MOSFET放大器的概念、工作過(guò)程及類型

放大器是一種電子設(shè)備，用于增強(qiáng)輸入信號(hào)的幅度，它是唱片播放器或CD播放器等音頻源以及均衡器、前置放大器和揚(yáng)聲器等其他設(shè)備的重要組成部分。放大器的子類別是MOSFET放大器，它使用MOSFET技術(shù)以更少的功率處理數(shù)字信號(hào)。目前，MOSFET放大器是全球99%的微芯片的設(shè)計(jì)選擇。

MOSFET放大器由Dawon Kahng和Mohamed Atalla于1959 年發(fā)明和制造，并于1960年初在賓夕法尼亞州匹茲堡的“卡內(nèi)基梅隆大學(xué)”舉行的固態(tài)器件會(huì)議上將其作為“硅-二氧化硅場(chǎng)感應(yīng)表面器件”推出。

MOSFET放大器概念

使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 技術(shù)的放大器稱為MOSFET放大器。MOSFET也稱為MOS(金屬氧化物硅)晶體管，是一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以這個(gè)晶體管是通過(guò)硅材料制造的。

MOSFET放大器是最常用的FET放大器，用于放大目的的場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要優(yōu)點(diǎn)是具有較小的o/p阻抗和最大的i/p阻抗。

MOSFET放大器電路及工作原理

MOSFET放大器簡(jiǎn)單電路圖如下圖所示，在該電路中，漏極電壓 (VD)、漏極電流 (ID)、柵源電壓 (VGS) 以及柵極、源極和漏極的位置通過(guò)字母“G”、“S”和“ D”。

通常情況下，MOSFET在線性/歐姆、截止以及飽和三個(gè)區(qū)域工作。在這三個(gè)區(qū)域中，當(dāng)MOSFET用作放大器時(shí)，它們應(yīng)該工作在歐姆區(qū)域，當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，流經(jīng)器件的電流會(huì)增加。

MOSFET可在許多應(yīng)用中用作小信號(hào)線性放大器。通常，在放大器電路中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作在飽和區(qū)。因此，在該區(qū)域中，電流的流動(dòng)不取決于漏極電壓 (VD)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電流是柵極電壓 (VG) 的主要函數(shù)。在這些放大器中，通常工作點(diǎn)在飽和區(qū)域內(nèi)。

在MOSFET放大器中，柵極電壓的微小變化將在漏極電流中產(chǎn)生很大的變化，就像在JFET中一樣。因此，MOSFET會(huì)增加微弱信號(hào)的強(qiáng)度，所以它可以充當(dāng)放大器。

MOSFET放大器工作過(guò)程

通過(guò)將源極、漏極、負(fù)載電阻和耦合電容連接到上述電路，可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的MOSFET放大器電路，MOSFET放大器的偏置電路如下所示：

上述偏置電路包括分壓器，其主要作用是對(duì)晶體管進(jìn)行單向偏置。因此，這是晶體管中最常用的偏置方法。它使用兩個(gè)電阻器來(lái)確認(rèn)電壓是否分離并以正確的電平分配到MOSFET中。它是通過(guò)兩個(gè)R1和R2并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)的。電路中的C1和C2耦合電容器保護(hù)偏置直流電壓免受要放大的交流信號(hào)的影響。最后，將輸出提供給由RL電阻形成的負(fù)載。偏置或柵極電壓可以由下式給出：

VG = Vsupply x (R2/R1+R2)

其中，R1和R2的值通常會(huì)很大，以增強(qiáng)放大器的輸入阻抗并降低歐姆功率損耗。

輸入和輸出電壓(Vin和Vout)

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，需要考慮沒(méi)有負(fù)載與漏極分支并聯(lián)。輸入電壓 (Vin) 可以通過(guò)柵極 (G) 提供給源 (S) 電壓，即VGS。RS電阻上的電壓降可由RS×ID給出。

根據(jù)跨導(dǎo) (gm) 定義，當(dāng)施加恒定的漏源電壓時(shí)，ID(漏極電流)與 VGS(柵源電壓)的比值，即：

(gm) = ID/VGS

因此，ID = gm×VGS，并且輸入電壓 (Vin) 可以由 VGS 分解，如下所示：

Vin = V GS x (1+gmRs)

o/p電壓 (Vout) 簡(jiǎn)單地通過(guò)漏極電阻 (RD) 上的電壓降給出：

Vout = – RD x ID = -gmVGS RD

此外，電壓增益 (AV) 是輸入電壓與輸出電壓的比值。簡(jiǎn)化后，方程將變?yōu)椋?/p>

Av = – RD/Rs=1/gm

在上述等式中，符號(hào)“-”來(lái)自MOSFET放大器與BJT CE放大器等效地反轉(zhuǎn)o/p信號(hào)這一原理。因此，相移為180°或π rad。

