一、场效应管放大电路的三种接法

场效应管的源极、栅极和漏极与晶体管的发射极、基极和集电极相对应，因此在组成放大电路时也有三种接法，即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以 NNN 沟道结型场效应管为例，三种接法的交流通路如图2.6.1所示。其中共栅放大电路很少使用。

二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法及分析估算

与晶体管一样，为了使电路正常放大，必须设置合适的静态工作点，以保证在信号的整个周期内场效应管均工作在恒流区。下面以共源电路为例，说明设置 QQQ 点的几种方法。

1、基本共源放大电路

图2.6.2所示共源放大电路采用的是 NNN 沟道增强型MOS管，为使其工作在恒流区，在输入回路加栅极电源 VGGV_{GG}VGG​，VGGV_{GG}VGG​应大于开启电压 UGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)​；在输出回路加漏极电源 VDDV_{DD}VDD​，它一方面使漏 - 源电压大于预夹断电压以保证管子工作在恒流区，另一方面作为负载的能源；RdR_dRd​与共射放大电路中 RcR_cRc​ 具有完全相同的作用，它将漏极电流 iDi_DiD​ 的变化转换成 uDSu_{DS}uDS​的变化，从而实现电压放大。令 U˙i=0\dot U_i=0U˙i​=0，由于栅 - 源之间是绝缘的，故栅极电流为0，所以 UGSQ=VGGU_{GSQ}=V_{GG}UGSQ​=VGG​。如果已知场效应管的输出特性曲线，那么首先在输出特性中找到 UGS=VGGU_{GS}=V_{GG}UGS​=VGG​的那条曲线（若没有，需测出该曲线），然后作负载线 uDS=VDD−iDRdu_{DS}=V_{DD}-i_DR_duDS​=VDD​−iD​Rd​，如图2.6.3所示，曲线与直线的交点就是 QQQ 点，读其坐标值即得 IDQI_{DQ}IDQ​ 和 UGSQU_{GSQ}UGSQ​。
也可以利用场效应管的电流方程，求出 IDQI_{DQ}IDQ​。因为iD=IDO(uGSUGS(th)−1)2i_D=I_{DO}\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2iD​=IDO​(UGS(th)​uGS​​−1)2所以 IDQI_{DQ}IDQ​ 和 UGSQU_{GSQ}UGSQ​ 分别为IDQ=IDO(VGGUGS(th)−1)2(2.6.1)I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{V_{GG}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2\kern 30pt(2.6.1)IDQ​=IDO​(UGS(th)​VGG​​−1)2(2.6.1)UGSQ=VDD−IDQRd(2.6.2)U_{GSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d\kern 55pt(2.6.2)UGSQ​=VDD​−IDQ​Rd​(2.6.2)为使信号源与放大电路“共地”，也为了采用单电源供电，在实用电路中多采用自给偏压电路和分压式偏置电路。

