华中科技大学《模拟电子技术基础》——CH04-2讲解

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1、华中科技大学 张林 1刘勃 4.2 MOSFET基本共源极放大电路 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法 2 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (1)如何建立沟道？ 提供栅源电压使 vGS VTN 3 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (2)如何产生id电流 ？ 提供合适的漏源电压，使 vDS vGS - VTN 加入R调节id电流 4 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放

2、大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (3)如何加载输入？ 在G极或S极加入输入 都可以改变VGS电压， 都可以是输入端 5 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (4)如何获取输出？ 在D极或S极都可以获 得输出，都可以是输 出端 6 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (5)如何构成放大组态？ A。当G极作为输入端 ，D极作为输出端 特点：以S极作为公共 端，称为共源极放大 组态。 。 共源极放大电路 7 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电

3、路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (5)如何构成放大组态？ B。当G极作为输入端 ，S极作为输出端 特点：以D极作为公共 端，称为共漏极放大 组态。 共漏极放大电路 8 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ (5)如何构成放大组态？ C。当S极作为输入端 ，D极作为输出端 特点：以G极作为公共 端，称为共栅极放大 组态。 共栅极放大电路 9 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让MOS管工作在饱和区？ 8 10 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 1. 如何让M

4、OS管工作在饱和区？ 元件作用 VGG： 提供栅源电压使 vGS VTN VDD和Rd ： 提供合适的漏源电压，使 vDS vGS - VTN Rd 还兼有将电流转换成电压的作用 （VGG vi ） 通常称VGG和VDD为三极管的工作电源，vi为信号。 11 华中科技大学 张林刘勃 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 2. 信号如何通过MOS管传递？ vi 信号由栅源回路输入、漏 源回路输出，即源极是公共端 ，所以称此电路为共源电路。 也可看作信号由栅极输入 、漏极输出。 vGSiDvDS (= vo) 饱和区 由MOS管的控 制关系决定 由 可获得信号电压增益 （VGG vi ） 12 华

5、中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 1. 放大电路的静态和动态 静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的 工作状态，也称直流工作状态。 动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也 称交流工作状态。 此时，FET的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线 上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点Q。 常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和VDSQ。 13 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 2. 放大电路的直流通路和交流通路 仅有直流电流流经的通路为直流通路 14 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源

6、放大电路的工作原理 2. 放大电路的直流通路和交流通路 直流电压源内阻为零，交 流电流流经直流电压源时 不产生任何交流压降， 故 直流电压源对交流相当于短路 仅有直流电流流经的通路为直流通路 15 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 2. 放大电路的直流通路和交流通路 仅有交流电流流经的通路为交流通路 直流电压源对交流相当于短路 16 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 3. 放大电路的静态工作点估算 直流通路 假设NMOS管工作于饱和区，则 VGSQ = VGG VDSQ = VDD - IDQ Rd 当已知VGG、VDD、VTN、Kn

7、、和Rd 时，便可求得Q点（VGSQ、IDQ 、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ - VTN 0 。 若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为 注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别 17 华中科技大学 张林刘勃 例4.2.1 假设NMOS管工作于饱和区，根据 VGSQ = VGG VDSQ = VDD - IDQ Rd 已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2， Rd =12k，求Q点。 求得： VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V 满足饱和区工作条件： VDSQ VGSQ - VTN

8、0 ，结果即为所求。 解： 18 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 3. 放大电路的静态工作点估算 饱和区的条件：VGSQ VTN , IDQ 0 ， VDSQ VGSQ - VTN 增强型NMOS管 假设NMOS管工作于饱和区，利用 计算Q点。 若：VGSQ VTN , NMOS管截止。 若： VDSQ VGSQ - VTN ，NMOS管可能工作在可变电阻区。 如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。 # 请归纳其它管型静态工作点的计算方法 19 华中科技大学 张林刘勃 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 4. 放大电路的动态工作情况 在

9、静态基础上加入小信号vi 此时电路中的总电压和电流为 vGS = VGSQ + vi iD = IDQ + id vDS = vDSQ + vds 其中 id和vds为 交流量 vDS = VDD - iDRd 20 华中科技大学 张林刘勃 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法 省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“ 地”端子，并标注电压源名称。 习惯画法 1. 习惯画法 21 华中科技大学 张林刘勃 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法 1. 习惯画法 22 华中科技大学 张林刘勃 耦合电容的作用 电容后的波形应该 是什么样的？ Q 等效电路： 注意：红框里的电路是等效的

