MOSFET放大器原理、种类及其应用特点

放大器是一种电子设备，用于增强输入信号的幅度，它是唱片播放器或CD播放器等音频源以及均衡器、前置放大器和扬声器等其他设备的重要组成部分。放大器的子类别是MOSFET放大器，它使用MOSFET技术以更少的功率处理数字信号。目前，MOSFET放大器是全球99%的微芯片的设计选择。

MOSFET放大器由Dawon Kahng和Mohamed Atalla于1959 年发明和制造，并于1960年初在宾夕法尼亚州匹兹堡的“卡内基梅隆大学”举行的固态器件会议上将其作为“硅-二氧化硅场感应表面器件”推出。

MOSFET放大器概念

使用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 技术的放大器称为MOSFET放大器。MOSFET也称为MOS（金属氧化物硅）晶体管，是一种绝缘栅场效应晶体管，所以这个晶体管是通过硅材料制造的。

MOSFET放大器是最常用的FET放大器，用于放大目的的场效应晶体管主要优点是具有较小的o/p阻抗和最大的i/p阻抗。

MOSFET放大器电路及工作原理

MOSFET放大器简单电路图如下图所示，在该电路中，漏极电压 (VD)、漏极电流 (ID)、栅源电压 (VGS) 以及栅极、源极和漏极的位置通过字母“G”、“S”和“ D”。

通常情况下，MOSFET在线性/欧姆、截止以及饱和三个区域工作。在这三个区域中，当MOSFET用作放大器时，它们应该工作在欧姆区域，当施加的电压增加时，流经器件的电流会增加。

MOSFET可在许多应用中用作小信号线性放大器。通常，在放大器电路中，场效应晶体管工作在饱和区。因此，在该区域中，电流的流动不取决于漏极电压 (VD)。简单来说，电流是栅极电压 (VG) 的主要函数。在这些放大器中，通常工作点在饱和区域内。

在MOSFET放大器中，栅极电压的微小变化将在漏极电流中产生很大的变化，就像在JFET中一样。因此，MOSFET会增加微弱信号的强度，所以它可以充当放大器。

MOSFET放大器工作过程

通过将源极、漏极、负载电阻和耦合电容连接到上述电路，可以设计一个完整的MOSFET放大器电路，MOSFET放大器的偏置电路如下所示：

上述偏置电路包括分压器，其主要作用是对晶体管进行单向偏置。因此，这是晶体管中最常用的偏置方法。它使用两个电阻器来确认电压是否分离并以正确的电平分配到MOSFET中。它是通过两个R1和R2并联电阻实现的。电路中的C1和C2耦合电容器保护偏置直流电压免受要放大的交流信号的影响。最后，将输出提供给由RL电阻形成的负载。偏置或栅极电压可以由下式给出：

VG = Vsupply x (R2/R1+R2)

其中，R1和R2的值通常会很大，以增强放大器的输入阻抗并降低欧姆功率损耗。

输入和输出电压（Vin和Vout）

为了简单起见，需要考虑没有负载与漏极分支并联。输入电压 (Vin) 可以通过栅极 (G) 提供给源 (S) 电压，即VGS。RS电阻上的电压降可由RS×ID给出。

根据跨导 (gm) 定义，当施加恒定的漏源电压时，ID（漏极电流）与 VGS（栅源电压）的比值，即：

(gm) = ID/VGS

因此，ID = gm×VGS，并且输入电压 (Vin) 可以由 VGS 分解，如下所示：

Vin = V GS x (1+gmRs)

o/p电压 (Vout) 简单地通过漏极电阻 (RD) 上的电压降给出：

Vout = – RD x ID = -gmVGS RD

此外，电压增益 (AV) 是输入电压与输出电压的比值。简化后，方程将变为：

Av = – RD/Rs=1/gm

在上述等式中，符号“-”来自MOSFET放大器与BJT CE放大器等效地反转o/p信号这一原理。因此，相移为180°或π rad。

MOSFET放大器的类型

MOSFET放大器有共源极 (CS)、共栅极 (CG) 和共漏极 (CD) 三种类型，下面分别讨论每种类型及其配置。

1、共源MOSFET放大器

共源放大器可以定义为当 i/p信号在栅极 (G) 和源 (S) 的两端给出时，o/p电压可以通过漏极内负载处的电阻器放大和获得。在此配置中，源端子充当i/p和o/p之间的公共端子。

