MOSFET放大器配置电压概述

MOSFET放大器使用以共源配置连接的金属氧化物硅晶体管

在我们之前关于FET放大器的教程中，我们看到可以使用结场效应制作简单的单级放大器晶体管，或JFET。但是还有其他类型的场效应晶体管可用于构建和放大器，在本教程中我们将介绍MOSFET放大器。

金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET，对于小信号线性放大器而言，它是一个很好的选择，因为它们的输入阻抗非常高，因此容易偏置。但是，对于产生线性放大的mosfet，它必须在其饱和区域内工作，这与双极结型晶体管不同。但就像BJT一样，它也需要偏向中心固定的Q点。

典型的MOSFET晶体管

MOSFETS通过称为“通道”的导电区域或路径导通。通过施加合适的栅极电位，我们可以使该导电沟道更宽或更小。通过施加该栅极电压在栅极端子周围感应的电场影响通道的电特性，因此称为场效应晶体管。

换句话说，我们通过创建或“增强”其源极和漏极区域之间的导电沟道，可以控制mosfet如何工作，从而产生一种通常称为n沟道增强型MOSFET的mosfet，这意味着除非我们在栅极上正向偏置它们（对于p沟道是负的，没有沟道电流会流动。

不同类型的mosfet的特性存在很大的变化，因此mosfet的偏置必须单独进行。与双极晶体管共发射极配置一样，共源MOSFET mosfet放大器需要偏置在合适的静态值。但首先让我们想起mosfets的基本特性和配置。

增强N沟道MOSFET

请注意，双极结型晶体管和FET之间的根本区别在于BJT的端子标记为集电极，发射极和基极，而MOSFET的端子分别标记为漏极，源极和栅极。

MOSFET与BJT的区别在于栅极和沟道之间没有直接连接，这与BJT的基极 - 发射极结不同，因为金属栅极电极与导电沟道电绝缘，因此它具有绝缘栅极的二级名称场效应晶体管，或IGFET。

我们可以看到，对于n沟道MOSFET（NMOS），衬底半导体材料是 p型，而源极和漏极是 n型。电源电压为正。栅极端子偏置正偏压吸引栅极区域下方的p型半导体衬底内的电子朝向它。

p型衬底内过量的自由电子导致导电通道出现或增长为p型区域的电特性反转，有效地将p型衬底转换为n型材料，允许沟道电流流动。

p沟道MOSFET（PMOS）也是如此其中负栅极电位导致在栅极区域下方形成空穴，因为它们被吸引到金属栅极电极外侧的电子上。结果是n型衬底形成了一个p型导电沟道。

因此，对于我们的n型MOS晶体管，我们放在栅极上的正电位越大，电子的积累就越大在栅极区域周围，导电沟道变宽。这增强了通过通道的电子流，允许更多的通道电流从漏极流向源极，从而得到增强型MOSFET的名称。

增强型MOSFET放大器

增强型MOSFET或eMOSFET可归类为常关（非导通）器件，即它们仅在施加合适的栅极 - 源极正电压时导通，这与耗尽型mosfet不同，后者是正常导通时的导通器件。栅极电压为零。

然而，由于增强型mosfet的结构和物理特性，存在最小的栅极 - 源极电压，称为阈值电压 V TH 必须在开始导通之前应用于栅极，以允许漏极电流流动。

换句话说，当栅极 - 源极电压 V GS 小于阈值电压时，增强型mosfet不导通， V TH 但随着栅极正向偏压增加，漏极电流 I D （也称为漏源电流 I DS ）也会增加，类似于双极晶体管，使eMOSFET成为mosfet放大器电路的理想选择。

可以认为MOS导电通道的特性作为由栅极控制的可变电阻器。因此，流过该n沟道的漏极电流量取决于栅极 - 源极电压，并且我们可以使用mosfet进行的许多测量之一是绘制传输特性曲线图，以显示漏极电流与漏极电流之间的静态关系。栅极电压如图所示。

N沟道eMOSFET IV特性

固定 V DS 连接eMOSFET上的漏源电压我们可以绘制漏极电流值 I D 改变 V GS 的值以获得mosfet正向DC特性的图形。这些特性给出晶体管的跨导， gm 。