10、，但右边电路省去一个电源，用电阻 分压和电容隔直达到左边电路的效果。 24 华中科技大学 张林刘勃 耦合电容的作用 电容后的波形应该 是什么样的？ 输入输出波形要一致 25 华中科技大学 张林刘勃 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法 2. 主要分析法 图解法 小信号模型分析法 华中科技大学 张林 26刘勃 4.3 图解分析法 4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q 4.3.2 动态工作情况的图解分析 4.3.3 图解分析法的适用范围 27 华中科技大学 张林刘勃 4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q 采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性 曲线。 静态：vi = 0 输入

11、回路 vGS = VGG = VGSQ 输出回路 vDS = VDDiDRd （直流负载线） 输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述 共源放大电路 28 华中科技大学 张林刘勃 4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q 得到静态工作点：VGSQ、 IDQ、 VDSQ vGS = VGG = VGSQ 直流负载线： vDS = VDDiDRd 共源放大电路 29 华中科技大学 张林刘勃 4.3.2 动态工作情况的图解分析 共源放大电路 vGS = VGSQ + vi 工作点沿负载线移动 1. 正常工作情况 30 华中科技大学 张林刘勃 4.3.2 动态工作情况的图解分析 图解分析可得如下结论

12、： 1. vi vGS iD vDS |vds (vo)| (vi正半周时) 2. vds与vi相位相反； 3. 可以测量出放大电路的 电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输 出幅度。 # # 动态工作时，动态工作时， i i D D 的的 实际电流方向是否改变，实际电流方向是否改变， v v GSGS、 、 v vDS DS的实际电压极性 的实际电压极性 是否改变？是否改变？ 1. 正常工作情况 31 华中科技大学 张林刘勃 4.3.2 动态工作情况的图解分析 2. 静态工作点对波形失真的影响 截止失真 （NMOS） 输入回路设定的 工作点太低所致 。 32 华中科技大学 张林刘勃 4.

13、3.2 动态工作情况的图解分析 饱和失真 （NMOS） 2. 静态工作点对波形失真的影响 输入回路设定的工 作点太太低所致。 33 华中科技大学 张林刘勃 4.3.2 动态工作情况的图解分析 饱和失真 （NMOS） 2. 静态工作点对波形失真的影响 负载线斜率 太小所致。 34 华中科技大学 张林刘勃 4.3.2 动态工作情况的图解分析 3.交流负载线及图解分析 RL 直流负载线： vDS = VDDiDRd 交流负载线： vDS = VDSQ iD(Rd/RL) 35 华中科技大学 张林刘勃 4.3.3 图解分析法的适用范围 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点： 直观、形象。有助于建立和理

14、解交、直流共存，静态和 动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置 静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态 工作情况。 缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来 分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。 华中科技大学 张林 36刘勃 4.4 小信号模型分析法 4.4.1 MOSFET的小信号模型 4.4.2 用小信号模型分析共源放大电路 4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析 4.4.4 小信号模型分析法的适用范围 37 华中科技大学 张林刘勃 4.4 小信号模型分析法 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号幅值较小

15、时，就可以把三极 管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以 把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来 处理。 由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复 杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件 做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分 析和设计。 38 华中科技大学 张林刘勃 4.4.1 MOSFET的小信号模型 1. =0时 在饱和区内有 （以增强型NMOS管为例 ） FET双口网络 静态值 （直流） 动态值 （交流） 非线性失 真项 当，vgs 2(VGSQ-VTN)时， 其中 39 华中科技大学 张林刘勃 4.4.1 MOSFET的小信号模型 FET双口网络 纯交流 电路模型 1. =0时 gmvgs 是受控源 ，且为电 压控制电流源(VCCS)。 电流方向与vgs的极性是关 联的。 40 华中科技大学 张林刘勃 4.4.1 MOSFET的小信号模型 FET双口网络 d、s端口看入有一电阻rds 电路模型 2. 0时 41 华中科技大学 张林刘勃 4.4.1 MOSFET的小信号模型 gm 低频互导 转移特性曲线Q点上