=== 第九章場效電晶體放大電路 ===

=== 第九章場效電晶體放大電路 ===

9-1 FET 放大器工作原理及交流等效電路9-2 共源極放大電路9-3 共汲極放大電路9-4 共閘極放大電路9-5 FET 及 BJT 串級放大電路之比較

第 9章場效電晶體放大電路

9-1 FET 放大器工作原理及交流等效電路

因為各種 FET 放大器的工作原理皆相同，所以本小節將以 N 通道 E-MOSFET 為例，來說明 FET 放大器之工作原理。


FET 作為放大器使用時，如果放大電路沒有直流偏壓而直接加入交流信號時，其交流放大信號輸出為非全週期放大，如圖 9-1(a) 所示輸入輸出 Vgs − Id 交流信號放大特性曲線。因此，為得到全週期放大，必須先將放大電路施予一個特定直流偏壓工作點 Q (VGSQ , IDQ) 後，再輸入交流信號，如圖 9-1(b) 所示。由此可知， FET 放大器之直流偏壓功能和 BJT 放大器相同。


在圖 9-1(b) 中，如果 FET 放大電路之輸入交流信號vgs 電壓夠小時，其放大線段 a 、 b 兩點區域近似於直線，則 FET 之放大特性為線性放大，即輸出為不失真之放大信號 id 電流，否則為非線性放大，如圖9-1(c) 所示。


圖 9-2 為 FET 交流放大電路之各點波形，和 BJT 一樣，只要適當的直流工作點和夠小的輸入信號，就可以得到線性且不失真之輸出信號。若輸出直流偏壓工作點 Q (VDSQ , IDQ ) 靠近歐姆區或截止區時，將造成輸出信號被截波掉而失真。

圖 9-2 電路中，電容 CG 與 CD 為耦合交連電容，功用為阻隔直流及耦合交流信號，和 BJT 放大電路之 CB 與 CC 相同；電容 CS 為旁路電容，功用為提高交流增益值，和 BJT 放大電路之 CE 相同。


只要適當的直流偏壓工作點及夠小的輸入交流信號，能讓輸出放大信號維持在夾止飽和區內，即可得到線性不失真的放大。此時 FET 的交流等效電路模型，如圖 9-3 所示，說明如下：

因為 MOSFET 輸入端的絕緣特性或 JFET 輸入端的逆偏特性，使閘極輸入電流 ig = 0 ，故閘極端交流等效輸入電阻 rig = ∞ 。

　 FET 閘極端交流等效輸入電阻 rig = ∞11


　 FET 交流互導增益（或稱電導增益） g

m

22


　 FET 交流等效輸出電阻 ro33


例題 9-1


例題 9-2


例題 9-3


FET 交流信號放大組態，依輸入端與輸出端之不同，可分為共源極（ common source, CS ）、共汲極（common drain, CD ）及共閘極（ common gate, CG）。 FET 與 BJT 交流信號放大組態之對照，如表9-1 所示。

　 FET 交流信號放大組態11


由上表所示可知， FET 之閘極端不可作為輸出端，相當於 BJT 之基極端不可作為輸出端。


由前述之 FET 交流放大原理說明，可知 FET 交流放大電路求解步驟與 BJT 交流放大電路求解步驟相同，可分為直流分析及交流分析，其求解流程，如圖 9-6 所示。

　 FET 交流放大求解步驟22

9-2 共源極放大電路

共源極（ CS ）放大電路的輸入端為閘極端，輸出端為汲極端，共接端為源極端，且其輸出信號為輸入信號之反相放大。此放大組態相當於 BJT 之共射極（ CE ）放大電路。

圖 9-7(a) 為 E-MOSFET 固定式偏壓共源極放大電路，圖 9-7(b) 為電容視為開路後之直流等效電路。


分析交流時，放大電路中之電容與直流電壓，皆應視為短路，如圖 9-8(a) 交流等效電路。若 FET 之交流等效輸出電阻 ro 很大，可忽略時，由圖 9-8(b) FET 不含 ro 之交流等效電路，可得：

上式負號是因為電流由下往上流過電阻 RD ，所以輸出電壓 Vo 對地為負電壓，其表示共源極放大輸出信號為輸入信號之反相放大，即輸出與輸入相差 180 度。


例題 9-4


圖 9-10(a) 為有旁路電容 CS 之 E-MOSFET 分壓式偏壓共源極放大電路，圖中旁路電容 CS 之作用為提高交流電壓增益，此和 BJT 共射極放大電路之旁路電容 CE 相同。圖 9-10(b) 為交流等效電路。


由交流等效電路，可得電壓增益：

上式結果表示，無旁路電容 CS 之共源極放大電路增益 Av 小於有旁路電容 CS 之共源極放大電路。也就是說，共源極放大電路加入旁路電容 CS ，可提高交流電壓增益。


例題 9-5


例題 9-6


無旁路電容 CS 之共源極放大電路，若 ro ≠∞ 時，因為增益 Av 與輸出電阻 Ro 的計算稍微困難些，所以省略之，請讀者自我挑戰。提示：可先將輸出電流源轉換為電壓源，即可分析得解。


例 9-7 圖為 JFET 自給式偏壓共源極放大電路，交流等效電路如例題 9-7 之解所示。

自給式偏壓不適用於 E-MOSFET ，其說明請參閱第 8 章。


例題 9-7


例 9-8 圖為 E-MOSFET 汲極回授式偏壓共源極放大電路，圖中電容 CP 為反交連電容，其功能為防止輸入與輸出交流信號，經由 RG1 與 RG2 相互影響，其角色類似旁路電容。交流等效電路如例題 9-8 之解所示。

汲極回授式偏壓不適用於 D-MOSFET 與 JFET ，其說明請參閱第 8 章。


例題 9-8

9-3 共汲極放大電路

共汲極（ CD ）放大電路的輸入端為閘極端，輸出端為源極端，共接端為汲極端，且其輸出信號為輸入信號之同相放大。此放大組態相當於 BJT 之共集極（ CC ）放大電路。

圖 9-13(a) 為 E-MOSFET 分壓式偏壓共汲極放大電路，圖 9-13(b) 為交流等效電路。


例題 9-9


例 9-10 圖為 JFET 自給式偏壓共汲極放大電路，交流等效電路如例題 9-10 之解所示。

自給式偏壓不適用於 E-MOSFET ，其說明請參閱第 8 章。


例題 9-10

9-4 共閘極放大電路

共閘極（ CG ）放大電路的輸入端為源極端，輸出端為汲極端，共接端為閘極端，且其輸出信號為輸入信號之同相放大。此放大組態相當於 BJT 之共基極（ CB ）放大電路。

圖 9-16(a) 為 E-MOSFET 分壓式偏壓共閘極放大電路，圖中旁路電容 CG 的功能是確保閘極為交流信號共接地特性。圖 9-16(b) 為交流等效電路。


例題 9-11

9-5 FET 及 BJT 串級放大電路之比較


例題 9-12


若將例 9-12 圖 (a) 與例 9-12 圖 (b) 之旁路電容拿掉，則其電壓增益 Av 分別為何？

12.


為了得到更高的電壓增益值， FET 也可採用串級放大電路，至於 FET 串級放大電路之分析推導與計算，和 BJT 串級放大電路雷同，故先請參閱與複習第7 章之相關章節後，再研讀本小節例題說明。


例題 9-13

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