放大器是一種電子設(shè)備,，用于增強(qiáng)輸入信號(hào)的幅度，它是唱片播放器或CD播放器等音頻源以及均衡器,、前置放大器和揚(yáng)聲器等其他設(shè)備的重要組成部分。放大器的子類別是MOSFET放大器,，它使用MOSFET技術(shù)以更少的功率處理數(shù)字信號(hào),。目前，MOSFET放大器是全球99%的微芯片的設(shè)計(jì)選擇,。
MOSFET放大器由Dawon Kahng和Mohamed Atalla于1959 年發(fā)明和制造,，并于1960年初在賓夕法尼亞州匹茲堡的“卡內(nèi)基梅隆大學(xué)”舉行的固態(tài)器件會(huì)議上將其作為“硅-二氧化硅場(chǎng)感應(yīng)表面器件”推出。
MOSFET放大器概念
使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 技術(shù)的放大器稱為MOSFET放大器,。MOSFET也稱為MOS（金屬氧化物硅）晶體管,，是一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以這個(gè)晶體管是通過(guò)硅材料制造的,。
MOSFET放大器是最常用的FET放大器,，用于放大目的的場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要優(yōu)點(diǎn)是具有較小的o/p阻抗和最大的i/p阻抗。
MOSFET放大器電路及工作原理
MOSFET放大器簡(jiǎn)單電路圖如下圖所示,，在該電路中,，漏極電壓 （VD）、漏極電流 （ID）、柵源電壓 （VGS） 以及柵極,、源極和漏極的位置通過(guò)字母“G”,、“S”和“ D”。
通常情況下,，MOSFET在線性/歐姆,、截止以及飽和三個(gè)區(qū)域工作。在這三個(gè)區(qū)域中,，當(dāng)MOSFET用作放大器時(shí),，它們應(yīng)該工作在歐姆區(qū)域，當(dāng)施加的電壓增加時(shí),，流經(jīng)器件的電流會(huì)增加,。
MOSFET可在許多應(yīng)用中用作小信號(hào)線性放大器。通常,，在放大器電路中,，場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作在飽和區(qū)。因此,，在該區(qū)域中,，電流的流動(dòng)不取決于漏極電壓 （VD）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，電流是柵極電壓 （VG） 的主要函數(shù),。在這些放大器中，通常工作點(diǎn)在飽和區(qū)域內(nèi),。
在MOSFET放大器中,，柵極電壓的微小變化將在漏極電流中產(chǎn)生很大的變化，就像在JFET中一樣,。因此,，MOSFET會(huì)增加微弱信號(hào)的強(qiáng)度，所以它可以充當(dāng)放大器,。
MOSFET放大器工作過(guò)程
通過(guò)將源極,、漏極、負(fù)載電阻和耦合電容連接到上述電路,，可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的MOSFET放大器電路,，MOSFET放大器的偏置電路如下所示：
上述偏置電路包括分壓器，其主要作用是對(duì)晶體管進(jìn)行單向偏置,。因此,，這是晶體管中最常用的偏置方法。它使用兩個(gè)電阻器來(lái)確認(rèn)電壓是否分離并以正確的電平分配到MOSFET中,。它是通過(guò)兩個(gè)R1和R2并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)的,。電路中的C1和C2耦合電容器保護(hù)偏置直流電壓免受要放大的交流信號(hào)的影響,。最后，將輸出提供給由RL電阻形成的負(fù)載,。偏置或柵極電壓可以由下式給出：
VG = Vsupply x （R2/R1+R2）
其中,，R1和R2的值通常會(huì)很大，以增強(qiáng)放大器的輸入阻抗并降低歐姆功率損耗,。
輸入和輸出電壓（Vin和Vout）
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),，需要考慮沒(méi)有負(fù)載與漏極分支并聯(lián)。輸入電壓 （Vin） 可以通過(guò)柵極 （G） 提供給源 （S） 電壓,，即VGS,。RS電阻上的電壓降可由RS×ID給出。
根據(jù)跨導(dǎo) （gm） 定義,，當(dāng)施加恒定的漏源電壓時(shí),，ID（漏極電流）與 VGS（柵源電壓）的比值，即：
?。╣m） = ID/VGS
因此,，ID = gm×VGS，并且輸入電壓 （Vin） 可以由 VGS 分解,，如下所示：
Vin = V GS x （1+gmRs）
