解析MOS場效應晶體管直流偏置電路工作關系和特性分類

直流耦合放大電路是指輸入級、輸出級以及級間作直接耦合，或用電阻、齊納二極管等耦合的電路，大致可分為圖2.76所示的單端型（不平衡型）和差分型兩種。單端型，因電源電壓變化引起的漂移以及溫度變化引起的漂移都較大，所以很少用于直流放大。但可用于不考慮漂移問題的交流放大電路。反之，差分型由于具有漂移補償作用，所以漂移小、工作點也穩定，不僅適用于直流放大電路也適用于交流放大電路。像圖2.76那樣整個放大電路都用場效應晶體管構成的情形甚為罕見，多半是利用場效應晶體管輸入阻抗高的特點，只在初級使用該種器件，這是由于場效應晶體管與雙極型晶體管相比，其成本高并且增益-帶寬乘積也較小的緣故。MOS場效應晶體管直流偏置電路。市售MOS場效應晶體管的gm為左右。普通的小信號放大用的雙極型晶體管與之相比，因其硅芯片面積很小，所以價格低廉。為了提高場效應晶體管電路的增益，須用大的負載電阻，電源電壓相應也要提高，并且由于漏-柵間靜電電容CDG的負反饋作用，使頻帶寬度受到限制。

MOS晶體管原則上可能有圖2.77所示的四種特性。

目前市售產品有其中的（A）N溝道耗盡型和（B）P溝道增強型。當柵-源電壓VGS為零時，（A）有電流IDO流過，而（B）卻處于截止狀態。對于（B）不能定義零偏壓下的漏電流IDO，但如該圖的虛線所示，將特性曲線（B）相對于截止電壓Vp（夾斷電壓）作一條對稱的假想特性曲線，如假想特性曲線與ID軸相交的電流值為IDO，則兩種晶體管都可使用下述的特性表達式。

式中

gm為

與成正比。也就是說，若降低ID，gm亦下降。當次級也用場效應晶體管時，若電源電壓一定，與漏相連的負載電阻可與ID成反比地增加，所以隨著ID的低電平化，可得到較大的電壓增益。例如對圖2.76（a）的初級電路，若給定電源電壓VB和漏電壓VD，則有

從而由式（2.146）、（2.147），得電壓增益為

顯見為實現高增益化，以低電平工作為宜^49）。制約高增益化的實際條件是，隨著低電平化噪聲將增加并且頻帶寬度亦因前述的密效應而變窄。另外，當次級用極型晶體管時，gm越高越好，故以增加ID為宜。若極端地降低ID，式（2.144'）就不成立。MOS場效應晶體管直流偏置電路。其理由是，若溝道夾斷，載運電流的多數載流子就消失，少數載流子就變成電流的載運者，所以，此時ID與柵電壓呈指數函數關系^50）。一般商品場效應晶體管，以為界，由式（2.144'）的平方律特性轉變為式（2.149）的指數特性。

圖2.78是場效應晶體管的gm、μ（電壓放大系數）以及（漏電阻）與ID的關系示例。圖中以ID=10μA為界由平方律特性轉變為指數特性。

場效應晶體管也與真空管或雙極型晶體管一樣，有三種接地形式（參見圖2.79）。為得到充分的放大量，應使放大電路工作在VD-ID特性的飽和區。

對圖2.80（a）的ID-VD特性，虛線的右側是飽和區。在此區域內

漏電流IDv可由式（2.144’）求得。

如圖2.79（b）、（c）所示，于源端接入偏置電阻Rss時，由式（2.144'）和

可求出為得到規定的ID所需的VGS，但這種求法不如圖2.80（b）所示的圖解法簡單。該圖系N溝道耗盡型的情形。若系差分放大電路（圖 2.76（b）），兩路的ID均流入Rss，所以取由圖2.80（b）求得的Rss值的1/2即可。

為參考起見，各種接地型式的電壓增益和輸出阻抗列于表2.6，商品MOS晶體管的特性列于圖2.81。

圖2.82是交流放大器電路的例子。

漏電流大致規定為。若系三級放大，還需要一級級聯電路。

圖2.83是MOS晶體管和雙極型晶體管的典型級聯法。

其中圖（a）為源接地型和發射極接地型的級聯，（b）為另一種級聯形式。若（a）的雙極型晶體管的輸入阻抗ri2遠小于R1，則其電壓增益Gυ為

式中

gm為場效應晶體管的跨導

為雙極型晶體管的電流放大系數

在（b）的場合

增益同沒有雙極型晶體管的場合一樣，但從場效應晶體管的漏看進去的阻抗低，因而適用于高頻電路。由場效應晶體管集成化的級聯電路為四極場效應晶體管，如圖2.84（b）所示。圖2.84（a）是其等效電路和級聯方法。

圖2.85是集成電路化的級聯音頻放大器的例子，輸出功率為1W，頻帶寬度為0.1Hz~100kHz^51）。圖2.83（a）的Q1、Q2分別對應于圖2.85的Q1、Q2，R1對應于Q4的集電極內阻，R2對應于Q6（背靠背連接的兩個二極管）。MOS場效應晶體管直流偏置電路。Q3、D1是Q4的直流偏置元件。Q7至Q11是準互補推挽發射極跟隨電路，其增益為1。從而，設Q1的跨導為gm，Q2的電流放大系數為，則整個電路的增益G與式（2.152）一樣，可寫作

初級使用場效應晶體管，次級以后使用雙極型晶體管的理由是，用小電容值的集成電路電容器（50pF）可得到大的輸入耦合電路時間常數，防止了低頻增益的下降；輸出電路使用飽和電阻小的雙極型晶體管，可改善電源效率。Q5用作穩定工作點的直流負反饋電阻，通過改變Q3的內阻來控制Q4的內阻。

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