MOSFET 放大器
MOSFET放大器使用以共源配置连接的金属氧化物硅晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管（简称MOSFET）是小信号线性放大器的绝佳选择，因为它们的输入阻抗非常高，因此易于偏置。但是，为了使MOSFET产生线性放大，它必须在饱和区工作，这与双极结型晶体管不同。但是，就像BJT一样，它也需要围绕中央固定的Q点偏置。MOSFET通过称为“沟道”的导电区域或路径传导。通过施加合适的栅极电势，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出的电场会影响沟道的电气特性，因此会称为场效应晶体管。不同类型的mosfet的特性差异很大，因此mosfet的偏置必须单独进行。与双极晶体管公共发射极配置一样，公共源极MOSFET放大器需要偏置为合适的静态值。但是首先让我们考虑一下mosfets的基本特征和配置。增强型N沟道MOSFET
请注意，双极结型晶体管与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的端子标记为漏极，源极和栅极。MOSFET与BJT的不同之处在于，与BJT的基极-发射极结不同，栅极和沟道之间没有直接连接，因为金属栅电极与导电沟道间电气绝缘，因此它是绝缘栅的第二名称。增强型MOSFET放大器
增强MOSFET或eMOSFET可以归类为常关（不导通）器件，即它们仅在施加适当的栅源正电压时才导通，而耗尽型MOSFET则在导通时导通栅极电压为零。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，必须在栅极开始导通之前将其施加到栅极，以允许漏极电流流过。换句话说，当栅极-源极电压V GS小于阈值电压V TH时，增强MOSFET不会导通，但是随着栅极正向偏置的增加，漏极电流I D（也称为漏极-源极电流）与双极型晶体管类似，I DS）也将增加，从而使eMOSFET成为MOSFET放大电路的理想选择。可以将MOS导电通道的特性视为由栅极控制的可变电阻器。因此，流过该n沟道的漏极电流的大小取决于栅极-源极电压，我们可以使用MOSFET进行的许多测量之一是绘制传输特性图，以显示漏极电流与漏极之间的iv关系。栅极电压如图所示。N沟道eMOSFET IV特性
通过在eMOSFET两端连接固定的V DS漏极-源极电压，我们可以绘制漏极电流I D与V GS的变化值的关系图，以获得MOSFET正向直流特性的曲线图。这些特性给出了晶体管的跨导gm。这种跨导将输出电流与代表晶体管增益的输入电压相关联。因此，对于恒定值V DS，跨导曲线在其任何一点上的斜率均表示为：gm = I D / V GS。因此，例如，假设MOS晶体管在V GS = 3v 时通过2mA 的漏极电流，在V GS = 7v 时通过14mA 的漏极电流。然后：该比率称为晶体管静态或直流跨导，以西门子（S）为单位，以每伏安培数为单位。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，没有电流流过MOS晶体管沟道，因为栅极周围的场效应不足以创建或“断开” n型沟道。然后，晶体管在其截止区域中充当开路开关。换句话说，在施加零栅极电压的情况下，n沟道eMOSFET被说成是常关，并且这种“关断”状态由eMOSFET符号中的折断的沟道线表示（与具有连续沟道线的耗尽类型不同） 。随着我们逐渐增加栅极-源极间的电压V GS，场效应开始增强沟道区域的电导率，并慢慢达到沟道开始导通的点。该点处的电压被称为阈值电压V TH。随着我们将V GS增大得更正，随着漏极电流的增加，导电通道变得更宽（电阻减小），结果I D增大。请记住，栅极永远不会传导任何电流，因为其与通道的电气隔离使MOSFET放大器具有极高的输入阻抗。因此，当栅极-源极电压，V GS小于它的阈值电压电平V TH时，n沟道增强型MOSFET将处在关断模式下。当eMOS晶体管在饱和区工作时，漏极电流I D由下式给出：eMOSFET漏极电流
请注意，k（导电参数）和V TH（阈值电压）的值从一个eMOSFET到另一个eMOSFET有所不同，不能进行物理更改。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特定规范。右边的静态传递特性曲线的形状通常是抛物线（平方律），然后是线性的。对于给定的栅极-源极电压V GS，漏极电流I D的增加确定了V DS恒定值的曲线的斜率或斜率。然后我们可以看到将增强型MOS晶体管“导通”是一个渐进过程，为了使我们将MOSFET用作放大器，我们必须将其栅极端子偏置在高于阈值水平的某个点。通过使用两个单独的电压源，漏极反馈偏置，齐纳二极管偏置等，我们可以通过多种方法来实现。但是，无论使用哪种偏置方法，都必须确保栅极电压比栅极电压高。源的值大于V TH。在本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。直流偏置MOSFET
通用分压器偏置电路是一种流行的偏置技术，用于建立双极晶体管放大器和MOSFET放大器的理想直流工作条件。分压器偏置网络的优势在于，可以从单个直流电源偏置MOSFET或双极晶体管。但是首先，我们需要知道在哪里为MOSFET栅极偏置电压。mosfet设备具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/线性区域和收缩点。为了使mosfet用作线性放大器，我们需要建立一个定义明确的静态工作点或Q点，因此必须对其进行偏置才能在其饱和区工作。mosfet的Q点由DC值I D和V GS表示，它们将工作点定位在mosfet输出特性曲线的中心。如上所述，当V GS高于V TH阈值电平时，饱和区域开始。因此，如果我们在栅极输入上施加一个小的AC信号并叠加到该DC偏置上，那么MOSFET将充当线性放大器，如图所示。eMOSFET直流偏置点
以上NMOS共源极电路示出了正弦输入电压，输入信号与直流电源串联。该直流栅极电压将由偏置电路设置。然后，总的栅极-源极电压将为V GS和V i的总和。直流特性以及相应的Q点（静态工作点）都是栅极电压V GS，电源电压V DD和负载电阻R D的函数。MOS管在饱和区内偏置，以建立所需的漏极电流，该电流将定义晶体管的Q点。随着V GS的瞬时值增加，偏置点如图所示沿曲线向上移动，从而导致VDS及导通电阻变小，漏极电流增大。同样，随着V GS的瞬时值减小（在输入正弦波的负半段期间），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大的V DS。然后，为了建立较大的输出摆幅，我们必须将晶体管偏置到远高于阈值水平，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有一个限制。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 TH的大约中间位置。因此，例如，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。然后，直流偏置点将为15 – 2.5 = 12.5v或6v至最接近的整数值。MOSFET I D – V DS特性
