模拟电路场效应管与场效应管放大电路分析

本文主要是介绍模拟电路场效应管与场效应管放大电路分析，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. 场效应管分析（FET）

1.1. 结形场效应管

1.1.1. 示意图

1.1.2. 基本工作原理

1.1.3. 特性曲线

1.1.3.1. 输出特性曲线

1.1.3.2.转移特性曲线

1.2. 绝缘栅型场效应管(MOSFET)

1.2.1. 增强型MOS管

1.2.1.1. 示意图

1.2.1.2. 工作原理

1.2.1.3. 特性曲线

1.2.1.4. 耗尽型MOS管

1.3. 场效应管主要参数

1.3.1 直流参数

1.3.2 交流参数:

1.3.3.极限参数

1.4. 总结：

2. 场效应管放大电路

2.1. 场效应管放大电路与三极管放大电路的对比

2.2. 静态分析

2.2.1. 基本共源放大电路，

2.2.2. 自给偏压电路

2.2.3. 分压偏置电路

2.3场效应管动态分析

2.3.1.场效应管等效模型

2.3.2.基本共源放大电路动态分析

2.3.3.基本共漏放大电路动态分析

1. 场效应管分析（FET）

利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，其实场效应管对三极管也是一样的，可以分为：截止区，饱和区，放大区，击穿区。但是又略有不同，饱和区对场效应管而言可以起到放大电流的作用，而在放大区可以作为控制电阻的作用。

1.1. 结形场效应管

1.1.1. 示意图

栅极:g(Gate) 漏极:d(Drain) 源极:s(Source)

1.1.2. 基本工作原理

通过在g-s位置加电压分析

通过添加 $u_{GS}$ ,也就是反向电压来扩大耗尽层，达到用电压来控制电阻，进而控制d-s之间的电流，其中如果 $u_{GS}$ $\leqslant$ $u_{GS(th))}$ 时彻底关断d-s之间的通路沟道电阻趋于无穷大，注意此处对于N沟道结形场效应管必须有 $u_{GS}$ $\leqslant$ 0，对于P沟道结形场效应管必须有 $u_{GS}$ $\geqslant$ 0

        看图，是在 $u_{GS}$ 固定不变的情况下，调整 $u_{DS}$ 进行的，首先明确一点 $i_{D}$ 的电流是由 $u_{DS}$ 提供的

        对于a图：g-d之间未出现夹断，不能在这里形成截止，但也不能稳定住电流，因为流经的电流受两个电压的影响，对于不同 $u_{GS}$ 来说，d-s间可以等效成不同的电阻

        对于b图，就很就产生了预夹断，没啥用，只能说是到拐点了

        对于c图就很好了·，这时候这时候 $u_{DS}$ 提供的电压已经把场效应管完全夹断，不管我 $u_{DS}$ 在怎么变化， $i_{D}$ 的电流不变

这时候调整 $u_{GS}$ ，这可以重新打开三极管，也就达到了电压控制电流的作用

低频跨导: $g_{m}$

1.1.3. 特性曲线

1.1.3.1. 输出特性曲线

1.1.3.2.转移特性曲线

当场效应管工作在恒流区时，输出特性曲线可以近似为横轴的一组平行线，那么可以用一条转移特性曲线代替平行线。主要是在用于计算的时候要方便很多。

$I_{DSS}$ 是 $U_{GS}=0$ 情况下产生预夹断时的 $I_{D}$ ，称为饱和漏极电流.

看输出特性曲线会发现在可变电阻区不同的 $U_{DS}$ 转移特性曲线将有很大的区别

总结：其实最后不难看出，其实对于结型场效应管而言，就类似于三极管，栅极g代替了三极管的基极b，漏极d代替了三极管的集电极c，源极s代替了三极管的发射极e，就其性能而言，场效应管要明显优于普通三极管，不管是频率还是散热要求，只要电路设计合理，采用场效应管会明显提升整体性能。

1.2. 绝缘栅型场效应管(MOSFET)

就分析而言，其实绝缘栅型场效应管和结形差不多

1.2.1. 增强型MOS管

1.2.1.1. 示意图

1.2.1.2. 工作原理

这里可以看出还是在s和g间加电压，但是不相同的是，结形加电压会导致改变s和d点间的电阻，而这里通过增加 $u_{GS}$ 使沟道形成。这里的栅-源电压称为开启电压 $u_{GS(th)}$ ， $u_{GS}$ 愈大,反型层愈厚，导电沟道电阻愈小。

接着也就一样，随着 $u_{DS }$ 的增大，s-d之间就从可变电阻区向夹断区变化，最后也就进入饱和区或者称之为恒流区。再通过 $u_{GS}$ 来进行控制 $i_{D}$ 。

1.2.1.3. 特性曲线

$I_{DO}$ 是 $u_{GS}$ =2 $u_{GS(th)}$ 时的 $i_{D}$ （最大值）

1.2.1.4. 耗尽型MOS管

耗尽型与增强型的区别在于耗尽型自带一个反型层， $u_{GS}$ 电压可正可负，通过 $u_{GS}$ 来控制反型层的大小， $u_{GS}$ 为正时，反型层变宽，沟道电阻变小， $i_{D}$ 增大； $u_{GS}$ 为负时，反型层变窄，沟道电阻变大， $i_{D}$ 增小。

