共源JFET放大器

 

　　放大器電路由 N 溝道 JFET 組成，但該器件也可以是等效的 N 溝道耗盡型 MOSFET，因?yàn)殡娐穲D將相同，只是 FET 發(fā)生變化，以共源配置連接。 JFET柵極電壓Vg通過(guò)電阻R1和R2建立的分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偏置，并且被偏置以在其飽和區(qū)域內(nèi)工作，該飽和區(qū)域相當(dāng)于雙極結(jié)型晶體管的有源區(qū)域。
　　與雙極晶體管電路不同，結(jié)型 FET 實(shí)際上不吸收輸入柵極電流，從而可以將柵極視為開(kāi)路。那么就不需要輸入特性曲線。我們可以將 JFET 與雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 進(jìn)行比較，如下表所示。
　　JFET 與 BJT 比較
　　結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管雙極晶體管
　　門，（G）基地，（ B ）
　　排水，（D）收藏家，（C）
　　來(lái)源，（S）發(fā)射器，（E）
　　柵極電源，( VG  )基礎(chǔ)電源，( V B  )
　　漏極電源 (V DD  )集電極電源，（V CC  ）
　　漏極電流，( I D  )集電極電流，( I C  )
　　由于 N 溝道 JFET 是耗盡型器件并且通常處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，因此需要相對(duì)于源極的負(fù)柵極電壓來(lái)調(diào)制或控制漏極電流。該負(fù)電壓可以通過(guò)單獨(dú)的電源電壓偏置或通過(guò)自偏置布置來(lái)提供，只要即使在沒(méi)有輸入信號(hào)存在且Vg保持柵源 pn 的反向偏置時(shí)也有穩(wěn)定的電流流過(guò) JFET交界處。

　　在我們的簡(jiǎn)單示例中，偏置由分壓器網(wǎng)絡(luò)提供，允許輸入信號(hào)在柵極處產(chǎn)生電壓下降，并通過(guò)正弦信號(hào)在柵極處產(chǎn)生電壓上升。任何合適的電阻值對(duì)以正確的比例都會(huì)產(chǎn)生正確的偏置電壓，因此直流柵極偏置電壓Vg如下所示：

　　源極跟隨器柵極偏置
　　請(qǐng)注意，該等式僅確定電阻器R1和R2的比率，但為了利用 JFET 的極高輸入阻抗并降低電路內(nèi)的功耗，我們需要將這些電阻器值設(shè)置得盡可能高盡可能的，常見(jiàn)的值在 1MΩ 到 10MΩ 的量級(jí)。
　　共源 JFET 放大器的輸入信號(hào) ( Vin ) 應(yīng)用在柵極端子和零電壓軌 (0v) 之間。當(dāng)施加恒定值的柵極電壓Vg時(shí)，JFET 在其“歐姆區(qū)域”內(nèi)工作，就像線性電阻器件一樣。漏極電路包含負(fù)載電阻Rd。輸出電壓Vout是在該負(fù)載電阻上產(chǎn)生的。
　　共源極 JFET 放大器的效率可以通過(guò)添加一個(gè)電阻器Rs來(lái)提高，該電阻器包含在源極引線中，并且流過(guò)該電阻器的漏極電流相同。電阻器Rs還用于設(shè)置 JFET 放大器的“Q 點(diǎn)”。
　　當(dāng) JFET 完全“導(dǎo)通”時(shí)，該電阻器兩端會(huì)產(chǎn)生等于Rs*Id 的壓降，從而使源極端子的電勢(shì)升高到 0v 或地電平以上。由于漏極電流而導(dǎo)致的Rs上的電壓降提供了柵極電阻器R2上必要的反向偏置條件，有效地產(chǎn)生負(fù)反饋。