MOSFET放大器的類型

MOSFET放大器有共源極 (CS)、共柵極 (CG) 和共漏極 (CD) 三種類型，下面分別討論每種類型及其配置。

1、共源MOSFET放大器

共源放大器可以定義為當(dāng) i/p信號(hào)在柵極 (G) 和源 (S) 的兩端給出時(shí)，o/p電壓可以通過(guò)漏極內(nèi)負(fù)載處的電阻器放大和獲得。在此配置中，源端子充當(dāng)i/p和o/p之間的公共端子。

共源MOSFET放大器與BJT的CE(common-emitter)放大器有關(guān)。由于高增益和可以實(shí)現(xiàn)更大的信號(hào)放大，這非常受歡迎。

在以下小信號(hào)共源MOSFET放大器中，“RD”電阻測(cè)量漏極 (D) 和接地 (G) 之間的電阻。這個(gè)小信號(hào)電路可以用下圖所示的混合π模型代替。因此，在o/p端口內(nèi)感應(yīng)的電流為i = -g m v gs，也就是通過(guò)電流源指定的那樣。

所以，vo = -g m v gs R D，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)：

Rin = ∞, vi = v sig , v gs = v i，所以開(kāi)路電壓增益為：

A vo = vo/vi = -g m R D

在小信號(hào)電路中，可以通過(guò)諾頓或戴維南等價(jià)來(lái)改變電路中的輸出分?jǐn)?shù)。在這種情況下，使用諾頓等式更方便。為了驗(yàn)證諾頓等效電阻，設(shè)置 vi = 0，這樣電路將是開(kāi)路，因此沒(méi)有電流流動(dòng)。通過(guò)測(cè)試電流技術(shù)，得知o/p電阻為：

R 0 = R D

負(fù)載電阻(RL)通過(guò)RD連接到o/p，則通過(guò)分壓器公式的端電壓增益可以表示為;

Av = Avo (R L /R L + Ro) = -gm (R D R L /R L + R D ) = -gm(R D ||RL)

根據(jù) Rin =∞的信息，之后 vi = vsig。因此，電壓增益 (Gv) 與電壓增益準(zhǔn)確度 (Av) 相似，即：Gv = v o /v sig = -gm(R D || R L )

因此，共源MOSFET放大器具有無(wú)限 i/p阻抗、高o/p電阻和高電壓增益。輸出電阻可以通過(guò)降低RD來(lái)降低，而電壓增益也可以降低。與大多數(shù)晶體管放大器一樣，共源MOSFET放大器的高頻性能較差。

2、共柵極 (CG) 放大器

共柵 (CG) 放大器通常用作電壓放大器或電流緩沖器。在CG配置中，晶體管的源極端子 (S) 像輸入一樣工作，而漏極端子像輸出一樣工作，柵極端子連接到地 (G)。共柵極放大器配置主要用于在i/p和o/p之間提供高度隔離，以防止振蕩或減小輸入阻抗。

共柵放大器等效電路的小信號(hào)模型和T模型如下所示。在“T”模型中，柵極電流始終為零。

如果施加的電壓為“Vgs”且源電流為“Vgs*gm”，則有：

R=V/I=>R=Vgs/Vgsgm=1/gm

由于共柵放大器的輸入電阻較小，可以表示為Rin = 1/gm。輸入電阻通常為幾百歐姆，所以o/p電壓可以表示為：

vo = -iR D

其中：i = -vi/1/gm = -gmvi，因此，開(kāi)路電壓可以表示為：

Avo = vo/vi = g m R D

電路的輸出電阻為 Ro = RD，因?yàn)樾〉?i/p阻抗對(duì)放大器增益有害。所以通過(guò)分壓器的公式，可以得到：

Vi/vsig = Rin/ Rin + Rsig = 1/gm/1/gm + Rsig

與vsig 相比，'vi' 被衰減，因?yàn)?'Rsig' 通常優(yōu)于1/gm。一旦負(fù)載電阻“RL”連接到o/p，那么正確的電壓增益就是：Av = gmR D ||，因此電壓增益表示為：

Gv = (1/gm/Rsig + 1/gm) gm(RD||RL) = RD||RL/Rsig + 1/gm

當(dāng)i/p阻抗較小時(shí)，由最大功率定理可知，共柵 (CG) 放大器非常適合通過(guò)較小i/p阻抗匹配源，但它會(huì)消耗額外的電流，涉及信號(hào)源的高功率利用率。

