这一章在干嘛?
给 FET 搭「小信号等效模型」,然后像第 5 章分析 BJT 一样,逐个分析共源、共漏(源随器)、共栅三种组态的增益与阻抗。最后把 D-MOSFET、E-MOSFET 的模型也补齐——FET 放大器高输入阻抗、低噪声,是很多前端电路的心头好。
8.1 两个关键参数:gm 与 rd
FET 是压控电流源:栅压变化 ΔVGS 引起漏极电流变化 ΔID。跨导 gm 描述这个「电压→电流」的转换效率:
g
m
= ΔI
D
/ΔV
GS
= g
m0
·(1 − V
GS
/V
P
) g
m0
= 2·I
DSS
/|V
P
|
原书图 8.1:g_m 的定义:转移曲线上 Q 点处的斜率
输出端看,漏极特性曲线在放大区并不完全水平,微微上翘,用输出电阻 rd 描述:
原书图 8.6:r_d 的定义:漏极特性曲线在 Q 点处的斜率的倒数
直觉:
g m 越大放大能力越强(Q 点越靠近 I DSS 越大);r d 通常几十 kΩ 起,初步估算常按开路处理。
8.2 JFET 等效模型与共源放大
把 FET 翻译成电路语言:输入端近乎开路(栅极无穷阻),输出端是受控电流源 gmVgs 并联 rd:
原书图 8.8:JFET 小信号等效电路:压控电流源 g_m·V_gs + r_d
共源组态(固定偏置放大器):信号进栅极、出漏极,输出与输入反相:
原书图 8.10:共源固定偏置放大器
Z
i
= R
G
Z
o
= r
d
∥R
D
A
v
= −g
m
·(r
d
∥R
D
) (r
d
≫R
D
时 ≈ −g
m
R
D
)
8.3 自偏压与分压偏置放大器
自偏压电路若 RS 不并联旁路电容,会引入负反馈使增益下降(Av ≈ −gmRD/(1+gmRS)):
原书图 8.15:自偏压共源放大器:R_S 决定偏置,也影响增益
分压偏置版同理,只是栅极电位由分压网络定:
原书图 8.21:分压偏置共源放大器
工程习惯:
要增益就在 R S 上并大电容(旁路);要稳定就留着 R S 。和 BJT 的 R E 一模一样的取舍。
8.4 共栅与源极跟随器
共栅组态:信号从源极进、漏极出,输入阻抗低(≈1/gm)、不反相,高频性能好:
原书图 8.24:共栅放大器:信号从源极进、漏极出
共漏组态(源极跟随器):输出从源极取,增益略小于 1、不反相,输入阻抗极高——当「阻抗变换器/缓冲器」用:
原书图 8.28:源极跟随器:A_v≈1,高输入低输出阻抗
三组态速记:
共源=反相有增益(干活的);共漏=跟屁虫(缓冲的);共栅=低进低出(高频的)。和 BJT 的共射/共集/共基一一对应。
8.5 D-MOSFET 与 E-MOSFET 放大器
D-MOSFET 因为 VGS 可正可负,交流模型与 JFET 相同:
原书图 8.33:D-MOSFET 交流等效模型:与 JFET 一致
E-MOSFET 的受控源改用 gm=2k(VGS−VT) 表达,典型接法是漏极反馈与分压偏置:
原书图 8.36:E-MOSFET 小信号模型
原书图 8.37:E-MOSFET 漏极反馈放大器:R_G 兼做偏置与信号通路
原书图 8.41:E-MOSFET 分压偏置放大器
1. g_m 的物理意义是什么?怎么从手册参数估算最大值?
g_m 是转移曲线在 Q 点的斜率,表示栅压对漏极电流的控制能力。最大值 g_m0=2I_DSS/|V_P|,Q 点越靠近 V_GS=0,g_m 越大。
2. 共源放大器的增益为什么是负号?
共源从栅极进、漏极出:栅压升高→漏极电流增大→R_D 压降增大→漏极电位下降。输入输出反相,所以 A_v=−g_m(R_D∥r_d) 带负号。
3. 源极跟随器增益小于 1,那它图什么?
图阻抗:输入阻抗极高(几乎不从前级取电流),输出阻抗低(≈1/g_m),能把高内阻信号源「缓冲」后驱动低阻负载,增益损失换隔离。