS(1−UGS(off)uGSQ​)2 U D S Q = V D D − I D Q ( R d + R s ) {U\tiny DSQ}={V\tiny DD}-{I\tiny DQ}({R\tiny d}+{R\tiny s}) UDSQ=VDD−IDQ(Rd+Rs) 也可用图解法求解Q点。

  图3.(b)所示电路是自给偏压的一种特例，其 U G S Q = 0 {U\tiny GSQ}=0 UGSQ=0。图中采用耗尽型N沟道MOS管，因此其栅 - 源之间电压在小于零、等于零和大于零的一定范围内均能正常工作。求解0点时，可先在转移特性上求得 U G S = 0 {U\tiny GS}=0 UGS=0时的 i D i\tiny D iD，即 i D Q i\tiny DQ iDQ；然后利用 U D S Q = V D D − I D Q R d {U\tiny DSQ}={V\tiny DD}-{I\tiny DQ}{R\tiny d} UDSQ=VDD−IDQRd求出管压降 U D S Q U\tiny DSQ UDSQ。

  图4.所示为N沟道增强型MOS管构成的共源放大电路，它靠 R g 1 R\tiny g1 Rg1与 R g 2 R\tiny g2 Rg2对电源 V D D V\tiny DD VDD分压来设置偏压，故称分压式偏置电路。   静态时，由于栅极电流为0，所以电阻 R g 3 R\tiny g3 Rg3上的电流为0，栅极电位和源极电位分别为 U G Q = U A = R g 1 R g 1 + R g 2 ∗ V D D ， U S Q = I D Q R s {U\tiny GQ}={U\tiny A}=\frac{R\tiny g1}{{R\tiny g1}+{R\tiny g2}}*{V\tiny DD}，{U\tiny SQ}={I\tiny DQ}{R\tiny s} UGQ=UA=Rg1+Rg2Rg1​∗VDD，USQ=IDQRs 因此，栅 - 源电压 U G S Q = U G Q − U S Q = R g 1 R g 1 + R g 2 ∗ V D D − I D Q R s {U\tiny GSQ}={U\tiny GQ}-{U\tiny SQ}=\frac{R\tiny g1}{{R\tiny g1}+{R\tiny g2}}*{V\tiny DD}-{I\tiny DQ}{R\tiny s} UGSQ=UGQ−USQ=Rg1+Rg2Rg1​∗VDD−IDQRs

  与式 I D Q = I D S S ( 1 − u G S Q U G S ( o f f ) ) 2 {I\tiny DQ}={I\tiny DSS}(1-\frac{\large u\tiny GSQ}{U\tiny GS(off)})^2 IDQ=IDSS(1−UGS(off)uGSQ​)2联立可得 I D Q I\tiny DQ IDQ和 U G S Q U\tiny GSQ UGSQ，再利用式 U D S Q = V D D − I D Q R d {U\tiny DSQ}={V\tiny DD}-{I\tiny DQ}{R\tiny d} UDSQ=VDD−IDQRd可得管压降 U D S Q U\tiny DSQ UDSQ。   电路中的 R g 3 R\tiny g3 Rg3可取值到几兆欧，以增大输入电阻。