N沟道耗尽型MOS管特性曲线

P沟道耗尽型MOS管特性曲线

值得提出的，对于场效应管而言，由于B极基本上与S极短路，在电路描述中一般省略B极

1.3. 场效应管主要参数

1.3.1 直流参数

开启电压 $U_{GS(th)}$ ：在 $u_{DS}$ 为一常量时，使 $i_{D}$ 大于零所需的最小电压值，是增强型MOS管的参数
夹断电压 $U_{GS(off)}$ ：与 $U_{GS(th)}$ 相似，是结形场效应管和耗尽型MOS管的参数
饱和漏极电流 $I_{DSS}$ ：对于结形场效应管，在 $u_{GS}$ =0V情况下产生预夹断的漏极电流，也就是最小电流
直流输入电阻 $R_{GS(DC)}$ ：等于栅-源电压与栅极电流之比,这个值一般很大，对应场效应管的输入电阻。

1.3.2 交流参数:

低频跨导 $g_{m}$ ：可以认为是场效应管工作在恒流区且 $u_{DS}$ 为常量时，对于输入电压和输出电流的放大倍数，单位为S（西门子），也就是电导

极间电容：因为极间电容很小在高频时应考虑极间电容，受极间电容影响，存在最高工作频率

1.3.3.极限参数

最大漏极电流 $I_{DM}$ ：管子工作的漏极电流的上限值
击穿电压 $u_{(BR)DS}$ ：管子承受的 $u_{DS }$ 的最大电压
最大耗散功率 $P_{DM}$ ：最大输出，由 $I_{DM}$ 和 $u_{(BR)DS}$ 决定

1.4. 总结：

最后总结

对与场效应管而言，一眼看过去纷繁复杂，但是通过对场效应管了解后，不难发现，与三极管不同的是：场效应管都是通过电压来控制耗尽层，进而控制电流。抓住这个点就能很好理解场效应管，而由于输入电阻极大，栅极基本上不取电流，而三极管基本基极总要索取一定的电流。所以在性能方面基本上场效应管碾压三极管。

2. 场效应管放大电路

2.1. 场效应管放大电路与三极管放大电路的对比

基本共射放大电路交流等效模型

N沟道增强型MOS管低频小信号等效模型

这里其实不难发现，三极管的基极B对应场效应管的栅极G；集电极C对应场效应管的漏极D；发射极E对应场效应管的源极S。所以就相同沟道而言与三极管相对应：共源与共射对等，共漏与共集对等，共栅于共基对等。所以在分析电路的过程中，基本可以按照三极管放大电路来进行分析。

不相同的是：对于场效应管而言由于输入电阻极大，等效可以发现，直接形成断路，将输入信号完整的接入了进来，信号电压损耗小；同时由于场效应管种类不同，对于 $u_{GS}$ 的电压要求不同

2.2. 静态分析

对于场效应管而言同样也是需要抓住Q点获取当前管子状态，对应三极管的也就是 $i_{DQ}$ 以及 $U_{DSQ}$ , $i_{DQ}$ 通过转移特性方程获得（就不同的场效应管而言转移特性方程不同）， $U_{DSQ}$ 通过KVL获得

这里主要介绍几种场效应管放大电路设计方法

2.2.1. 基本共源放大电路，

由于增强型MOS管需要偏置电压才能产生 $i_{D}$ ，需要在信号源的基本上提供一个 $u_{GS(th)}$ 才能起到放大作用

2.2.2. 自给偏压电路

其实很好理解，对于结形和耗尽型而言，特性曲线在关断电压和零电压之间，由此不需要提供偏置电压。但是对于结形比较特殊。需要负电压，静态时，栅极没有电压，这时候提供个电阻，则会 $u_{GQ}$ 为0，则有

2.2.3. 分压偏置电路

对于增强型MOS管而言这时候就不需要提供偏置电压，由 $V_{DD}$ 进行提供，为增大输入电阻 $R_{g3}$ 可以到兆欧。

2.3场效应管动态分析

2.3.1.场效应管等效模型

通过特性曲线分析不难发现

理解这个图从两方面着手，

a图的特性曲线在 $\Delta u_{GS}$ 时近似为一条直线，看成输出回路电流 $i_{D}$ 与输入回路电压 $u_{GS}$ 的比 $g_{m}$ ， $g_{m}$ 为跨导，量纲为电导；

b图因为对于在饱和区不同的 $u_{DS}$ 而言， $i_{D}$ 是会变化的，有一个 $\Delta i_{D}$ 与 $\Delta u_{DS}$ 的比值，斜率为 $r_{ds}$ .， $r_{ds}$ 越大，曲线越平。通常在几十兆欧到几百兆欧。如果外电阻较小，根据分压公式可忽略 $r_{DS}$ 上的电流，将输出回路等效为一个受控电流源

所以 $\dot{I}_{d}$ 为两个分量的和

等效图为：

2.3.2.基本共源放大电路动态分析

2.3.3.基本共漏放大电路动态分析

总结：对于静态分析而言，求直流相应，就是做等效变换将非线性进行线性化，再用电路分析kvl或者kcl确定 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 就把Q点定好了，对于不同类型的场效应管Q点不同。然后进行动态分析,求交流响应，主要是通过戴维南定理和诺顿定理来求出等效后的电压和电阻串联的形态，与三极管电路没有太大的区别

这里可对每个参数进行了解

功率MOS管主要参数-功率MOSFET每一个参数介绍-KIA MOS管http://www.kiaic.com/article/detail/1272.html

持续更新，对于基础电路计划做一个系列，主要写一些基础一点的电路和个人的分析方法，以打牢基础，如果有任何问题也欢迎交流

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