Mul基础电路及其仿真 9

第6章场效应管电路Multisim仿真分析方法：瞬态分析、传输函数分析、交流分析、直流分析6.1三种基本放大电路与双极型晶体管相对应，场效应管也有三种基本放大电路：场效应管组态对应双极型晶体管组态共源极放大电路共发射极放大电路共漏极放大电路共集电极放大电路共栅极放大电路共基极放大电路欲使FET放大电路不失真地放大信号，首先应通过设置合理的直流偏置电压，使FET处于恒流区。偏置电路结构两种常见的偏置电路形式：（a）自给偏压式图6-1自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路利用源极电阻上的压降为栅极提供偏置电压，结构简单，适用于JFET及耗尽型MOSFET。偏置电路结构（续）（b）分压式（JFET）图6-1分压式偏置电路（JFET）（c）分压式（MOSFET）图6-1分压式偏置电路（MOSFET）6.1.1电路以N沟道增强型MOSFET为例，介绍三种基本放大电路。1.共源极放大电路（a）共源电路图6-2共源极放大电路（完整电路）（b）交流通路图6-2共源极放大电路（交流通路）2.共漏极放大电路（a）共漏电路图6-3共漏极放大电路（完整电路）（b）交流通路图6-3共漏极放大电路（交流通路）3.共栅极放大电路（a）共栅电路图6-4共栅极放大电路（完整电路）（b）交流通路图6-4共栅极放大电路（交流通路）6.1.2仿真1.共4电路实例——题目与参数已知条件：电阻参数

FET参数

任务

1.共源极放大电路实例——静态值计算（1）

1.共源极放大电路实例——静态值计算（2）

1.共源极放大电路实例——动态值计算

电压放大倍数：

1.共源极放大电路实例——仿真验证仿真电路（型号：BSD215，N沟道增强型MOSFET）图6-5共源电路仿真仿真结果与理论值对比参数理论值仿真值

1.618V5−3.38=1.62V

4.125V7.48−3.38=4.10V

1.25mA1.25mA

−18.8—2.以栅-漏极短接的NMOSFET作负载的共源放大电路——电路介绍在一些应用中，可以使用栅-漏极短接的NMOSFET作为漏极负载。图6-6以栅-漏极短接的NMOSFET作负载的NMOSFET共源放大电路

作为放大信号的主要器件，工作于饱和区。

栅极与漏极短接，作为漏极有源负载使用。2.栅-漏极短接NMOSFET负载——传输特性推导分析电压传输特性：由电路直接列出：

2.栅-漏极短接NMOSFET负载——传输特性方程与增益电压传输特性方程：

增益特性电压增益与两个FET的宽长比有关，两管确定后，增益为定值。特殊情况当两个FET相同时，电压增益为−1。

2.栅-漏极短接NMOSFET负载——仿真结果（a）仿真图图6-7仿真图（b）电压传输特性图6-7电压传输特性

6.2电流源电路与双极型晶体管类似，本节介绍由MOS管构成的电流源电路。主要内容：基本MOS电流镜利用FET宽长比设定输出电流，结构简单。WilsonMOS电流镜引入电流负反馈，提高输出电阻。CascodeMOS电流镜叠置结构，进一步提升输出电阻。MOS多路比例电流镜同时为多级放大电路提供精确电流。6.2.1电路电流源电路——电路结构

1.基本MOS电流镜图6-8基本MOS电流镜

基本MOS电流镜的输出电阻2.WilsonMOS电流镜电路结构：

（a）电路图图6-9WilsonMOS电流镜（电路图）（b）改进型图6-WilsonMOS电流镜（改进型）2.WilsonMOS电流镜——输出电阻WilsonMOS电流镜的输出电阻：

3.CascodeMOS电流镜图6-10CascodeMOS电流镜CascodeMOS电流镜的输出电阻

4.MOS多路比例电流镜（1）

4.MOS多路比例电流镜（2）（a）电路1（共源放大电路）图6-11MOS多路比例电流镜应用1（电路1）（b）电路2（多路比例电流镜）图6-11MOS多路比例电流镜应用1（电路2）4.MOS多路比例电流镜（3）——NMOS与PMOS结合MOS多路比例电流镜还可以结合NMOS和PMOS两种类型的管子实现。图6-12MOS多路比例电流镜应用2电路组成说明

4.MOS多路比例电流镜（4）——相关公式

6.2.2仿真电流源电路——仿真分析图6-13DoubleCascode电流镜

6.2.2仿真——传输函数分析（a）传输函数仿真电路图6-14传输函数仿真（电路图）（b）传输函数分析结果图6-14传输函数分析结果仿真显示输出电阻为476.44187GΩ，说明该电路具有更好的恒流特性。6.3差分放大电路电流源电路在恒流偏置和有源负载等方面有着广泛的应用，特别是在差分放大电路中有独特的作用。本节通过对有源负载差分放大电路进行仿真分析，了解其电路结构以及静态和动态参数。6.3.1电路差分放大电路——有源负载差分放大电路电路由8只增强型MOS管组成：U3～U8：电流源电路U5～U7：构成基准电流电路U3、U4：作为差分电路U1、U2的有源负载U8：为U1、U2提供射极电流U1、U2：差分对管构成差分放大的核心器件。宽长比设置

