放大器是一種電子設備，用于增強輸入信號的幅度，它是唱片播放器或CD播放器等音頻源以及均衡器、前置放大器和揚聲器等其他設備的重要組成部分。放大器的子類別是MOSFET放大器，它使用MOSFET技術以更少的功率處理數字信號。目前，MOSFET放大器是全球99%的微芯片的設計選擇。

MOSFET放大器由Dawon Kahng和Mohamed Atalla于1959 年發明和制造，并于1960年初在賓夕法尼亞州匹茲堡的“卡內基梅隆大學”舉行的固態器件會議上將其作為“硅-二氧化硅場感應表面器件”推出。

MOSFET放大器概念

使用金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 技術的放大器稱為MOSFET放大器。MOSFET也稱為MOS(金屬氧化物硅)晶體管，是一種絕緣柵場效應晶體管，所以這個晶體管是通過硅材料制造的。

MOSFET放大器是最常用的FET放大器，用于放大目的的場效應晶體管主要優點是具有較小的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、截止以及飽和三個區域工作。在這三個區域中，當MOSFET用作放大器時，它們應該工作在歐姆區域，當施加的電壓增加時，流經器件的電流會增加。

MOSFET可在許多應用中用作小信號線性放大器。通常，在放大器電路中，場效應晶體管工作在飽和區。因此，在該區域中，電流的流動不取決于漏極電壓 (VD)。簡單來說，電流是柵極電壓 (VG) 的主要函數。在這些放大器中，通常工作點在飽和區域內。

在MOSFET放大器中，柵極電壓的微小變化將在漏極電流中產生很大的變化，就像在JFET中一樣。因此，MOSFET會增加微弱信號的強度，所以它可以充當放大器。

MOSFET放大器工作過程

通過將源極、漏極、負載電阻和耦合電容連接到上述電路，可以設計一個完整的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，其主要作用是對晶體管進行單向偏置。因此，這是晶體管中最常用的偏置方法。它使用兩個電阻器來確認電壓是否分離并以正確的電平分配到MOSFET中。它是通過兩個R1和R2并聯電阻實現的。電路中的C1和C2耦合電容器保護偏置直流電壓免受要放大的交流信號的影響。最后，將輸出提供給由RL電阻形成的負載。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的值通常會很大，以增強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)

為了簡單起見，需要考慮沒有負載與漏極分支并聯。輸入電壓 (Vin) 可以通過柵極 (G) 提供給源 (S) 電壓，即VGS。RS電阻上的電壓降可由RS×ID給出。

根據跨導 (gm) 定義，當施加恒定的漏源電壓時，ID(漏極電流)與 VGS(柵源電壓)的比值，即：

(gm) = 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) 簡單地通過漏極電阻 (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。簡化后，方程將變為：

Av = – RD/Rs=1/gm

在上述等式中，符號“-”來自MOSFET放大器與BJT CE放大器等效地反轉o/p信號這一原理。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 i/p信號在柵極 (G) 和源 (S) 的兩端給出時，o/p電壓可以通過漏極內負載處的電阻器放大和獲得。在此配置中，源端子充當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。由于高增益和可以實現更大的信號放大，這非常受歡迎。

在以下小信號共源MOSFET放大器中，“RD”電阻測量漏極 (D) 和接地 (G) 之間的電阻。這個小信號電路可以用下圖所示的混合π模型代替。因此，在o/p端口內感應的電流為i = -g m v gs，也就是通過電流源指定的那樣。

所以，vo = -g m v gs R D，通過觀察可以發現：

Rin = ∞, vi = v sig , v gs = v i，所以開路電壓增益為：

A vo = vo/vi = -g m R D

在小信號電路中，可以通過諾頓或戴維南等價來改變電路中的輸出分數。在這種情況下，使用諾頓等式更方便。為了驗證諾頓等效電阻，設置 vi = 0，這樣電路將是開路，因此沒有電流流動。通過測試電流技術，得知o/p電阻為：

R 0 = R D

負載電阻(RL)通過RD連接到o/p，則通過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 Rin =∞的信息，之后 vi = vsig。因此，電壓增益 (Gv) 與電壓增益準確度 (Av) 相似，即：Gv = v o /v sig = -gm(R D || R L )

因此，共源MOSFET放大器具有無限 i/p阻抗、高o/p電阻和高電壓增益。輸出電阻可以通過降低RD來降低，而電壓增益也可以降低。與大多數晶體管放大器一樣，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，因為小的 i/p阻抗對放大器增益有害。所以通過分壓器的公式，可以得到：

Vi/vsig = Rin/ Rin + Rsig = 1/gm/1/gm + Rsig

與vsig 相比，’vi’ 被衰減，因為 ‘Rsig’ 通常優于1/gm。一旦負載電阻“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i/p阻抗較小時，由最大功率定理可知，共柵 (CG) 放大器非常適合通過較小i/p阻抗匹配源，但它會消耗額外的電流，涉及信號源的高功率利用率。

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，因為一旦通過輸入電壓驅動它就會消耗巨大的電流。當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。當RO = RD 時，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放大器經常用作電壓緩沖器來驅動小型o/p負載。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輸入源可以通過戴維寧 (vsig) 和電阻器 (Rsig) 的等效電壓來表示。負載電阻器 (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

開路電壓增益：(RL = ∞) & Avo = 1

o/p電阻可以通過戴維南等價改用合適的MOSFET放大器元件來獲得。通過在此端使用測試電流技術，將Vi值設置為 0，因此：Ro = 1/gm

由于無限輸入阻抗 (Rin)，vi = vsig 和總電壓增益，當電壓增益適當Av時，Gv相似，即有：

Gv = Av = RL/RL + 1/gm

由于Ro = 1/gm通常通過大負載電阻“RL”很小，因此增益低于單位增益，但接近單位增益。因此，它也是一個源極跟隨器，因為源極電壓隨器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放大器的區別

下面列出了Mosfet放大器與晶體管放大器之間的區別：

MOSFET放大器與普通放大器的區別

MOSFET放大器與普通放大器的區別在于，放大器是一種電子電路，用于放大提供給其i/p端子的信號幅度并產生高幅度信號作為輸出。而MOSFET放大器是放大器中的一個子類別，它使用MOSFET或金屬氧化物半導體場效應晶體管技術以相當低的功耗處理數字信號。

MOSFET放大器的優缺點

MOSFET放大器的優點包括以下幾個方面內容：

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放大器的缺點包括以下幾個方面內容：

設計比較昂貴

增益很小

MOSFET放大器的主要應用

MOSFET放大器的應用 包括以下內容：

用于信號放大。

用于小信號線性放大器，因為它們的高輸入阻抗使得這些放大器的偏置很容易。

廣泛用于射頻應用。

是最常用的FET放大器。

總結

以上就是關于MOSFET放大器原理、種類及其應用特點的相關內容，可以看出，在這個放大器中，命令信號是一個柵極信號，用于控制源極 (S) 和漏極 (D) 之間的電流流動。

當然，與JFET一樣，柵極電壓的微小變化會在漏極電流中產生巨大的變化，所以這個理論事實會使MOSFET放大一個微弱的信號，因此它起到了放大器的作用。

審核編輯：湯梓紅