该跨导将输出电流与表示晶体管增益的输入电压相关联。因此，沿着它的任何点的跨导曲线的斜率如下： gm = I D / V GS 对于常数值 V DS 。

例如，假设当V GS = 3v时MOS晶体管通过2mA的漏极电流，当V GS = 7v时，漏极电流为14mA。然后：

这个比例被称为晶体管静态或直流跨导，它是“转移电导”的缩写，西门子（S）的单位为每伏特的安培数。 mosfet放大器的电压增益与跨导和漏极电阻的值成正比。

在 V GS = 0 时，无电流因为围绕栅极的场效应不足以产生或“打开”n型沟道，所以流过MOS晶体管沟道。然后，晶体管处于其截止区域，用作开路开关。换句话说，在施加零栅极电压的情况下，n沟道eMOSFET被称为常关，而这种“关闭”状态由eMOSFET符号中的断开沟道线表示（与具有连续沟道线的耗尽类型不同）

由于我们现在逐渐增加正栅极 - 源极电压 V GS ，场效应开始增强沟道区电导率，并且变为通道开始的点进行。这一点称为阈值电压 V TH 。随着我们将 V GS 增加更多，导电沟道随着漏极电流量变宽（电阻越小）， I D 因此增加。请记住，栅极从不传导任何电流，因为它的电气与通道隔离，使mosfet放大器具有极高的输入阻抗。

因此，当栅极时，n沟道增强型mosfet将处于截止模式 - 源电压， V GS 小于其阈值电压电平， V TH 且其通道导通或饱和当 V GS 高于此阈值水平时。当eMOS晶体管工作在饱和区时，漏极电流 I D 由下式给出：

eMOSFET漏极电流

注意 k （传导参数）和 V TH <的值/ sub> （阈值电压）从一个eMOSFET到另一个eMOSFET不同，并且不能进行物理改变。这是因为它们是与晶体管制造过程中内置的材料和器件几何形状有关的具体规范。

右边的静态传递特性曲线通常是抛物线（平方律）形状然后是线性的。对于给定的栅源电压增加， V GS ，漏极电流的增加 I D 决定了 V DS 的常数值的曲线的斜率或梯度。

然后我们可以看到将增强型MOS晶体管“导通”是渐进的为了让我们将MOSFET用作放大器，我们必须将其栅极端子偏置在高于其阈值电平的某个点。

使用两个独立的电源可以通过许多不同的方式实现这一点，消除反馈偏置，齐纳二极管偏置等等。但无论采用哪种偏置方法，我们都必须确保栅极电压比源极更大，大于 V TH 。在这个mosfet放大器教程中，我们将使用现在熟悉的通用分压器偏置电路。

DC偏置MOSFET

通用分压器偏置电路是一种流行的偏置技术，用于建立一个双极晶体管放大器以及mosfet放大器的所需DC工作条件。分压器偏置网络的优点在于MOSFET或实际上双极晶体管可以从单个DC电源偏置。但首先我们需要知道在哪里偏置mosfet放大器的栅极。

mosfet器件有三个不同的操作区域。这些区域称为：欧姆/三极管区域，饱和度/线性区域和夹断点。对于mosfet作为线性放大器工作，我们需要建立一个明确定义的静态工作点或Q点，因此必须偏置才能在其饱和区域工作。 mosfet的Q点由DC值表示， I D 和 V GS mosfets输出特性曲线集中在工作点上。

如上所述，饱和区域在 V GS 高于时开始V TH 阈值水平。因此，如果我们在栅极输入端施加一个叠加在此直流偏置上的小交流信号，则MOSFET将充当线性放大器，如图所示。

eMOSFET DC偏置点

上面的共源NMOS电路显示正弦输入电压 V i 与DC源串联。该DC栅极电压将由偏置电路设置。然后，总栅极 - 源极电压将是 V GS 和 V i 的总和。

直流特性和Q点（静态点）都是栅极电压 V GS 的函数，电源电压 V DD 和负载电阻 R D 。

MOS晶体管偏置在饱和区域内，以建立所需的漏极电流定义晶体管Q点。随着 V GS 的瞬时值增加，偏置点向上移动曲线，如图所示，允许更大的漏极电流流过 V DS 减少。

同样，随着 V GS 的瞬时值减小（在输入正弦波的负半部分期间） ，偏置点沿曲线向下移动，较小的 V GS 导致较小的漏极电流和增加的 V DS 。

然后，为了建立大输出摆幅，我们必须将晶体管偏置到远高于阈值电平，以确保晶体管在整个正弦输入周期内保持饱和。但是，我们可以使用的栅极偏置和漏极电流量有限。为了允许输出的最大电压摆幅，Q点应位于电源电压 V DD 和阈值电压 V 之间的大约一半TH 。

例如，我们假设我们要构建一个单级NMOS共源放大器。 eMOSFET的阈值电压 V TH 为2.5伏，电源电压 V DD 为+15伏。那么直流偏置点将 15-2.5 = 12.5v 或6伏到最接近的整数值。

