模拟电路基础 1027第十五次课

1、chap4 mosfet及其放大电路及其放大电路（8学时，第十五次课学时，第十五次课）fet放大电路分析放大电路分析 一般步骤一般步骤画直流通路，分析直流电压和电流，求画直流通路，分析直流电压和电流，求idq求交流参数求交流参数gm和和rds画交流小信号等效电路，分析交流电压和电流画交流小信号等效电路，分析交流电压和电流根据定义求根据定义求av/ avs、ri、ro三基本组态三基本组态共源极共源极/共漏极共漏极/共栅极放大电路共栅极放大电路4.4 mosfet放大电路的三种基本组态放大电路的三种基本组态4.4.1 共源极放大器共源极放大器共源极电路的基本结构共源极电路的基本结构一一. 基本电路

2、结构与交流分析基本电路结构与交流分析 元器件作用：元器件作用：偏置电阻偏置电阻r1和和r2组成分压式栅极组成分压式栅极偏置电路；偏置电路；漏极电阻漏极电阻rd 将漏极电流的交流分将漏极电流的交流分量转变成交流电压输出；量转变成交流电压输出；电容电容 c1为耦合电容；为耦合电容；漏极电源漏极电源vdd使漏源电压大于预使漏源电压大于预夹断电压；作为电路的能源。夹断电压；作为电路的能源。输出电压：输出电压：)/(ddsgsmorrvgvsgiigsvrrrv又又，giiddsmsovs)/(rrrrrgvva输入电阻输入电阻ri=r1/r2；小信号源电压增益：小信号源电压增益：交交 流流 分分 析析

3、小信号等效电路小信号等效电路输出电阻输出电阻ro=rd/rds共源极放大器的特点：输出电压与输入电压反相共源极放大器的特点：输出电压与输入电压反相反相放大器反相放大器共源放大器的大信号动态范围分析共源放大器的大信号动态范围分析当输入信号振幅不断增大时，当输入信号振幅不断增大时，放大器输出电压放大器输出电压的波的波形产生严重的失真。形产生严重的失真。fet会进入截止区或电阻区。会进入截止区或电阻区。输入输出电输入输出电压信号波形压信号波形ddsdddrvvids(sat)tngsds2ds(sat)n2tngsnd)(vvvvvkvvki临界饱和线临界饱和线直流负载线直流负载线note: 工作点

4、位于工作点位于放大区的中心放大区的中心，电路可获得最大不失真电压。电路可获得最大不失真电压。即即vds=vds(sat)+(vdd-vds(sat)/2时，时，直流负载线、临界直流负载线、临界点和静态工作点点和静态工作点估算估算fet基本共源放大电路动态范围的一般步骤基本共源放大电路动态范围的一般步骤 由直流通路估算静态工作点由直流通路估算静态工作点(idq vdsq)； 由交流通路由交流通路写出交流负载线方程；写出交流负载线方程； 计算最大不截止失真幅度计算最大不截止失真幅度vds(cut)和最大不饱幅度和最大不饱幅度vds(sat) 最大不失真输出电压幅度为：最大不失真输出电压幅度为：vo

5、m=minvds(cut), vds(sat) . .并在输出特性曲线平面上画出交流负载线并在输出特性曲线平面上画出交流负载线；即即fet基本共源放大电路的动态范围为：基本共源放大电路的动态范围为：，2dsndvki )(),min(sdtsdqsdqddomvvvvv 联立交流负载线方程和预夹断方程联立交流负载线方程和预夹断方程求预夹断电压求预夹断电压vdst；dstdsqds(cut)dsqddds(sat)vvvvvv，例例4.10 电路如图电路如图4.22所示。已知所示。已知vdd=10v，r1=70.9k， r2=29.1k ，rd=5k 。场效应管参数。场效应管参数vtn=1.5v

6、， kn=0.5ma/v，=0.01v-1。设。设rg=4k 。 求求 av、ri和和ro题型：题型：计算计算共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻ma1)(2tngsqndqvvkiv1 .29dd212gsqvrrrvv5ddqdddsqrivvv41. 1tngsqds(sat)dsqvvvv 场效应管工作在放大区。场效应管工作在放大区。分析分析静态分析静态分析交流性能指标的计算交流性能指标的计算题型：题型：计算计算共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻共源极放大器的小信号电压增益、输入和输出电阻v/ma41. 1)(2tngsqn