因此，共柵極MOSFET放大器具有較小的i/p電阻“1/gm”。所以，這是不可取的，因?yàn)橐坏┩ㄟ^(guò)輸入電壓驅(qū)動(dòng)它就會(huì)消耗巨大的電流。當(dāng)RD||RL比Rsig + 1/gm大，共柵極MOSFET放大器的電壓增益就可以在幅度上與共源放大器的電壓增益相關(guān)。當(dāng)RO = RD 時(shí)，o/p電阻可以很高，這樣可以看出該放大器的頻率性能很高。

3、公共漏極放大器或源極MOSFET跟隨器

共漏極 (CD) 放大器是將輸入信號(hào)提供給柵極端子并從源極端子獲得輸出，從而使漏極 (D) 端子為兩者共用。CD放大器經(jīng)常用作電壓緩沖器來(lái)驅(qū)動(dòng)小型o/p負(fù)載。這種配置提供了極高的i/p阻抗和低的o/p阻抗。

共漏極放大器電路類似于BJT的射極跟隨器電路。因此，它被用作電壓緩沖器。該放大器是一個(gè)單位增益放大器，包括非常大的輸入阻抗，盡管它的o/p阻抗較小。因此，它非常適合與低阻抗電路匹配的高阻抗電路，否則適用于以較大電源電流工作的電路。

共漏極放大器的小信號(hào)和T型等效電路如下圖所示。在該電路中，i/p輸入源可以通過(guò)戴維寧 (vsig) 和電阻器 (Rsig) 的等效電壓來(lái)表示。負(fù)載電阻器 (RL) 可以連接到源 (S) 和地 (G) 之間的o/p。

由于上述電路的柵極電流 (IG) 為零，所以：

Rin = ∞

通過(guò)使用分壓器的公式，注意到電壓增益正確或端電壓增益為：Av = vo/vi = RL/RL + 1/gm

開(kāi)路電壓增益：(RL = ∞) & Avo = 1

o/p電阻可以通過(guò)戴維南等價(jià)改用合適的MOSFET放大器元件來(lái)獲得。通過(guò)在此端使用測(cè)試電流技術(shù)，將Vi值設(shè)置為 0，因此：Ro = 1/gm

由于無(wú)限輸入阻抗 (Rin)，vi = vsig 和總電壓增益，當(dāng)電壓增益適當(dāng)Av時(shí)，Gv相似，即有：

Gv = Av = RL/RL + 1/gm

由于Ro = 1/gm通常通過(guò)大負(fù)載電阻“RL”很小，因此增益低于單位增益，但接近單位增益。因此，它也是一個(gè)源極跟隨器，因?yàn)樵礃O電壓隨器i/p電壓，但是，它可以向o/p提供比i/p電流更大的電流。

BJT和MOSFET放大器的區(qū)別

下面列出了Mosfet放大器與晶體管放大器之間的區(qū)別：

MOSFET放大器與普通放大器的區(qū)別

MOSFET放大器與普通放大器的區(qū)別在于，放大器是一種電子電路，用于放大提供給其i/p端子的信號(hào)幅度并產(chǎn)生高幅度信號(hào)作為輸出。而MOSFET放大器是放大器中的一個(gè)子類別，它使用MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)以相當(dāng)?shù)偷墓奶幚頂?shù)字信號(hào)。

MOSFET放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

MOSFET放大器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

Mosfet放大器具有低損耗。

通信速度很高。

與晶閘管，IGBT等其他器件相比，它更好。

Mosfet放大器占用空間小，速度快。

與BJT相比，功耗更低。

FET放大器具有非常高的i/p阻抗和低的o/p阻抗。

MOSFET放大器的缺點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

設(shè)計(jì)比較昂貴

增益很小

MOSFET放大器的主要應(yīng)用

MOSFET放大器的應(yīng)用 包括以下內(nèi)容：

用于信號(hào)放大。

用于小信號(hào)線性放大器，因?yàn)樗鼈兊母咻斎胱杩故沟眠@些放大器的偏置很容易。

廣泛用于射頻應(yīng)用。

是最常用的FET放大器。

總結(jié)

以上就是關(guān)于MOSFET放大器原理、種類及其應(yīng)用特點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容，可以看出，在這個(gè)放大器中，命令信號(hào)是一個(gè)柵極信號(hào)，用于控制源極 (S) 和漏極 (D) 之間的電流流動(dòng)。

當(dāng)然，與JFET一樣，柵極電壓的微小變化會(huì)在漏極電流中產(chǎn)生巨大的變化，所以這個(gè)理論事實(shí)會(huì)使MOSFET放大一個(gè)微弱的信號(hào)，因此它起到了放大器的作用。