共源MOSFET放大器与BJT的CE（common-emitter）放大器有关。由于高增益和可以实现更大的信号放大，这非常受欢迎。

在以下小信号共源MOSFET放大器中，“RD”电阻测量漏极 (D) 和接地 (G) 之间的电阻。这个小信号电路可以用下图所示的混合π模型代替。因此，在o/p端口内感应的电流为i = -g m v gs，也就是通过电流源指定的那样。

所以，vo = -g m v gs R D，通过观察可以发现：

Rin = ∞, vi = v sig , v gs = v i，所以开路电压增益为：

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

在小信号电路中，可以通过诺顿或戴维南等价来改变电路中的输出分数。在这种情况下，使用诺顿等式更方便。为了验证诺顿等效电阻，设置 vi = 0，这样电路将是开路，因此没有电流流动。通过测试电流技术，得知o/p电阻为：

R 0 = R D

负载电阻（RL）通过RD连接到o/p，则通过分压器公式的端电压增益可以表示为；

Av = Avo (R L /R L + Ro) = -gm (R D R L /R L + R D ) = -gm(R D ||RL)

根据 Rin =∞的信息，之后 vi = vsig。因此，电压增益 (Gv) 与电压增益准确度 (Av) 相似，即：Gv = v o /v sig = -gm(R D || R L )

因此，共源MOSFET放大器具有无限 i/p阻抗、高o/p电阻和高电压增益。输出电阻可以通过降低RD来降低，而电压增益也可以降低。与大多数晶体管放大器一样，共源MOSFET放大器的高频性能较差。

2、共栅极 (CG) 放大器

共栅 (CG) 放大器通常用作电压放大器或电流缓冲器。在CG配置中，晶体管的源极端子 (S) 像输入一样工作，而漏极端子像输出一样工作，栅极端子连接到地 (G)。共栅极放大器配置主要用于在i/p和o/p之间提供高度隔离，以防止振荡或减小输入阻抗。

共栅放大器等效电路的小信号模型和T模型如下所示。在“T”模型中，栅极电流始终为零。

如果施加的电压为“Vgs”且源电流为“Vgs*gm”，则有：

R=V/I=>R=Vgs/Vgsgm=1/gm

由于共栅放大器的输入电阻较小，可以表示为Rin = 1/gm。输入电阻通常为几百欧姆，所以o/p电压可以表示为：

vo = -iR D

其中：i = -vi/1/gm = -gmvi，因此，开路电压可以表示为：

Avo = vo/vi = g m R D

电路的输出电阻为 Ro = RD，因为小的 i/p阻抗对放大器增益有害。所以通过分压器的公式，可以得到：

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

与vsig 相比，'vi' 被衰减，因为 'Rsig' 通常优于1/gm。一旦负载电阻“RL”连接到o/p，那么正确的电压增益就是：Av = gmR D ||，因此电压增益表示为：

Gv = (1/gm/Rsig + 1/gm) gm(RD||RL) = RD||RL/Rsig + 1/gm

当i/p阻抗较小时，由最大功率定理可知，共栅 (CG) 放大器非常适合通过较小i/p阻抗匹配源，但它会消耗额外的电流，涉及信号源的高功率利用率。

因此，共栅极MOSFET放大器具有较小的i/p电阻“1/gm”。所以，这是不可取的，因为一旦通过输入电压驱动它就会消耗巨大的电流。当RD||RL比Rsig + 1/gm大，共栅极MOSFET放大器的电压增益就可以在幅度上与共源放大器的电压增益相关。当RO = RD 时，o/p电阻可以很高，这样可以看出该放大器的频率性能很高。