7、mvvkgk1001dqdsirk6 .20/21irrrv62. 5/)/()/(ssg2121ddsmsddsgsmsovsvvrrrrrrrgvrrvgvvak76. 4/dsdorrr讨论讨论iiisiigs837. 046 .206 .20vvvrrrv2. 负载效应负载效应由于由于rg不为零，所以放大器输入信号不为零，所以放大器输入信号vgs只占信号只占信号源电压的一部分。这种由于负载的变化而引起电源输出稳定量源电压的一部分。这种由于负载的变化而引起电源输出稳定量的变化的效应称为的变化的效应称为负载效应负载效应。尽管从栅极看入的场效应管输入电阻几乎为无穷大，但偏置电尽管从栅极看入的

8、场效应管输入电阻几乎为无穷大，但偏置电阻仍极大地影响了放大器的输入电阻和负载效应。阻仍极大地影响了放大器的输入电阻和负载效应。1. 工作点位于工作点位于直流负载线的直流负载线的中心中心(vdsq=vdd/2=5v)，但不，但不是是放大区的中心放大区的中心 (vds=(vds(sat) +(vdd-vds(sat)/2=6.61v)，所，所以该电路在此情况下不能获以该电路在此情况下不能获得最大不失真电压。得最大不失真电压。例例4.11 电路如图所示。场效应管的参数为电路如图所示。场效应管的参数为vtn=1v， kn=1ma/v，=0.015v-1。设。设ri=r1/r2=100k， 设计电路参数

9、使设计电路参数使idq=2ma，且工作点位于放大区的中心。，且工作点位于放大区的中心。 题型：题型：设计设计mosfetmosfet放大电路的偏置电阻，使工作点位于放大区的中心。放大电路的偏置电阻，使工作点位于放大区的中心。分析分析首先首先在输出特性平面上画出直流负载线。在输出特性平面上画出直流负载线。2gst2tngstndt) 1()(vvvki4) 1(2gst vddsdddrvvi要求工作点位于放大区的中心，则临界点处漏极电流：要求工作点位于放大区的中心，则临界点处漏极电流：idt=2idq=4ma,根据设计要求，将工作点根据设计要求，将工作点设置在放大区的中心，则设置在放大区的中心

10、，则: v72dstdddstdsqvvvv下面求下面求rd、r1和和r2的值的值k5 . 22712dqdsqdddivvr2gsq2tngsqndq) 1()(2vvvki由由可得可得vgsq=2.41v 或或vgsq=-0.41v（舍去）（舍去）1dd1idd212gsq12100rvrrvrrrv又又则则r1=498k，r2=125k。v2tngstdstvvv由此可得由此可得vgst=3v 或或vgst=-1v（舍去）（舍去）2. 也可计算放大器的交流小信号基本参数及源电压增益：也可计算放大器的交流小信号基本参数及源电压增益：，ma/v82. 2)(2tngsqnmvvkgk3 .3

11、31dqdsir56. 6)5 . 2/3 .33(82. 2)/(ddsmsovsrrgvva3. 本例中没有考虑负载效应。如果考虑负载效应，则本例中没有考虑负载效应。如果考虑负载效应，则工作点应为交流负载线在放大区的中心，才能获得对工作点应为交流负载线在放大区的中心，才能获得对称的最大不失真电压。称的最大不失真电压。1. 根据上述分析，可求出最大输出电压的峰根据上述分析，可求出最大输出电压的峰-峰值为：峰值为：v10212dstddp)o(pvvv讨论讨论4. 静态工作点不稳定；解决办法静态工作点不稳定；解决办法串入源极电阻串入源极电阻rs二二. 含源极电阻的共源极放大器含源极电阻的共源极

12、放大器例例4.12 电路如图所示。场效应管的参数为电路如图所示。场效应管的参数为vtn=0.8v， kn=1ma/v，=0。求电压增益。求电压增益av。题型：题型：计算含源极电阻的计算含源极电阻的共源极放大器的小信号电压增益共源极放大器的小信号电压增益 、 输输入和输出电阻入和输出电阻sdq212gsq)5(5rirrrv2tngsqndq)(vvkiv25. 6)()5(5sddqdsqrriv分析分析静态分析静态分析v5 . 1ma5 . 0gsqdqvi，ma/v4 . 1)(2tngsqnmvvkgdqds1ir小信号跨导为：小信号跨导为： 小信号输出电阻为：小信号输出电阻为：计算小信

