【放大器教程】共源JFET放大器解析

电路

晶体管放大器电路（例如，公共发射极放大器）使用双极晶体管制成，但是小信号放大器也可以使用场效应晶体管制成。与双极型晶体管相比，这些器件具有输入阻抗极高且噪声输出低的优点，因此非常适合在输入信号非常小的放大器电路中使用。
基于结型场效应晶体管或“ JFET”（本教程为N沟道FET）甚至金属氧化物硅FET或“ MOSFET”为基础的放大电路的设计与双极晶体管电路的原理完全相同用于上一教程中介绍的A类放大器电路。
首先，需要找到合适的静态点或“ Q点”，以利用共源（CS），共漏（CD）或源跟随器（SF）的单个放大器配置对JFET放大器电路进行正确偏置以及适用于大多数FET器件的共栅（CG）。
这三种JFET放大器配置对应于使用双极晶体管的共射极，射极跟随器和共基极配置。在有关FET放大器的教程中，我们将介绍流行的Common Source JFET放大器，因为这是使用最广泛的JFET放大器设计。

考虑下面的公共源JFET放大器电路配置。

共源JFET放大器

放大器电路由一个N沟道JFET组成，但是该器件也可以是一个等效的N沟道耗尽型MOSFET，因为电路图只是一个FET的变化而以相同的方式连接在一起，并以公共电源配置连接。JFET栅极电压Vg通过电阻器R1和R2设置的分压器网络偏置，并且偏置为在其饱和区域内工作，该饱和区域等效于双极结型晶体管的有源区域。
与双极型晶体管电路不同，结型FET几乎不需要输入栅极电流，因此可以将栅极视为开路。这样就不需要输入特性曲线。我们可以在下表中将JFET与双极结型晶体管（BJT）进行比较。
JFET与BJT的比较

结型场效应管	双极晶体管
门（G）	底（B）
排水（D）	收集器，（C）
来源（S）	发射极（E）
门极电源（V G ）	基本电源，（V B ）
漏极电源（V DD ）	集电极电源（V CC ）
漏极电流（I D ）	集电极电流，（I C ）

由于N沟道JFET是一种耗尽模式器件，并且通常为“ ON”，因此需要相对于源极的负栅极电压来调制或控制漏极电流。只要不存在输入信号并且Vg保持栅极-源极pn的反向偏置，只要稳定电流流过JFET，就可以通过从单独的电源电压偏置或通过自偏置装置来提供该负电压。交界处。
在我们的简单示例中，通过分压器网络提供偏置，允许输入信号在栅极产生电压下降以及在栅极产生正弦信号的电压上升。任何正确比例的电阻值对都会产生正确的偏置电压，因此直流栅极偏置电压Vg表示为：

请注意，该方程式仅确定电阻器R1和R2的比率，但是为了利用JFET的非常高的输入阻抗并减少电路内的功耗，我们需要将这些电阻器值设为高尽可能以1MΩ至10MΩ的数量级为准。
共源JFET放大器的输入信号（Vin）施加在栅极端子和零伏电压轨（0v）之间。在施加恒定的栅极电压Vg的情况下，JFET像线性电阻器件一样在其“欧姆区域”内工作。漏极电路包含负载电阻Rd。在该负载电阻两端产生输出电压Vout。
可以通过增加一个电阻器来提高公共源极JFET放大器的效率，电阻器Rs包括在源极引线中，并且有相同的漏极电流流过该电阻器。电阻Rs也用于将JFET放大器设置为“ Q点”。
当JFET完全“接通”时，该电阻两端将产生等于Rs * Id的压降，从而使源极端的电势高于0v或接地电平。由于漏极电流引起的Rs两端的电压降为栅极电阻R2两端提供了必要的反向偏置条件，从而有效地产生了负反馈。
因此，为了保持栅极-源极结的反向偏置，源极电压Vs需要高于栅极电压Vg。因此，该电源电压为：

然后漏极电流，编号也等于源电流，是为“否当前”进入栅极端子，这可以被给定为：

与固定电压偏置电路相比，该分压器偏置电路在从单个直流电源供电时提高了共源JFET放大器电路的稳定性。电阻器Rs和源极旁路电容器Cs的功能基本上与公共发射极双极晶体管放大器电路中的发射极电阻器和电容器相同，即，提供良好的稳定性并防止电压增益损失的减小。然而，为稳定的静态栅极电压付出的代价是，更多的电源电压在Rs两端下降。
源旁路电容器的法拉值通常在100uF以上相当高，并且会极化。这使电容器的阻抗值小得多，小于器件的跨导gm（代表增益的传输系数）值的10％。在高频下，旁路电容器基本上起短路的作用，并且电源将有效地直接接地。
共源JFET放大器的基本电路和特性与共发射极放大器的非常相似。直流负载线是通过将与漏极电流Id和电源电压Vdd有关的两点连接起来而构成的，记住当Id = 0时：（Vdd = Vds）和Vds = 0时：（Id = Vdd / R L）。因此，负载线是曲线在Q点处的交点，如下所示。
共源JFET放大器特性曲线

与公共发射极双极电路一样，公共源JFET放大器的DC负载线会产生一条直线方程，其斜率给出为：-1 /（Rd + Rs），并且它在等于A的点处穿过垂直Id轴等于Vdd /（Rd + Rs）。负载线的另一端在等于电源电压Vdd的点B与水平轴交叉。
直流负载线上Q点的实际位置通常位于负载线的中间中心点（用于A类操作），并由Vg的平均值确定，因为JFET是耗尽模式设备。像双极共射极放大器一样，共源JFET放大器的输出与输入信号异相180 o。
使用耗尽型JFET的主要缺点之一是它们需要负偏置。如果该偏压由于任何原因而失效，则栅极-源极电压可能会上升并变为正，从而导致漏极电流增加，从而导致漏极电压Vd失效。
此外，结型FET的高沟道电阻Rds（on），加上高静态稳态漏极电流，也使这些器件发热，因此需要额外的散热器。但是，通过改用增强型MOSFET器件，可以大大减少与使用JFET相关的大多数问题。
与等效的JFET相比，MOSFET或金属氧化物半导体FET具有更高的输入阻抗和较低的沟道电阻。MOSFET的偏置方式也有所不同，除非我们对N沟道器件施加正偏置，而对P沟道器件施加负偏置，则不会有漏极电流流过，那么实际上就是故障保护晶体管。
JFET放大器电流和功率增益前面我们曾说过，由于极高的栅极阻抗Rg，共源JFET放大器的输入电流Ig非常小。因此，共源JFET放大器在其输入阻抗和输出阻抗之间具有非常好的比率，并且对于任何数量的输出电流，JFET放大器的I OUT都将具有非常高的电流增益Ai。
由于这种公共源，JFET放大器作为阻抗匹配电路或用作电压放大器非常有价值。同样，由于：功率=电压x电流（P = V * I），输出电压通常为几毫伏甚至几伏，因此功率增益Ap也很高。