3、公共漏极放大器或源极MOSFET跟随器

共漏极 (CD) 放大器是将输入信号提供给栅极端子并从源极端子获得输出，从而使漏极 (D) 端子为两者共用。CD放大器经常用作电压缓冲器来驱动小型o/p负载。这种配置提供了极高的i/p阻抗和低的o/p阻抗。

共漏极放大器电路类似于BJT的射极跟随器电路。因此，它被用作电压缓冲器。该放大器是一个单位增益放大器，包括非常大的输入阻抗，尽管它的o/p阻抗较小。因此，它非常适合与低阻抗电路匹配的高阻抗电路，否则适用于以较大电源电流工作的电路。

共漏极放大器的小信号和T型等效电路如下图所示。在该电路中，i/p输入源可以通过戴维宁 (vsig) 和电阻器 (Rsig) 的等效电压来表示。负载电阻器 (RL) 可以连接到源 (S) 和地 (G) 之间的o/p。

由于上述电路的栅极电流 (IG) 为零，所以：

Rin = ∞

通过使用分压器的公式，注意到电压增益正确或端电压增益为：Av = vo/vi = RL/RL + 1/gm

开路电压增益：(RL = ∞) & Avo = 1

o/p电阻可以通过戴维南等价改用合适的MOSFET放大器元件来获得。通过在此端使用测试电流技术，将Vi值设置为 0，因此：Ro = 1/gm

由于无限输入阻抗 (Rin)，vi = vsig 和总电压增益，当电压增益适当Av时，Gv相似，即有：

Gv = Av = RL/RL + 1/gm

由于Ro = 1/gm通常通过大负载电阻“RL”很小，因此增益低于单位增益，但接近单位增益。因此，它也是一个源极跟随器，因为源极电压随器i/p电压，但是，它可以向o/p提供比i/p电流更大的电流。

BJT和MOSFET放大器的区别

下面列出了Mosfet放大器与晶体管放大器之间的区别：

BJT放大器	MOSFET放大器
BJT包括发射极、基极和集电极三个端子。	MOSFET包括三个端子，如源极、漏极和栅极。
使用共发射极、共基极和共集电极三种配置。	使用共源、共漏和共栅三种配置。
BJT的输入阻抗较小。	在MOSFET放大器中，除CG放大器外，CS和CD具有高输入阻抗
具有更高的跨导。	跨导较小。
BJT很常见，因为它们具有更广泛的商业可访问性和更长的历史。	这些是分立电路放大器。
BJT 放大器用于需要较小输入阻抗的地方。CB放大器用于前置放大器、动圈麦克风、UGHF和VHF射频放大器。	MOSFET放大器适用于基于射频的应用，也可用于音响系统。MOSFET的开关动作可用于制作斩波电路。

MOSFET放大器与普通放大器的区别

MOSFET放大器与普通放大器的区别在于，放大器是一种电子电路，用于放大提供给其i/p端子的信号幅度并产生高幅度信号作为输出。而MOSFET放大器是放大器中的一个子类别，它使用MOSFET或金属氧化物半导体场效应晶体管技术以相当低的功耗处理数字信号。

MOSFET放大器的优缺点

MOSFET放大器的优点包括以下几个方面内容：

• Mosfet放大器具有低损耗。
• 通信速度很高。
• 与晶闸管，IGBT等其他器件相比，它更好。
• Mosfet放大器占用空间小，速度快。
• 与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放大器的缺点包括以下几个方面内容：

• 设计比较昂贵
• 增益很小

MOSFET放大器的主要应用

MOSFET放大器的应用 包括以下内容：

• 用于信号放大。
• 用于小信号线性放大器，因为它们的高输入阻抗使得这些放大器的偏置很容易。
• 广泛用于射频应用。
• 是最常用的FET放大器。

总结

以上就是关于MOSFET放大器原理、种类及其应用特点的相关内容，可以看出，在这个放大器中，命令信号是一个栅极信号，用于控制源极 (S) 和漏极 (D) 之间的电流流动。

当然，与JFET一样，栅极电压的微小变化会在漏极电流中产生巨大的变化，所以这个理论事实会使MOSFET放大一个微弱的信号，因此它起到了放大器的作用。