MOSFET放大器使用以共源配置連接的金屬氧化物硅晶體管

在我們之前關(guān)于FET放大器的教程中，我們看到可以使用結(jié)場效應(yīng)制作簡單的單級放大器晶體管，或JFET。但是還有其他類型的場效應(yīng)晶體管可用于構(gòu)建和放大器，在本教程中我們將介紹MOSFET放大器。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱MOSFET，對于小信號線性放大器而言，它是一個很好的選擇，因為它們的輸入阻抗非常高，因此容易偏置。但是，對于產(chǎn)生線性放大的mosfet，它必須在其飽和區(qū)域內(nèi)工作，這與雙極結(jié)型晶體管不同。但就像BJT一樣，它也需要偏向中心固定的Q點。

典型的MOSFET晶體管

MOSFETS通過稱為“通道”的導(dǎo)電區(qū)域或路徑導(dǎo)通。通過施加合適的柵極電位，我們可以使該導(dǎo)電溝道更寬或更小。通過施加該柵極電壓在柵極端子周圍感應(yīng)的電場影響通道的電特性，因此稱為場效應(yīng)晶體管。

換句話說，我們通過創(chuàng)建或“增強”其源極和漏極區(qū)域之間的導(dǎo)電溝道，可以控制mosfet如何工作，從而產(chǎn)生一種通常稱為n溝道增強型MOSFET的mosfet，這意味著除非我們在柵極上正向偏置它們（對于p溝道是負(fù)的，沒有溝道電流會流動。

不同類型的mosfet的特性存在很大的變化，因此mosfet的偏置必須單獨進行。與雙極晶體管共發(fā)射極配置一樣，共源MOSFET mosfet放大器需要偏置在合適的靜態(tài)值。但首先讓我們想起mosfets的基本特性和配置。

增強N溝道MOSFET

請注意，雙極結(jié)型晶體管和FET之間的根本區(qū)別在于BJT的端子標(biāo)記為集電極，發(fā)射極和基極，而MOSFET的端子分別標(biāo)記為漏極，源極和柵極。

MOSFET與BJT的區(qū)別在于柵極和溝道之間沒有直接連接，這與BJT的基極 - 發(fā)射極結(jié)不同，因為金屬柵極電極與導(dǎo)電溝道電絕緣，因此它具有絕緣柵極的二級名稱場效應(yīng)晶體管，或IGFET。

我們可以看到，對于n溝道MOSFET（NMOS），襯底半導(dǎo)體材料是 p型，而源極和漏極是 n型。電源電壓為正。柵極端子偏置正偏壓吸引柵極區(qū)域下方的p型半導(dǎo)體襯底內(nèi)的電子朝向它。

p型襯底內(nèi)過量的自由電子導(dǎo)致導(dǎo)電通道出現(xiàn)或增長為p型區(qū)域的電特性反轉(zhuǎn)，有效地將p型襯底轉(zhuǎn)換為n型材料，允許溝道電流流動。

p溝道MOSFET（PMOS）也是如此其中負(fù)柵極電位導(dǎo)致在柵極區(qū)域下方形成空穴，因為它們被吸引到金屬柵極電極外側(cè)的電子上。結(jié)果是n型襯底形成了一個p型導(dǎo)電溝道。

因此，對于我們的n型MOS晶體管，我們放在柵極上的正電位越大，電子的積累就越大在柵極區(qū)域周圍，導(dǎo)電溝道變寬。這增強了通過通道的電子流，允許更多的通道電流從漏極流向源極，從而得到增強型MOSFET的名稱。

增強型MOSFET放大器

增強型MOSFET或eMOSFET可歸類為常關(guān)（非導(dǎo)通）器件，即它們僅在施加合適的柵極 - 源極正電壓時導(dǎo)通，這與耗盡型mosfet不同，后者是正常導(dǎo)通時的導(dǎo)通器件。柵極電壓為零。

然而，由于增強型mosfet的結(jié)構(gòu)和物理特性，存在最小的柵極 - 源極電壓，稱為閾值電壓 V TH 必須在開始導(dǎo)通之前應(yīng)用于柵極，以允許漏極電流流動。