6.3.1电路——有源负载差分放大电路（仿真图与波形）（a）仿真电路图6-15有源负载差分放大电路（仿真电路）（b）输出波形图6-15有源负载差分放大电路（输出波形）ChannelA（双出）——ChannelB（单出）----6.3.2仿真差分放大电路——仿真分析与问题仿真分析结论：图6-(a)所显示的电流关系符合要求两个输入端加入差模信号，可得到双出和单出信号（见图6-(b)）双出电压增益是单出的2倍该电路存在的不足：不足1差分对管的静态电流既由有源负载（U3、U4）设定，又由恒流偏置（U8）设定，两种设定严格一致很难做到。不足2单出的电压增益仅为双出的一半，若作为另一电路的输入级，会使整体电路的增益下降一半。结论：图6-15(a)所示电路是不适用的。6.3.2仿真——实用有源负载差分放大电路在电路中各管子参数不变的条件下，改接为实用有源负载差分放大电路：（a）仿真电路图6-16实用有源负载差分放大电路（仿真电路）（b）输出波形图6-16实用有源负载差分放大电路（输出波形）6.3.2仿真——实用电路特点改进后电路的特点：特点1克服了静态电流双重设定的缺点，静态工作点由单一电流源确定，一致性好。特点2采用有源负载，使该电路虽为单端输出，但具有双端输出的性能（单出电压增益与双出电压增益基本相等）。结论：图6-16(a)实用有源负载差分放大电路是适用的。可通过观察第11章中集成电路内部电路，进一步加深对这种电路形式的理解。6.4应用电路本节通过两个实例，进一步了解共源电路和差分电路的应用。6.4.1电路应用电路——共源放大电路设计题目设计要求：增益与阻抗电压放大倍数为10输入电阻为1MΩ负载电阻为10kΩFET参数（BSD215）

任务确定电源电压和各电阻值，并进行仿真验证和AC分析。6.4.1应用电路——共源放大电路设计求解（1）

3.55V

电源电压

6.4.1应用电路——共源放大电路设计求解（2）求解各电阻值：

据此确定分压电阻：

6.4.2仿真共源放大电路设计验证图6-17共源放大电路设计仿真图探针测试结果

若需严格满足设计要求，可适当调整分压电阻的值。共源电路AC分析通过AC分析得到图6-共源电路的频率特性：图6-18图6-17的AC分析AC分析（交流分析）可以直观地显示放大电路的幅频特性和相频特性，帮助确定电路的通频带范围，验证设计是否满足频率响应要求。差分振荡电路图6-19差分振荡电路仿真电路性能特点

考虑FET结电容影响

与仿真结果比较吻合。

6.5共源放大电路与共射放大电路传输特性分析本节以共源电路和共射电路为例，通过理论计算和仿真，分析两个组态放大电路的传输特性。分析电路如图所示：图说明图6-20(a)FET共源电路（无负反馈）图6-20(b)BJT共射电路（无负反馈）图6-20(c)

图6-20(d)

6.5传输特性分析——电路图（a）FET共源电路图6-20(a)FET共源电路（b）BJT共射电路图6-20(b)BJT共射电路（c）带负反馈FET共源电路图6-20(c)带负反馈FET共源电路（d）带负反馈BJT共射电路图6-20(d)带负反馈BJT共射电路FET共源电路传输特性分析（1）——理论推导

FET共源电路传输特性分析（2）——仿真结果（a）仿真图图6-21FET共源电路传输特性分析（仿真图）（b）传输特性图6-21FET共源电路传输特性分析（传输特性）FET共源电路传输特性分析（3）——大信号下非线性举例

1.2V9.6V1.3V9.1V1.4V8.4V

BJT共射电路传输特性分析（1）——理论推导

BJT共射电路传输特性分析（2）——仿真结果（a）仿真图图6-22BJT共射电路传输特性分析（仿真图）（b）传输特性图6-22BJT共射电路传输特性分析（传输特性）带负反馈的FET共源电路传输特性分析（1）——理论推导

带负反馈的FET共源电路传输特性分析（2）——深度负反馈条件

图6-23带负反馈的FET共源电路传输特性分析（仿真图）图6-23带负反馈的FET共源电路传输特性分析（传输特性）与图6-22(b)相比，饱和状态时的非线性程度有明显改善带负反馈的BJT共射电路传输特性分析（1）——理论推导

带负反馈的BJT共射电路传输特性分析（2）——深度负反馈条件

图6-带负反馈的BJT共射电路传输特性分析（仿真图）图6-24带负反馈的BJT共射电路传输特性分析（传输特性）与图6-23(b)相比，放大状态时的非线性程度也有明显改善。

6.5综合结论综合比较FET与BJT放大电路的传输特性：条件FET共源电路BJT共射电路小信号（线性近似）

大信号平方律非线性指数律非线性引入负反馈后

结论：大信号非线性由于FET为平方律器件，BJT为指数律器件，在大信号条件下，"放大"状态的传输特性表现出明显的非线性，导致输出信号失真。负反馈改善线性度通过采用负反馈技术，可以使"放大"状态的传输特性趋