o/p電壓 （Vout） 簡(jiǎn)單地通過(guò)漏極電阻 （RD） 上的電壓降給出：
Vout = – RD x ID = -gmVGS RD
此外,，電壓增益 （AV） 是輸入電壓與輸出電壓的比值。簡(jiǎn)化后,，方程將變?yōu)椋?/p>
Av = – RD/Rs=1/gm
在上述等式中,，符號(hào)“-”來(lái)自MOSFET放大器與BJT CE放大器等效地反轉(zhuǎn)o/p信號(hào)這一原理。因此,，相移為180°或π rad,。
MOSFET放大器的類型
MOSFET放大器有共源極 （CS）、共柵極 （CG） 和共漏極 （CD） 三種類型,，下面分別討論每種類型及其配置,。
1、共源MOSFET放大器
共源放大器可以定義為當(dāng) i/p信號(hào)在柵極 （G） 和源 （S） 的兩端給出時(shí),，o/p電壓可以通過(guò)漏極內(nèi)負(fù)載處的電阻器放大和獲得。在此配置中,，源端子充當(dāng)i/p和o/p之間的公共端子,。
共源MOSFET放大器與BJT的CE（common-emitter）放大器有關(guān)。由于高增益和可以實(shí)現(xiàn)更大的信號(hào)放大,，這非常受歡迎,。
在以下小信號(hào)共源MOSFET放大器中，“RD”電阻測(cè)量漏極 （D） 和接地 （G） 之間的電阻,。這個(gè)小信號(hào)電路可以用下圖所示的混合π模型代替,。因此，在o/p端口內(nèi)感應(yīng)的電流為i = -g m v gs，也就是通過(guò)電流源指定的那樣,。
所以,，vo = -g m v gs R D，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)：
Rin = ∞,， vi = v sig , v gs = v i,，所以開(kāi)路電壓增益為：
A vo = vo/vi = -g m R D
在小信號(hào)電路中，可以通過(guò)諾頓或戴維南等價(jià)來(lái)改變電路中的輸出分?jǐn)?shù),。在這種情況下,，使用諾頓等式更方便。為了驗(yàn)證諾頓等效電阻,，設(shè)置 vi = 0,，這樣電路將是開(kāi)路，因此沒(méi)有電流流動(dòng),。通過(guò)測(cè)試電流技術(shù),，得知o/p電阻為：
R 0 = R D
負(fù)載電阻（RL）通過(guò)RD連接到o/p，則通過(guò)分壓器公式的端電壓增益可以表示為,；
Av = Avo （R L /R L + Ro） = -gm （R D R L /R L + R D ） = -gm（R D ||RL）
根據(jù) Rin =∞的信息,，之后 vi = vsig。因此,，電壓增益 （Gv） 與電壓增益準(zhǔn)確度 （Av） 相似,，即：Gv = v o /v sig = -gm（R D || R L ）
因此，共源MOSFET放大器具有無(wú)限 i/p阻抗,、高o/p電阻和高電壓增益,。輸出電阻可以通過(guò)降低RD來(lái)降低，而電壓增益也可以降低,。與大多數(shù)晶體管放大器一樣,，共源MOSFET放大器的高頻性能較差。
2,、共柵極 （CG） 放大器
共柵 （CG） 放大器通常用作電壓放大器或電流緩沖器,。在CG配置中，晶體管的源極端子 （S） 像輸入一樣工作,，而漏極端子像輸出一樣工作,，柵極端子連接到地 （G）。共柵極放大器配置主要用于在i/p和o/p之間提供高度隔離,，以防止振蕩或減小輸入阻抗,。
共柵放大器等效電路的小信號(hào)模型和T模型如下所示。在“T”模型中,，柵極電流始終為零,。
如果施加的電壓為“Vgs”且源電流為“Vgs*gm”,，則有：
R=V/I=>R=Vgs/Vgsgm=1/gm
由于共柵放大器的輸入電阻較小，可以表示為Rin = 1/gm,。輸入電阻通常為幾百歐姆,，所以o/p電壓可以表示為：
vo = -iR D
其中：i = -vi/1/gm = -gmvi，因此,，開(kāi)路電壓可以表示為：
Avo = vo/vi = g m R D
電路的輸出電阻為 Ro = RD,，因?yàn)樾〉?i/p阻抗對(duì)放大器增益有害。所以通過(guò)分壓器的公式,，可以得到：
Vi/vsig = Rin/ Rin + Rsig = 1/gm/1/gm + Rsig
與vsig 相比,，‘vi' 被衰減，因?yàn)?'Rsig' 通常優(yōu)于1/gm,。一旦負(fù)載電阻“RL”連接到o/p,，那么正確的電壓增益就是：Av = gmR D ||，因此電壓增益表示為：
Gv = （1/gm/Rsig + 1/gm） gm（RD||RL） = RD||RL/Rsig + 1/gm
當(dāng)i/p阻抗較小時(shí),，由最大功率定理可知,，共柵 （CG） 放大器非常適合通過(guò)較小i/p阻抗匹配源，但它會(huì)消耗額外的電流,，涉及信號(hào)源的高功率利用率,。