換句話說，當(dāng)柵極 - 源極電壓 V GS 小于閾值電壓時，增強型mosfet不導(dǎo)通， V TH 但隨著柵極正向偏壓增加，漏極電流 I D （也稱為漏源電流 I DS ）也會增加，類似于雙極晶體管，使eMOSFET成為mosfet放大器電路的理想選擇。

可以認(rèn)為MOS導(dǎo)電通道的特性作為由柵極控制的可變電阻器。因此，流過該n溝道的漏極電流量取決于柵極 - 源極電壓，并且我們可以使用mosfet進行的許多測量之一是繪制傳輸特性曲線圖，以顯示漏極電流與漏極電流之間的靜態(tài)關(guān)系。柵極電壓如圖所示。

N溝道eMOSFET IV特性

固定 V DS 連接eMOSFET上的漏源電壓我們可以繪制漏極電流值 I D 改變 V GS 的值以獲得mosfet正向DC特性的圖形。這些特性給出晶體管的跨導(dǎo)， gm 。

該跨導(dǎo)將輸出電流與表示晶體管增益的輸入電壓相關(guān)聯(lián)。因此，沿著它的任何點的跨導(dǎo)曲線的斜率如下： gm = I D / V GS 對于常數(shù)值 V DS 。

例如，假設(shè)當(dāng)V GS = 3v時MOS晶體管通過2mA的漏極電流，當(dāng)V GS = 7v時，漏極電流為14mA。然后：

這個比例被稱為晶體管靜態(tài)或直流跨導(dǎo)，它是“轉(zhuǎn)移電導(dǎo)”的縮寫，西門子（S）的單位為每伏特的安培數(shù)。 mosfet放大器的電壓增益與跨導(dǎo)和漏極電阻的值成正比。

在 V GS = 0 時，無電流因為圍繞柵極的場效應(yīng)不足以產(chǎn)生或“打開”n型溝道，所以流過MOS晶體管溝道。然后，晶體管處于其截止區(qū)域，用作開路開關(guān)。換句話說，在施加零柵極電壓的情況下，n溝道eMOSFET被稱為常關(guān)，而這種“關(guān)閉”狀態(tài)由eMOSFET符號中的斷開溝道線表示（與具有連續(xù)溝道線的耗盡類型不同）

由于我們現(xiàn)在逐漸增加正柵極 - 源極電壓 V GS ，場效應(yīng)開始增強溝道區(qū)電導(dǎo)率，并且變?yōu)橥ǖ篱_始的點進行。這一點稱為閾值電壓 V TH 。隨著我們將 V GS 增加更多，導(dǎo)電溝道隨著漏極電流量變寬（電阻越?。?I D 因此增加。請記住，柵極從不傳導(dǎo)任何電流，因為它的電氣與通道隔離，使mosfet放大器具有極高的輸入阻抗。

因此，當(dāng)柵極時，n溝道增強型mosfet將處于截止模式 - 源電壓， V GS 小于其閾值電壓電平， V TH 且其通道導(dǎo)通或飽和當(dāng) V GS 高于此閾值水平時。當(dāng)eMOS晶體管工作在飽和區(qū)時，漏極電流 I D 由下式給出：

eMOSFET漏極電流

注意 k （傳導(dǎo)參數(shù)）和 V TH <的值/ sub> （閾值電壓）從一個eMOSFET到另一個eMOSFET不同，并且不能進行物理改變。這是因為它們是與晶體管制造過程中內(nèi)置的材料和器件幾何形狀有關(guān)的具體規(guī)范。

右邊的靜態(tài)傳遞特性曲線通常是拋物線（平方律）形狀然后是線性的。對于給定的柵源電壓增加， V GS ，漏極電流的增加 I D 決定了 V DS 的常數(shù)值的曲線的斜率或梯度。