2、自给偏压电路

图2.6.4(a)所示为 NNN 沟道结型场效应管共源放大电路，也是典型的自给偏压电路。NNN 沟道结型场效应管只有在栅 - 源电压 UGSU_{GS}UGS​ 小于零时才能正常工作。在静态时，由于场效应管栅极电流为零，因而电阻 RgR_gRg​ 的电流为零，栅极电位 UGQU_{GQ}UGQ​ 也为零；而漏极电流 IDQI_{DQ}IDQ​流过源极电阻 RsR_sRs​ 必然产生电压，使源极电位USQ=IDQRsU_{SQ}=I_{DQ}R_sUSQ​=IDQ​Rs​，因此，栅 - 源之间静态电压UGSQ=UGQ−USQ=−IDQRs(2.6.3)U_{GSQ}=U_{GQ}-U_{SQ}=-I_{DQ}R_s\kern 30pt(2.6.3)UGSQ​=UGQ​−USQ​=−IDQ​Rs​(2.6.3)可见，电路是靠源极电阻上的电压为栅 - 源两极提供一个负偏压的，故称为自给偏压。将式(2.6.3)与场效应管的电流方程联立，即可解出 IDQI_{DQ}IDQ​ 和 UGSQU_{GSQ}UGSQ​。
IDQ=IDSS(1−UGSQUGS(off))2(2.6.4)I_{DQ}=I_{DSS}\left(1-\frac{U_{GSQ}}{U_{GS(off)}}\right)^2\kern 40pt(2.6.4)IDQ​=IDSS​(1−UGS(off)​UGSQ​​)2(2.6.4)UDSQ=VDD−IDQ(Rd+Rs)(2.6.5)U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}(R_d+R_s)\kern 40pt(2.6.5)UDSQ​=VDD​−IDQ​(Rd​+Rs​)(2.6.5)图2.6.4(b)所示电路是自给偏压的一种特例，其 UGSQ=0U_{GSQ}=0UGSQ​=0。图中采用耗尽型 NNN 沟道MOS管，因此其栅 - 源之间电压在小于零、等于零和大于零的一定范围内均能正常工作。求解 QQQ 点时，可现在转移特性上求得 UGS=0U_{GS}=0UGS​=0 时的 iDi_DiD​，即 IDQI_{DQ}IDQ​；然后利用式(2.6.2)求出管压降 UDSQ=VDD−IDQRdU_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_dUDSQ​=VDD​−IDQ​Rd​。

3、分压式偏置电路

图2.6.5所示为 NNN 沟道增强型MOS管构成的共源放大电路，它靠 Rg1R_{g1}Rg1​ 与 Rg2R_{g2}Rg2​ 对电源 VDDV_{DD}VDD​ 分压来设置偏压，故称为分压式偏置电路。加粗样式静态时，由于栅极电流为0，所以电阻 Rg3R_{g3}Rg3​ 上的电流为0，栅极电位和源极电位分别为UGQ=UA=Rg1Rg1+Rg2⋅VDD，USQ=IDQRsU_{GQ}=U_A=\frac{R_{g1}}{R_{g1}+R_{g2}}\cdot V_{DD}，U_{SQ}=I_{DQ}R_sUGQ​=UA​=Rg1​+Rg2​Rg1​​⋅VDD​，USQ​=IDQ​Rs​因此，栅 - 源电压UGSQ=UGQ−USQ=Rg1Rg1+Rg2⋅VDD−IDQRs(2.6.6)U_{GSQ}=U_{GQ}-U_{SQ}=\frac{R_{g1}}{R_{g1}+R_{g2}}\cdot V_{DD}-I_{DQ}R_s\kern 10pt(2.6.6)UGSQ​=UGQ​−USQ​=Rg1​+Rg2​Rg1​​⋅VDD​−IDQ​Rs​(2.6.6)与IDQ=IDO(uGSUGS(th)−1)2I_{DQ}=I_{DO}\displaystyle\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2IDQ​=IDO​(UGS(th)​uGS​​−1)2联立可得 IDQI_{DQ}IDQ​ 和 UGSQU_{GSQ}UGSQ​，再利用式(2.6.5)可得管压降 UDSQU_{DSQ}UDSQ​。
电路中的 Rg3\pmb{R_{g3}}Rg3​​Rg3​​​Rg3​ 可取值到几兆欧，以增大输入电阻。