因此，共柵極MOSFET放大器具有較小的i/p電阻“1/gm”,。所以,，這是不可取的，因?yàn)橐坏┩ㄟ^(guò)輸入電壓驅(qū)動(dòng)它就會(huì)消耗巨大的電流,。當(dāng)RD||RL比Rsig + 1/gm大,，共柵極MOSFET放大器的電壓增益就可以在幅度上與共源放大器的電壓增益相關(guān)。當(dāng)RO = RD 時(shí),，o/p電阻可以很高,，這樣可以看出該放大器的頻率性能很高。
3,、公共漏極放大器或源極MOSFET跟隨器
共漏極 （CD） 放大器是將輸入信號(hào)提供給柵極端子并從源極端子獲得輸出,，從而使漏極 （D） 端子為兩者共用。CD放大器經(jīng)常用作電壓緩沖器來(lái)驅(qū)動(dòng)小型o/p負(fù)載,。這種配置提供了極高的i/p阻抗和低的o/p阻抗,。
共漏極放大器電路類似于BJT的射極跟隨器電路。因此,，它被用作電壓緩沖器。該放大器是一個(gè)單位增益放大器,，包括非常大的輸入阻抗,，盡管它的o/p阻抗較小,。因此，它非常適合與低阻抗電路匹配的高阻抗電路,，否則適用于以較大電源電流工作的電路,。
共漏極放大器的小信號(hào)和T型等效電路如下圖所示。在該電路中,，i/p輸入源可以通過(guò)戴維寧 （vsig） 和電阻器 （Rsig） 的等效電壓來(lái)表示,。負(fù)載電阻器 （RL） 可以連接到源 （S） 和地 （G） 之間的o/p。
由于上述電路的柵極電流 （IG） 為零,，所以：
Rin = ∞
通過(guò)使用分壓器的公式,，注意到電壓增益正確或端電壓增益為：Av = vo/vi = RL/RL + 1/gm
開(kāi)路電壓增益：（RL = ∞） & Avo = 1
o/p電阻可以通過(guò)戴維南等價(jià)改用合適的MOSFET放大器元件來(lái)獲得。通過(guò)在此端使用測(cè)試電流技術(shù),，將Vi值設(shè)置為 0,，因此：Ro = 1/gm
由于無(wú)限輸入阻抗 （Rin），vi = vsig 和總電壓增益,，當(dāng)電壓增益適當(dāng)Av時(shí),，Gv相似，即有：
Gv = Av = RL/RL + 1/gm
由于Ro = 1/gm通常通過(guò)大負(fù)載電阻“RL”很小,，因此增益低于單位增益,，但接近單位增益。因此,，它也是一個(gè)源極跟隨器,，因?yàn)樵礃O電壓隨器i/p電壓，但是,，它可以向o/p提供比i/p電流更大的電流,。
BJT和MOSFET放大器的區(qū)別
下面列出了Mosfet放大器與晶體管放大器之間的區(qū)別：
MOSFET放大器與普通放大器的區(qū)別
MOSFET放大器與普通放大器的區(qū)別在于，放大器是一種電子電路,，用于放大提供給其i/p端子的信號(hào)幅度并產(chǎn)生高幅度信號(hào)作為輸出,。而MOSFET放大器是放大器中的一個(gè)子類別，它使用MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)以相當(dāng)?shù)偷墓奶幚頂?shù)字信號(hào),。
MOSFET放大器的優(yōu)缺點(diǎn)
MOSFET放大器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：
Mosfet放大器具有低損耗,。
通信速度很高。
與晶閘管,，IGBT等其他器件相比,，它更好。
Mosfet放大器占用空間小,，速度快,。
與BJT相比，功耗更低,。
FET放大器具有非常高的i/p阻抗和低的o/p阻抗,。
MOSFET放大器的缺點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：
設(shè)計(jì)比較昂貴
增益很小
MOSFET放大器的主要應(yīng)用
MOSFET放大器的應(yīng)用 包括以下內(nèi)容：
用于信號(hào)放大,。
用于小信號(hào)線性放大器，因?yàn)樗鼈兊母咻斎胱杩故沟眠@些放大器的偏置很容易,。
廣泛用于射頻應(yīng)用,。
是最常用的FET放大器。
總結(jié)
以上就是關(guān)于MOSFET放大器原理,、種類及其應(yīng)用特點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容,，可以看出，在這個(gè)放大器中,，命令信號(hào)是一個(gè)柵極信號(hào),，用于控制源極 （S） 和漏極 （D） 之間的電流流動(dòng)。
當(dāng)然,，與JFET一樣,，柵極電壓的微小變化會(huì)在漏極電流中產(chǎn)生巨大的變化，所以這個(gè)理論事實(shí)會(huì)使MOSFET放大一個(gè)微弱的信號(hào),，因此它起到了放大器的作用,。
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