13、号源电压增益计算小信号源电压增益dgsmorvgv栅源输入回路的栅源输入回路的kvl方程：方程：sgsmgss)(rvgvvsmsgs1rgvv小信号源电压增益：小信号源电压增益：76. 51smdmsovsrgrgvva题型：题型：计算含源极电阻的计算含源极电阻的共源极放大器的小信号电压增益共源极放大器的小信号电压增益 、 输输入和输出电阻入和输出电阻讨论讨论源极电阻源极电阻对电路对电路的影响：的影响： 源极电阻减小了小信号源电压增益（绝对值）源极电阻减小了小信号源电压增益（绝对值） 源极电阻：稳定工作点源极电阻：稳定工作点无源极电阻时，通过相应计算无源极电阻时，通过相应计算有源极电阻时，有

14、源极电阻时，无源极电阻：通过计算可得无源极电阻：通过计算可得vgsq=1.75v，gm=1.9ma/v，avs=-gmrd=-13.3。若若kn=0.8ma/v，则，则gm=1.17ma/v，av=-5.17；若若kn=1.2ma/v，则，则gm=1.62ma/v，av=-6.27。有源极电阻时，有源极电阻时，kn20时，时， av9.5kn20时，时，av20smdmsovs1rgrgvva三三. 含源极旁路电容的共源极电路含源极旁路电容的共源极电路源极电阻或恒流源上并联一个旁路电容源极电阻或恒流源上并联一个旁路电容减小源极电阻降低小信号增益的程度。减小源极电阻降低小信号增益的程度。题型：题

15、型：计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的共源极放大器共源极放大器的小信号电压增益的小信号电压增益 、输入和输出电阻、输入和输出电阻例例4.13 电路如图所示。电路如图所示。 场效应场效应管参数为：管参数为：=0，vtn=0.8v，kn=1ma/v，求，求avs=vo/vs。2tngsqnqdq)(vvkii分析分析静态分析静态分析假设假设fet处于放大状态，处于放大状态，vgsq=1.51v或或vgsq=0.09v（舍去）（舍去）vsq=-vgsq=-1.51vv01. 3sqddqdddsqvrivvvdsqvds(sat)=vgsq-vtn=0.

16、71v，题型：题型：计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的计算含源极旁路电容的、由恒流源提供偏置的共源极放大器共源极放大器的小信号电压增益的小信号电压增益 、输入和输出电阻、输入和输出电阻ma/v4 . 1)(2tngsqnmvvkg 假设成立，上述计算有效。假设成立，上述计算有效。动态分析动态分析dsmdgsmo)()(rvgrvgv -9.8dmsovsrgvva4.4.2 源极跟随器源极跟随器交交流流小小信信号号等等效效电电路路21i/ rrr 1. 输入电阻输入电阻电路结构电路结构2. 输出电阻输出电阻ls0 xxorvivrdsxsxgsmxrvrvvgi在源端用在源端用kcl定理

17、：定理：)11(dssmxxrrgvi由于输入回路中无电流，由于输入回路中无电流，ls0 xxorvivr求共漏求共漏极电路极电路交流输交流输出电阻出电阻的等效的等效电路电路vgs=-vx附注附注：从源端看从源端看mosfet，其等效电阻为，其等效电阻为1/gm/rds。dssm/1rrg21isgii1g/ rrrvrrrv，又又)/()(dssgsmorrvgv)/(dssgsmgsogss1gsg1rrvgvvvvvvg1dssmmdssmg1gs)/(11)/(1vrrggrrgvv3. 源电压增益源电压增益输出电压：输出电压：由输入回路由输入回路kvl，有：，有：sgiidssmds

18、sg1dssmdsso)/(1/)/(1/vrrrrrgrrvrrgrrvsovsvva 共漏极电路小信号源电压增益为：共漏极电路小信号源电压增益为：共漏极放大器共漏极放大器源极跟随器源极跟随器的特点：的特点：giidssmdss)/(1)/(sovsrrrrrgrrvva电压增益电压增益av小于小于1但接近于但接近于1；输出电压与输入电压同相输出电压与输入电压同相同相放大器同相放大器；源极跟随器源极跟随器av1，输出信号基本上与输入信号相等，输出信号基本上与输入信号相等;类类bjt射极跟随器，而且两者射极跟随器，而且两者av类似。类似。例例4.14 电路如图所示。已知电路如图所示。已知vdd

