MOSFET放大器使用以共源配置連接的金屬氧化物硅晶體管

在我們之前關于FET放大器的教程中，我們看到可以使用結場效應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晶體管可用于構建和放大器，在本教程中我們將介紹MOSFET放大器。

金屬氧化物半導體場效應晶體管，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，對于產生線性放大的mosfet，它必須在其飽和區域內工作，這與雙極結型晶體管不同。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”的導電區域或路徑導通。通過施加合適的柵極電位，我們可以使該導電溝道更寬或更小。通過施加該柵極電壓在柵極端子周圍感應的電場影響通道的電特性，因此稱為場效應晶體管。

換句話說，我們通過創建或“增強”其源極和漏極區域之間的導電溝道，可以控制mosfet如何工作，從而產生一種通常稱為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。與雙極晶體管共發射極配置一樣，共源MOSFET mosfet放大器需要偏置在合適的靜態值。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，雙極結型晶體管和FET之間的根本區別在于BJT的端子標記為集電極，發射極和基極，而MOSFET的端子分別標記為漏極，源極和柵極。

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

我們可以看到，對于n溝道MOSFET（NMOS），襯底半導體材料是 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域下方的p型半導體襯底內的電子朝向它。

p型襯底內過量的自由電子導致導電通道出現或增長為p型區域的電特性反轉，有效地將p型襯底轉換為n型材料，允許溝道電流流動。

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

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域周圍，導電溝道變寬。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（非導通）器件，即它們僅在施加合適的柵極 - 源極正電壓時導通，這與耗盡型mosfet不同，后者是正常導通時的導通器件。柵極電壓為零。

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

換句話說，當柵極 - 源極電壓 V GS 小于閾值電壓時，增強型mosfet不導通， 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。

可以認為MOS導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關系。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， gm 。

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

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

這個比例被稱為晶體管靜態或直流跨導，它是“轉移電導”的縮寫，西門子（S）的單位為每伏特的安培數。 mosfet放大器的電壓增益與跨導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不足以產生或“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域，用作開路開關。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，而這種“關閉”狀態由eMOSFET符號中的斷開溝道線表示（與具有連續溝道線的耗盡類型不同）

由于我們現在逐漸增加正柵極 - 源極電壓 V GS ，場效應開始增強溝道區電導率，并且變為通道開始的點進行。這一點稱為閾值電壓 V TH 。隨著我們將 V GS 增加更多，導電溝道隨著漏極電流量變寬（電阻越小）， I D 因此增加。請記住，柵極從不傳導任何電流，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 且其通道導通或飽和當 V GS 高于此閾值水平時。當eMOS晶體管工作在飽和區時，漏極電流 I D 由下式給出：

eMOSFET漏極電流

注意 k （傳導參數）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置的材料和器件幾何形狀有關的具體規范。

右邊的靜態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，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。分壓器偏置網絡的優點在于MOSFET或實際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域。這些區域稱為：歐姆/三極管區域，飽和度/線性區域和夾斷點。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工作點或Q點，因此必須偏置才能在其飽和區域工作。 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。該DC柵極電壓將由偏置電路設置。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（靜態點）都是柵極電壓 V GS 的函數，電源電壓 V DD 和負載電阻 R D 。

MOS晶體管偏置在飽和區域內，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（在輸入正弦波的負半部分期間） ，偏置點沿曲線向下移動，較小的 V GS 導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，我們假設我們要構建一個單級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伏到最接近的整數值。

MOSFETS I D - V DS 特性

我們已經看到，我們可以通過保持構建mosfet正向DC特性的圖形電源電壓 V DD 恒定并增加柵極電壓， 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雙極結型晶體管一樣，我們可以構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。

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點在飽和區中心附近的某處，輸入信號足夠小輸出保持線性。考慮下面的基本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。

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放大器柵極電壓設置為此值，我們選擇電阻值，分壓器網絡內的 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構建共源mosfet放大器，其導通參數為50mA / V 2 和閾值電壓為2.0伏。如果電源電壓為+15伏且負載電阻為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計耦合電容器。如果我們假設我們的mosfet放大器的截止頻率為20Hz，那么考慮到柵極偏置網絡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是產生輸出信號，該輸出信號忠實地再現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域內工作。

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柵極和漏極電壓工作。

mosfet器件的飽和區域是其高于其閾值電壓的恒定電流區域， V TH 。一旦在飽和區域正確偏置，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，通過施加柵極電壓產生的靜電場增強了溝道的導電性，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，漏極電流與飽和區域中的（V GS - V TH ） 2 成比例增加允許它作為放大器運行。