　　因此，為了保持柵源結(jié)反向偏置，源極電壓Vs需要高于柵極電壓Vg。因此，該源電壓由下式給出：

　　源電壓

　　然后，漏極電流Id也等于源極電流Is ，因?yàn)椤盁o(wú)電流”進(jìn)入柵極端子，這可以表示為：

　　漏極電流
　　與固定電壓偏置電路相比，該分壓器偏置電路提高了由單個(gè)直流電源供電時(shí)共源極 JFET 放大器電路的穩(wěn)定性。電阻器Rs和源極旁路電容器Cs與共發(fā)射極雙極晶體管放大器電路中的發(fā)射極電阻器和電容器的功能基本相同，即提供良好的穩(wěn)定性并防止電壓增益損失的減小。然而，穩(wěn)定的靜態(tài)柵極電壓所付出的代價(jià)是更多的電源電壓在Rs上下降。
　　源旁路電容器的法拉值通常相當(dāng)高，高于 100uF，并且會(huì)被極化。這使得電容器的阻抗值小得多，小于器件跨導(dǎo)gm（表示增益的傳輸系數(shù)）值的 10%。在高頻下，旁路電容器本質(zhì)上起到短路作用，源將有效地直接接地。
　　共源 JFET 放大器的基本電路和特性與共發(fā)射極放大器非常相似。直流負(fù)載線是通過(guò)連接與漏極電流Id和電源電壓Vdd相關(guān)的兩點(diǎn)來(lái)構(gòu)建的，請(qǐng)記住，當(dāng)Id = 0時(shí)：( Vdd = Vds ) 以及當(dāng)Vds = 0時(shí)：( Id = Vdd/R L ) 。因此，負(fù)載線是曲線在 Q 點(diǎn)處的交點(diǎn)，如下所示。

　　共源 JFET 放大器特性曲線

　　共源 JFET 放大器曲線
　　與共發(fā)射極雙極電路一樣，共源 JFET 放大器的直流負(fù)載線產(chǎn)生一個(gè)直線方程，其梯度為：-1/(Rd + Rs)，并且它在A點(diǎn)與垂直Id軸相交，等于Vdd/(Rd + Rs)。負(fù)載線的另一端在B點(diǎn)與水平軸相交，該點(diǎn)等于電源電壓Vdd。
　　DC 負(fù)載線上 Q 點(diǎn)的實(shí)際位置通常位于負(fù)載線的中點(diǎn)（對(duì)于 A 類操作），并由Vg的平均值確定，Vg 是負(fù)偏置的，因?yàn)?JFET 是耗盡型器件。與雙極共發(fā)射極放大器一樣，共源 JFET 放大器的輸出與輸入信號(hào)存在 180 °的異相。
　　使用耗盡型 JFET 的主要缺點(diǎn)之一是它們需要負(fù)偏置。如果該偏置因任何原因失效，柵極-源極電壓可能上升并變?yōu)檎担瑢?dǎo)致漏極電流增加，從而導(dǎo)致漏極電壓Vd失效。
　　此外，結(jié) FET 的高溝道電阻Rds(on)與高靜態(tài)穩(wěn)態(tài)漏極電流相結(jié)合，使得這些器件運(yùn)行溫度較高，因此需要額外的散熱器。然而，通過(guò)使用增強(qiáng)型 MOSFET 器件可以大大減少與使用 JFET 相關(guān)的大多數(shù)問(wèn)題。
　　與等效 JFET 相比，MOSFET 或金屬氧化物半導(dǎo)體 FET 具有高得多的輸入阻抗和低通道電阻。此外，MOSFET 的偏置布置也不同，除非我們對(duì) N 溝道器件施加正向偏置，對(duì) P 溝道器件施加負(fù)向偏置，否則不會(huì)有漏極電流流動(dòng)，那么我們實(shí)際上就擁有了一個(gè)故障安全晶體管。
　　JFET 放大器電流和功率增益
　　我們之前說(shuō)過(guò)，由于柵極阻抗Rg極高，共源 JFET 放大器的輸入電流Ig非常小。因此，共源 JFET 放大器在其輸入和輸出阻抗之間具有非常好的比率，并且對(duì)于任何量的輸出電流，I OUT JFET 放大器將具有非常高的電流增益Ai。
　　由于這種共源極 JFET 放大器作為阻抗匹配電路或用作電壓放大器非常有價(jià)值。同樣，因?yàn)椋汗β?= 電壓 x 電流，(P = V*I) 并且輸出電壓通常為幾毫伏甚至幾伏，因此功率增益Ap也非常高。
　　在下一個(gè)教程中，我們將了解晶體管放大器的不正確偏置如何導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，其形式是由于削波以及相位和頻率失真的影響而導(dǎo)致的幅度失真。