然后我們可以看到將增強型MOS晶體管“導(dǎo)通”是漸進的為了讓我們將MOSFET用作放大器，我們必須將其柵極端子偏置在高于其閾值電平的某個點。

使用兩個獨立的電源可以通過許多不同的方式實現(xiàn)這一點，消除反饋偏置，齊納二極管偏置等等。但無論采用哪種偏置方法，我們都必須確保柵極電壓比源極更大，大于 V TH 。在這個mosfet放大器教程中，我們將使用現(xiàn)在熟悉的通用分壓器偏置電路。

DC偏置MOSFET

通用分壓器偏置電路是一種流行的偏置技術(shù)，用于建立一個雙極晶體管放大器以及mosfet放大器的所需DC工作條件。分壓器偏置網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于MOSFET或?qū)嶋H上雙極晶體管可以從單個DC電源偏置。但首先我們需要知道在哪里偏置mosfet放大器的柵極。

mosfet器件有三個不同的操作區(qū)域。這些區(qū)域稱為：歐姆/三極管區(qū)域，飽和度/線性區(qū)域和夾斷點。對于mosfet作為線性放大器工作，我們需要建立一個明確定義的靜態(tài)工作點或Q點，因此必須偏置才能在其飽和區(qū)域工作。 mosfet的Q點由DC值表示， I D 和 V GS mosfets輸出特性曲線集中在工作點上。

如上所述，飽和區(qū)域在 V GS 高于時開始V TH 閾值水平。因此，如果我們在柵極輸入端施加一個疊加在此直流偏置上的小交流信號，則MOSFET將充當(dāng)線性放大器，如圖所示。

eMOSFET DC偏置點

上面的共源NMOS電路顯示正弦輸入電壓 V i 與DC源串聯(lián)。該DC柵極電壓將由偏置電路設(shè)置。然后，總柵極 - 源極電壓將是 V GS 和 V i 的總和。

直流特性和Q點（靜態(tài)點）都是柵極電壓 V GS 的函數(shù)，電源電壓 V DD 和負(fù)載電阻 R D 。

MOS晶體管偏置在飽和區(qū)域內(nèi)，以建立所需的漏極電流定義晶體管Q點。隨著 V GS 的瞬時值增加，偏置點向上移動曲線，如圖所示，允許更大的漏極電流流過 V DS 減少。

同樣，隨著 V GS 的瞬時值減小（在輸入正弦波的負(fù)半部分期間） ，偏置點沿曲線向下移動，較小的 V GS 導(dǎo)致較小的漏極電流和增加的 V DS 。

然后，為了建立大輸出擺幅，我們必須將晶體管偏置到遠高于閾值電平，以確保晶體管在整個正弦輸入周期內(nèi)保持飽和。但是，我們可以使用的柵極偏置和漏極電流量有限。為了允許輸出的最大電壓擺幅，Q點應(yīng)位于電源電壓 V DD 和閾值電壓 V 之間的大約一半TH 。

例如，我們假設(shè)我們要構(gòu)建一個單級NMOS共源放大器。 eMOSFET的閾值電壓 V TH 為2.5伏，電源電壓 V DD 為+15伏。那么直流偏置點將 15-2.5 = 12.5v 或6伏到最接近的整數(shù)值。

MOSFETS I D - V DS 特性

我們已經(jīng)看到，我們可以通過保持構(gòu)建mosfet正向DC特性的圖形電源電壓 V DD 恒定并增加?xùn)艠O電壓， V G 。但為了全面了解在mosfet放大器電路中使用的n型增強型MOS晶體管的操作，我們需要顯示 V DD 和 V GS 。

與NPN雙極結(jié)型晶體管一樣，我們可以構(gòu)建一組輸出特性曲線，顯示漏極電流， I D 用于增加n溝道增強型MOS晶體管的 V G 的正值顯示。

N型eMOSFET特性曲線

注意p通道eMOSFET器件具有非常相似的一組漏極電流特性曲線，但柵極電壓的極性將反轉(zhuǎn)。

基本共源MOSFET放大器

以前我們看看如何建立期望的DC操作條件以偏置n型eMOSFET。如果我們對輸入施加一個小的時變信號，那么在正確的情況下，mosfet電路可以作為線性放大器，提供晶體管Q點在飽和區(qū)中心附近的某處，輸入信號足夠小輸出保持線性?？紤]下面的基本mosfet放大器電路。