19、=12v，r1=162k，例例4.16 r2=463k，rs=0.75k。场效应管参数。场效应管参数vtn=1.5v， kn=4ma/v，=0.01v-1。设。设rg=4k。 求求avs=vo/vs、ri、ro。分析分析静态分析静态分析题型：题型：计算源极跟随器的交流性能指标计算源极跟随器的交流性能指标sdqdd212gsqrivrrrv2tngsqndq)(vvkiv91. 2ma97. 7gsqdqvi，小信号跨导为：小信号跨导为：v/ma3 .11)(2tngsqnmvvkg交流输出电阻为：交流输出电阻为：k5 .121dqdsir输入电阻为：输入电阻为：k120/21irrr小信号源电

20、压增益为：小信号源电压增益为：860. 0)/(1)/(giidssmdsssovsrrrrrgrrvva讨论：讨论：在源极跟随器输出电阻中，跨导占主要地在源极跟随器输出电阻中，跨导占主要地位，故输出电阻很小位，故输出电阻很小源极跟随器近似为一个理想源极跟随器近似为一个理想的电压源，即它的带负载的能力较强。的电压源，即它的带负载的能力较强。题型：题型：计算源极跟随器的交流性能指标计算源极跟随器的交流性能指标7 .785 .12/75. 0/3 .111/1dssmorrgr输出电阻为：输出电阻为： bjt跨导比跨导比mosfet跨导大得多跨导大得多bjt射极跟随器射极跟随器的的av比比mosf

21、et源极跟随器的源极跟随器的av更趋近于更趋近于1。例例4.15 电路如图所示。场效应管参数为电路如图所示。场效应管参数为vtn=1v ，=0 ， kn=1ma/v。电路参数为。电路参数为vdd=5v，ri=300k。 （1）设计电路参数，使）设计电路参数，使idq=1.7ma，vdsq=3v；（2）求小信号电压增益）求小信号电压增益avs=vo/vs。分析分析(1)(1)题型：题型：按要求设计一个特定源极跟随器；计算交流性能指标按要求设计一个特定源极跟随器；计算交流性能指标k18. 1dqdsqddsivvr2tngsqndq)(vvkivgsq=2.30v 或或vgsq=-0.3v（舍去）

22、（舍去）sdqdd212sggsqrivrrrvvv又又 r1=348.8k ，r2=2144k 小信号跨导：小信号跨导：v/ma6 . 2)(2tngsqnmvvkg交流输出电阻：交流输出电阻：dqds1ir（2）sgsmo)(rvgv sgsmgsogss1gsg1rvgvvvvvv07. 31smsmsgsmgssgsmsovsrgrgrvgvrvgvva题型：题型：按要求设计一个特定源极跟随器按要求设计一个特定源极跟随器sg1vv4.4.3 共栅极放大器共栅极放大器小小信信号号等等效效电电路路电电路路结结构构1. 输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻mgsmgsigsi1gvgvivr将电

23、压源置零，将电压源置零，gmvgs0则有则有vgs= -gmvgsrgvgs0 ro=rd设场效应管小信号输出电阻设场效应管小信号输出电阻rds为无穷大。为无穷大。gmsgs1rgvv)/(ldgsmorrvgvgsggsmgsgis)(vrvgvrivgmldmsovs1)/(rgrrgvva2. 源电压增益源电压增益输出电压为输出电压为由输入回路的由输入回路的kvl方程得方程得讨论：讨论：共栅极电路输入电阻很低。共栅极电路输入电阻很低。当输入信号是电流，输入电阻低就成为其优点。当输入信号是电流，输入电阻低就成为其优点。输出电压与输入输出电压与输入电压相位相同电压相位相同同相放大器同相放大器

24、mi1gr 通常，通常，共栅极电路的输入信号是电流共栅极电路的输入信号是电流3. 源电流增益源电流增益电流信号源的共栅极电路的小信号等效电路电流信号源的共栅极电路的小信号等效电路在输入端由在输入端由kcl)(gsmlddovgrrri0ggsgsmsrvvgisgmggs1irgrvsoisiia 输出电流：输出电流：gmgmldd1rgrgrrr例例4.17 如图所以电路中，如图所以电路中，iq=1ma，v+=5v，v- = -5v， rg=100k，rd=4k，rl=10k。场效应管参数。场效应管参数 vtn=1v，kn=1ma/v，=0。 输入电流输入电流is=100sin( t) a，rg=50k。求。求vo。题型：在给