MOSFETS I D - V DS 特性

我们已经看到，我们可以通过保持构建mosfet正向DC特性的图形电源电压 V DD 恒定并增加栅极电压， V G 。但为了全面了解在mosfet放大器电路中使用的n型增强型MOS晶体管的操作，我们需要显示 V DD 和 V GS 。

与NPN双极结型晶体管一样，我们可以构建一组输出特性曲线，显示漏极电流， I D 用于增加n沟道增强型MOS晶体管的 V G 的正值显示。

N型eMOSFET特性曲线

注意p通道eMOSFET器件具有非常相似的一组漏极电流特性曲线，但栅极电压的极性将反转。

基本共源MOSFET放大器

以前我们看看如何建立期望的DC操作条件以偏置n型eMOSFET。如果我们对输入施加一个小的时变信号，那么在正确的情况下，mosfet电路可以作为线性放大器，提供晶体管Q点在饱和区中心附近的某处，输入信号足够小输出保持线性。考虑下面的基本mosfet放大器电路。

基本MOSFET放大器

这个简单的增强模式共源mosfet放大器配置在漏极使用单电源，并使用电阻分压器产生所需的栅极电压 V G 。我们记得对于MOSFET，没有电流流入栅极端子，因此我们可以对MOSFET放大器的直流工作条件做出如下基本假设。

然后我们可以这样说：

和mosfets栅极 - 源极电压， V GS 给出如下：

如上所述，为了正确操作mosfet，此栅极 - 源极电压必须大于mosfet的阈值电压，即 V GS > V TH 。由于 I S = I D ，因此栅极电压 V G 是等于：

要将mosfet放大器栅极电压设置为此值，我们选择电阻值，分压器网络内的 R1 和 R2 为正确的值。正如我们从上面所知，“无电流”流入mosfet器件的栅极端子，因此分压公式如下：

MOSFET放大器栅极偏置电压

请注意，此分压器公式仅确定两个偏置电阻的比率， R1 和 R2 而不是他们的实际值。此外，还希望使这两个电阻的值尽可能大，以减小它们的 I 2 * R 功率损耗，并增加mosfet放大器的输入电阻。

MOSFET放大器示例No1

使用n沟道eMOSFET构建共源mosfet放大器，其导通参数为50mA / V 2 和阈值电压为2.0伏。如果电源电压为+15伏且负载电阻为470欧姆，则计算将MOSFET放大器偏置为1/3（V DD ）所需的电阻值。绘制电路图。

给出的值： V DD = + 15v ， V TH = + 2.0 v ， k = 50mA / V 2 且 R D =470Ω。

1。漏电流， I D

2。栅源电压， V GS

3。栅极电压， V G

因此，在mosfet上施加KVL，漏 - 源电压， V DS 给出如下：

4。来源阻力， R S

比率给出 1 / 3V DD 所需的分压电阻 R1 和 R2 的计算公式为：

如果我们选择： R1 =200kΩ且 R2 =100kΩ这将满足以下条件： V G = 1 / 3V DD 。此偏置电阻的组合将给mosfet放大器提供大约67kΩ的输入电阻。

我们可以通过计算输入和输出的值来进一步采用这种设计耦合电容器。如果我们假设我们的mosfet放大器的截止频率为20Hz，那么考虑到栅极偏置网络的输入阻抗的两个电容器的值计算如下：

然后单级MOSFET放大器电路的最终电路如下：

单级MOSFET放大器

MOSFET放大器概述

MOSFET放大器或任何放大器的主要目标是产生输出信号，该输出信号忠实地再现其输入信号但在幅度上放大。此输入信号可以是电流或电压，但对于mosfet器件作为放大器工作，它必须被偏置以在其饱和区域内工作。

有两种基本类型的增强型MOSFET， n沟道和p沟道以及在这个mosfet放大器教程中，我们研究了n沟道增强型MOSFET通常被称为NMOS，因为它可以相对于源极采用正栅极和漏极电压工作，而不是p沟道PMOS使用相对于源极的负栅极和漏极电压工作。

mosfet器件的饱和区域是其高于其阈值电压的恒定电流区域， V TH 。一旦在饱和区域正确偏置，漏极电流 I D 会因栅极 - 源极电压而变化， V GS 而不是漏极 - 源极电压， V DS ，因为漏极电流被称为饱和。

增强型MOSFET，通过施加栅极电压产生的静电场增强了沟道的导电性，而不是像耗尽型MOSFET那样耗尽沟道。

阈值电压是能够在源极和漏极之间形成沟道所需的最小栅极偏压。高于此值时，漏极电流与饱和区域中的（V GS - V TH ） 2 成比例增加允许它作为放大器运行。