三、场效应管放大电路的动态分析

1、场效应管的低频小信号等效模型

与分析晶体管的 hhh 参数等效模型相同，将场效应管也看成一个二端口网络，栅极于源极之间看成输入端口，漏极与源极之间看成输出端口。以 NNN 沟道增强型MOS管为例，可以认为栅极电流为零，栅 - 源之间只有电压存在。而漏极电流 iDi_DiD​是栅 - 源电压 uGSu_{GS}uGS​ 和漏 - 源电压 uDSu_{DS}uDS​ 的函数，即iD=f(uGS,uDS)i_D=f(u_{GS}, u_{DS})iD​=f(uGS​,uDS​)研究动态信号作用时用全微分表示diD=∂iD∂uGS∣UDSduGS+∂iD∂uDS∣UGSduDS(2.6.7)\textrm di_{D}=\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}\textrm du_{GS}+\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}\textrm du_{DS}\kern 10pt(2.6.7)diD​=∂uGS​∂iD​​∣∣∣​UDS​​duGS​+∂uDS​∂iD​​∣∣∣​UGS​​duDS​(2.6.7)令式中∂iD∂uGS∣UDS=gm(2.6.8)\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}=g_m\kern 117pt(2.6.8)∂uGS​∂iD​​∣∣∣​UDS​​=gm​(2.6.8)∂iD∂uDS∣UGS=1rds(2.6.9)\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}=\frac{1}{r_{ds}}\kern 116pt(2.6.9)∂uDS​∂iD​​∣∣∣​UGS​​=rds​1​(2.6.9)当信号幅值较小时，管子的电流、电压只在 QQQ 点附近变化，因此可以认为在 QQQ 点附近的特性是线性的，gmg_mgm​ 与 rdsr_{ds}rds​ 近似为常数。用交流信号 I˙d\dot I_dI˙d​、U˙gs\dot U_{gs}U˙gs​ 和 U˙ds\dot U_{ds}U˙ds​取代变化量 diD\textrm di_DdiD​、duGS\textrm du_{GS}duGS​ 和 duDS\textrm du_{DS}duDS​，式(2.6.7)可写成I˙d=gmU˙gs+1rds⋅U˙ds(2.6.10)\dot I_d=g_m\dot U_{gs}+\frac{1}{r_{ds}}\cdot\dot U_{ds}\kern 99pt(2.6.10)I˙d​=gm​U˙gs​+rds​1​⋅U˙ds​(2.6.10)根据此式可构造出场效应管的低频小信号作用下的等效模型，如图2.6.6所示。输入回路栅 - 源之间相当于开路；输出回路与晶体管的 hhh 参数等效模型相似，是一个电压 U˙gs\dot U_{gs}U˙gs​控制的电流源和一个电阻 rdsr_{ds}rds​ 并联。可以从场效应管的转移特性曲线上求出 gmg_mgm​ 和 rdsr_{ds}rds​，如图2.6.7所示。从转移特性可知，gmg_mgm​ 是 UDS=UDSQU_{DS}=U_{DSQ}UDS​=UDSQ​ 那条转移特性曲线上 QQQ 点处的导数，即以 QQQ 点为切点的切线斜率。在小信号作用时可用切线来等效 QQQ 点附近的曲线。由于 gmg_mgm​ 是输出回路电流与输入回路电压之比，故称为跨导，其量纲是电导。从输出特性可知，rdsr_{ds}rds​是 UGS=UGSQU_{GS}=U_{GSQ}UGS​=UGSQ​ 这条输出特性曲线上 QQQ 点处斜率的倒数，与 rcer_{ce}rce​ 一样，它描述曲线上翘的程度，rdsr_{ds}rds​ 越大，曲线越平。通常 rdsr_{ds}rds​ 在几十千欧到几百千欧之间，如果外电路的电阻较小时，也可忽略 rdsr_{ds}rds​ 中的电流，将输出回路只等效成一个受控电流源。
对增强型MOS管的电流方程求导可得出 gmg_mgm​ 的表达式。gm=∂iD∂uGS∣UDS=2IDOUGS(th)(uGSUGS(th)−1)∣UDS=2UGS(th)IDOiDg_m=\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}=\frac{2I_{DO}}{U_{GS(th)}}\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)\Big|_{U_{DS}}=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}i_D}gm​=∂uGS​∂iD​​∣∣∣​UDS​​=UGS(th)​2IDO​​(UGS(th)​uGS​​−1)∣∣∣​UDS​​=UGS(th)​2​IDO​iD​​在小信号作用时，可用 IDQI_{DQ}IDQ​ 来近似 iDi_{D}iD​，得出gm≈2UGS(th)IDOIDQ(2.6.11)g_m\approx\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}\kern 40pt(2.6.11)gm​≈UGS(th)​2​IDO​IDQ​​(2.6.11)上式表明，gmg_mgm​ 与 QQQ 点紧密相关，QQQ 点愈高，gmg_mgm​ 愈大。因此，场效应管放大电路与晶体管放大电路相同，QQQ 点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。