基本MOSFET放大器

這個簡單的增強模式共源mosfet放大器配置在漏極使用單電源，并使用電阻分壓器產(chǎn)生所需的柵極電壓 V G 。我們記得對于MOSFET，沒有電流流入柵極端子，因此我們可以對MOSFET放大器的直流工作條件做出如下基本假設(shè)。

然后我們可以這樣說：

和mosfets柵極 - 源極電壓， V GS 給出如下：

如上所述，為了正確操作mosfet，此柵極 - 源極電壓必須大于mosfet的閾值電壓，即 V GS > V TH 。由于 I S = I D ，因此柵極電壓 V G 是等于：

要將mosfet放大器柵極電壓設(shè)置為此值，我們選擇電阻值，分壓器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的 R1 和 R2 為正確的值。正如我們從上面所知，“無電流”流入mosfet器件的柵極端子，因此分壓公式如下：

MOSFET放大器柵極偏置電壓

請注意，此分壓器公式僅確定兩個偏置電阻的比率， R1 和 R2 而不是他們的實際值。此外，還希望使這兩個電阻的值盡可能大，以減小它們的 I 2 * R 功率損耗，并增加mosfet放大器的輸入電阻。

MOSFET放大器示例No1

使用n溝道eMOSFET構(gòu)建共源mosfet放大器，其導(dǎo)通參數(shù)為50mA / V 2 和閾值電壓為2.0伏。如果電源電壓為+15伏且負(fù)載電阻為470歐姆，則計算將MOSFET放大器偏置為1/3（V DD ）所需的電阻值。繪制電路圖。

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

1。漏電流， I D

2。柵源電壓， V GS

3。柵極電壓， V G

因此，在mosfet上施加KVL，漏 - 源電壓， V DS 給出如下：

4。來源阻力， R S

比率給出 1 / 3V DD 所需的分壓電阻 R1 和 R2 的計算公式為：

如果我們選擇： R1 =200kΩ且 R2 =100kΩ這將滿足以下條件： V G = 1 / 3V DD 。此偏置電阻的組合將給mosfet放大器提供大約67kΩ的輸入電阻。

我們可以通過計算輸入和輸出的值來進一步采用這種設(shè)計耦合電容器。如果我們假設(shè)我們的mosfet放大器的截止頻率為20Hz，那么考慮到柵極偏置網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗的兩個電容器的值計算如下：

然后單級MOSFET放大器電路的最終電路如下：

單級MOSFET放大器

MOSFET放大器概述

MOSFET放大器或任何放大器的主要目標(biāo)是產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號忠實地再現(xiàn)其輸入信號但在幅度上放大。此輸入信號可以是電流或電壓，但對于mosfet器件作為放大器工作，它必須被偏置以在其飽和區(qū)域內(nèi)工作。

有兩種基本類型的增強型MOSFET， n溝道和p溝道以及在這個mosfet放大器教程中，我們研究了n溝道增強型MOSFET通常被稱為NMOS，因為它可以相對于源極采用正柵極和漏極電壓工作，而不是p溝道PMOS使用相對于源極的負(fù)柵極和漏極電壓工作。

mosfet器件的飽和區(qū)域是其高于其閾值電壓的恒定電流區(qū)域， V TH 。一旦在飽和區(qū)域正確偏置，漏極電流 I D 會因柵極 - 源極電壓而變化， V GS 而不是漏極 - 源極電壓， V DS ，因為漏極電流被稱為飽和。

增強型MOSFET，通過施加?xùn)艠O電壓產(chǎn)生的靜電場增強了溝道的導(dǎo)電性，而不是像耗盡型MOSFET那樣耗盡溝道。

閾值電壓是能夠在源極和漏極之間形成溝道所需的最小柵極偏壓。高于此值時，漏極電流與飽和區(qū)域中的（V GS - V TH ） 2 成比例增加允許它作為放大器運行。