上面我们已经看到，我们可以通过保持电源电压V DD恒定和增加栅极电压V G来构建MOSFET正向直流特性曲线。但是，为了获得在MOSFET放大器电路中使用的n型增强型MOS管的完整操作图，我们需要显示V DD和V GS的不同值的输出特性。与NPN双极结晶体管一样，我们可以构建一组输出特性曲线，以显示漏极电流I D，以增加n沟道增强模式MOS晶体管的V G的正值，如图所示。N型eMOSFET特性曲线
请注意，p沟道eMOSFET器件将具有一组非常相似的漏极电流特性曲线，但栅极电压的极性将相反。基本共源MOSFET放大器
之前，我们研究了如何建立所需的直流工作条件以偏置n型eMOSFET。如果我们将小的随时间变化的信号施加到输入，则在正确的情况下，如果晶体管Q点位于饱和区中心附近，并且输入信号足够小，则mosfet电路就可以充当线性放大器。使输出保持线性。考虑下面的基本mosfet放大器电路。基本MOSFET放大器
这种简单的增强模式共源mosfet放大器配置在漏极使用单个电源，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，由此我们可以对MOSFET放大器的直流工作条件做出以下基本假设。如上所述，为了使MOSFET正常工作，该栅极-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也相等：为了将MOSFET栅极电压设置为该值，我们将分压器网络中的电阻R1和R2的值选择为正确的值。从上面我们知道，“没有电流”流入mosfet器件的栅极端子，因此分压公式为：MOSFET放大器栅极偏置电压
请注意，该分压器方程式仅确定两个偏置电阻器R1和R2的比率，而不是其实际值。还希望使这两个电阻的值尽可能大，以减小其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1
将使用具有k=50mA / V 2的导通参数和2.0伏的阈值电压的n沟道eMOSFET构造一个共源MOSFET放大器。如果电源电压为 15伏，负载电阻为470欧姆，请计算将MOSFET放大器偏置在1/3（V DD）所需的电阻值。绘制电路图。给出的值：V DD = 15v，V TH = 2.0v，k = 50mA / V 2和R D =470Ω。因此，在MOSFET上施加KVL，漏极-源极电压V DS为：给出1 / 3V DD所需的分压电阻R1，R2之比计算如下：如果我们选择：R1 =200kΩ和R2 =100kΩ，则将满足以下条件：V G = 1 / 3V DD。同样，偏置电阻的这种组合将为mosfet放大器提供大约67kΩ的输入电阻。通过计算输入和输出耦合电容器的值，我们可以使这一设计更进一步。如果我们假设mosfet放大器的截止频率较低，例如20Hz，则考虑栅极偏置网络输入阻抗的两个电容器的值计算如下：单级MOSFET放大器
MOSFET Amplifier Summary
The main goal of a MOSFET amplifier, or any amplifier for that matter, is to produce an output signal that is a faithful reproduction of its input signal but amplified in magnitude. This input signal could be a current or a voltage, but for a mosfet device to operate as an amplifier it must be biased to operate within its saturation region.
There are two basic types of enhancement-mode MOSFETs, n-channel and p-channel and in this mosfet amplifier tutorial we have looked at the n-channel enhancement MOSFET is often referred to as an NMOS, as it can be operated with positive gate and drain voltages relative to the source as opposed to the p-channel PMOS which is operated with negative gate and drain voltages relative to the source.
The saturation region of a mosfet device is its constant-current region above its threshold voltage, VTH. Once correctly biased in the saturation region the drain current, ID varies as a result of the gate-to-source voltage, VGS and not by the drain-to-source voltage, VDS since the drain current is called saturated.
In an enhancement-mode MOSFET, the electrostatic field created by the application of a gate voltage enhances the conductivity of the channel, rather than deplete the channel as in the case of a depletion-mode MOSFET.
The threshold voltage is the minimum gate bias required to enable the formation of the channel between the source and the drain. above this value the drain current increases in proportion to (VGS – VTH)2 in the saturation region allowing it to operate as an amplifier.