2、基本共源放大电路的动态分析

图2.6.2所示基本共源放大电路的交流等效电路如图2.6.8所示，图中采用了MOS管的简化模型，即认为 rds=∞r_{ds}=\inftyrds​=∞。

根据电路可得{A˙u=U˙oU˙i=−I˙dRdU˙gs=−gmU˙gsRdU˙gs=−gmRd(2.6.12a)Ri=∞(2.6.12b)Ro=Rd(2.6.12c)\left\{\begin{matrix}\dot A_u=\displaystyle\frac{\dot U_o}{\dot U_i}=\frac{-\dot I_dR_d}{\dot U_{gs}}=-\frac{g_m\dot U_{gs}R_d}{\dot U_{gs}}=-g_mR_d\kern 10pt(2.6.12a)\\R_i=\infty\kern 165pt(2.6.12b)\\R_o=R_d\kern 163pt(2.6.12c)\end{matrix}\right.⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧​A˙u​=U˙i​U˙o​​=U˙gs​−I˙d​Rd​​=−U˙gs​gm​U˙gs​Rd​​=−gm​Rd​(2.6.12a)Ri​=∞(2.6.12b)Ro​=Rd​(2.6.12c)​与共射放大电路类似，共源放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相，只是共源电路比共射电路的输入电阻大得多。

【例2.6.1】已知图2.6.2所示电路中，VGG=6VV_{GG}=6\,\textrm VVGG​=6V，VDD=12VV_{DD}=12\,\textrm VVDD​=12V，Rd=3kΩR_d=3\,\textrm kΩRd​=3kΩ；场效应管的开启电压 UGS(th)=4VU_{GS(th)}=4\,\textrm VUGS(th)​=4V，IDO=10mAI_{DO}=10\,\textrm{mA}IDO​=10mA。试估算电路的 QQQ 点、A˙u\dot A_uA˙u​ 和 RoR_oRo​。
解：（1）估算静态工作点：已知 UGS=VGG=6VU_{GS}=V_{GG}=6\,\textrm VUGS​=VGG​=6V，则IDQ=IDO(VGGUGS(th)−1)2=[10×(64−1)2]mA=2.5mAI_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{V_{GG}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2=[10\times(\frac{6}{4}-1)^2]\textrm{mA}=2.5\,\textrm{mA}IDQ​=IDO​(UGS(th)​VGG​​−1)2=[10×(46​−1)2]mA=2.5mAUDSQ=VDD−IDQRd=(12−2.5×3)V=4.5VU_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d=(12-2.5\times3)\textrm V=4.5\,\textrm VUDSQ​=VDD​−IDQ​Rd​=(12−2.5×3)V=4.5V（2）估算 A˙u\dot A_uA˙u​ 和 RoR_oRo​：gm=2UGS(th)IDOIDQ=(2410×2.5)mS=2.5mSg_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{4}\sqrt{10\times2.5})\textrm{mS}=2.5\,\textrm{mS}gm​=UGS(th)​2​IDO​IDQ​​=(42​10×2.5​)mS=2.5mSA˙u=−gmRd=−2.5×3=−7.5\dot A_u=-g_mR_d=-2.5\times3=-7.5A˙u​=−gm​Rd​=−2.5×3=−7.5Ro=Rd=3kΩR_o=R_d=3\,\textrm kΩRo​=Rd​=3kΩ

3、基本共漏放大电路的动态分析

基本共漏放大电路如图2.6.9(a)所示，图(b)是它的交流等效电路。可以利用输入回路方程和场效应管的电流方程联立VGG=UGSQ+IDQRsV_{GG}=U_{GSQ}+I_{DQ}R_sVGG​=UGSQ​+IDQ​Rs​IDQ=IDO(UGSQUGS(th)−1)2I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{U_{GSQ}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2IDQ​=IDO​(UGS(th)​UGSQ​​−1)2求出漏极静态电流 IDQI_{DQ}IDQ​ 和栅 - 源静态电压 UGSQU_{GSQ}UGSQ​，再根据输出回路方程求出管压降UDSQ=VDD−IDQRsU_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_sUDSQ​=VDD​−IDQ​Rs​从图(b)可得动态参数A˙u=U˙oU˙i=I˙dRsU˙gs+I˙dRs=gmU˙gsRsU˙gs+gmU˙gsRs=gmRd1+gmRs(2.6.13)\dot A_u=\frac{\dot U_o}{\dot U_i}=\frac{\dot I_dR_s}{\dot U_{gs}+\dot I_dR_s}=\frac{g_m\dot U_{gs}R_s}{\dot U_{gs}+g_m\dot U_{gs}R_s}=\frac{g_mR_d}{1+g_mR_s}\kern 9pt(2.6.13)A˙u​=U˙i​U˙o​​=U˙gs​+I˙d​Rs​I˙d​Rs​​=U˙gs​+gm​U˙gs​Rs​gm​U˙gs​Rs​​=1+gm​Rs​gm​Rd​​(2.6.13)Ri=∞(2.6.14)R_i=\infty\kern211pt(2.6.14)Ri​=∞(2.6.14)分析输出电阻时，将输入端短路，在输出端加交流电压 U˙o\dot U_oU˙o​，如图2.6.10所示，然后求出 IoI_oIo​，则 Ro=Uo/IoR_o=U_o/I_oRo​=Uo​/Io​。这个输出电阻可以根据电路图得出是 RsR_sRs​ 与其左边电路的等效电阻并联，所以仅需求出左边电路的等效电阻即可Ro′=U˙ogmU˙o=1gmR'_o=\frac{\dot U_o}{g_m\dot U_o}=\frac{1}{g_m}Ro′​=gm​U˙o​U˙o​​=gm​1​所以Ro=Rs//1gm(2.6.15)R_o=R_s//\frac{1}{g_m}\kern 60pt(2.6.15)Ro​=Rs​//gm​1​(2.6.15)

【例2.6.2】电路如图2.6.9(a)所示，已知场效应管的开启电压 UGS(th)=3VU_{GS(th)}=3\,\textrm VUGS(th)​=3V，IDO=8mAI_{DO}=8\,\textrm{mA}IDO​=8mA；Rs=3kΩR_s=3\,\textrm kΩRs​=3kΩ；静态时 IDQ=2.5mAI_{DQ}=2.5\,\textrm{mA}IDQ​=2.5mA，场效应管工作在恒流区。试估算电路的A˙u\dot A_uA˙u​、RiR_iRi​ 和 RoR_oRo​。
解： 首先求出 gmg_mgm​gm=2UGS(th)IDOIDQ=(238×2.5)mS≈2.98mSg_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{3}\sqrt{8\times2.5})\textrm {mS}\approx2.98\,\textrm{mS}gm​=UGS(th)​2​IDO​IDQ​​=(32​8×2.5​)mS≈2.98mS然后可得A˙=gmRs1+gmRs≈2.98×31+2.98×3≈0.899\dot A=\frac{g_mR_s}{1+g_mR_s}\approx\frac{2.98\times3}{1+2.98\times3}\approx0.899A˙=1+gm​Rs​gm​Rs​​≈1+2.98×32.98×3​≈0.899Ri=∞R_i=\inftyRi​=∞Ro=Rs//1gm≈3×1/2.983+1/2.98kΩ≈0.302kΩ=302ΩR_o=R_s//\frac{1}{g_m}\approx\frac{3\times1/2.98}{3+1/2.98}\,\textrm kΩ\approx0.302\,\textrm kΩ=302\,ΩRo​=Rs​//gm​1​≈3+1/2.983×1/2.98​kΩ≈0.302kΩ=302Ω场效应管（单极型管）与晶体管（双极型管）相比，最突出的优点是可以组成高输入电阻的放大电路。此外，由于它还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于晶体管的特点，而且便于集成化，构成低功耗电路，所以被广泛地应用于各种电子电路中。