共源JFET放大器探讨：详解其原理和性能特点

发布时间：2019-11-21

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

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共源JFET放大器利用结型场效应晶体管作为关键的有源器件，具备高输入阻抗的特性。尽管双极晶体管通常用于制造晶体管放大器电路（如共射极放大器），但小信号放大器也可以采用场效应晶体管。相比双极型晶体管，这些器件具有更高的输入阻抗和较低的噪声输出，非常适合用于放大输入信号很小的电路。

基于结型场效应晶体管（JFET）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的放大电路设计与双极晶体管电路完全一样，使用了上一节教程中介绍的A类放大器原理。

首先，需要找到适当的静态工作点（Q点），以正确偏置JFET放大器电路并选择适用于大多数场效应晶体管的共源（Common Source，CS）、共漏（Common Drain，CD）或源跟随器（Source Follower，SF）单级放大器配置。

这三种JFET放大器配置分别对应双极晶体管的共射极（Common Emitter）、射极跟随器（Emitter Follower）和共基极（Common Base）配置。在本FET放大器教程中，我们将重点介绍最常用的共源JFET放大器设计。

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通过由电阻器R1和R2设置的分压器网络偏置，并且偏置为在其饱和区内工作，该饱和区相当于双极型结型晶体管的有源区。

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

由于N沟道JFET是一种耗尽模式器件，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。正确比例的任何合适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。

可以通过添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，并且流过该电阻器的漏极电流相同。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。由于漏极电流而导致的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很高，高于100uF，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有关的两点结合而构成的，记住当Id = 0时：（Vdd = Vds）；当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放大器电路由一个N沟道JFET组成，也可以使用等效的N沟道耗尽型MOSFET。与双极晶体管电路不同，JFET几乎不需要输入栅极电流，因此可以将栅极视为开路，并且不需要输入特性曲线。下表比较了JFET和双极晶体管（BJT）。

特性 JFET BJT

输入阻抗非常高中等

输出阻抗中等较低

噪声输出较低较高

在共源JFET放大器中，N沟道JFET通过由电阻器R1和R2构成的分压网络进行偏置。偏置设置在饱和区，这相当于双极晶体管的有源区。为了利用JFET的高输入阻抗并降低功耗，电阻器的值应该尽可能高，一般为1兆欧姆至10兆欧姆。

输入信号Vin施加在栅极端子与零伏电平之间。JFET在其“欧姆区域”内工作，行为类似于线性电阻。漏极电路中有一个负载电阻Rd，输出电压Vout在负载电阻两端产生。

为了提高共源JFET放大器的效率，可以添加一个源极电阻器Rs。电阻器Rs与源极引线并联，并且漏极电流通过该电阻器相同。电阻器Rs也用于设置JFET的静态工作点（Q点）。当JFET完全开启时，源极电压将高于0伏或地电平，因为Rs两端产生了压降。这种压降提供了反向偏置条件，有效地产生了负反馈。

保持栅极-源极结的反向偏置需要使源极电压Vs高于栅极电压Vg。因此，电源电压Vdd可以表示为：

Vdd = Vs + Rs * Id

其中，Id是漏极电流，也等于源极电流。为了保持稳定的直流栅极电压，使用分压器偏置电路比固定电压偏置电路更有效，因为它只需要单个直流电源。电阻器Rs和源极旁路电容器Cs的功能类似于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，提供稳定性并防止电压增益的降低。然而，为了保持静态栅极电压稳定，付出的代价是在Rs两端产生更多的电源电压降。

旁路电容器Cs通常具有较高的法拉值，一般超过100微法，并且需要极化。这使得电容器的阻抗非常小，小于设备的跨导gm（表示增益的传导系数）值的10%。在高频下，旁路电容器基本上起到短路的作用，电源有效地接地。

共源JFET放大器的基本电路和特性与共发射极放大器非常相似。

共源JFET放大器的特性曲线描述了其输入特性和输出特性。以下是共源JFET放大器的特性曲线：

输入特性曲线（ID-VGS）：该曲线显示了漏源电流ID与栅源电压VGS之间的关系。在曲线上，当VGS为负偏置时，漏源电流ID基本保持不变。但是，如果VGS足够大，就会使JFET进入饱和区。

输出特性曲线（ID-VDS）：该曲线显示了漏源电流ID与漏极-源极电压VDS之间的关系。曲线上的点表示不同的栅源电压VGS值。当VGS为负偏置时，曲线呈现出较为线性的特性。

负载线：负载线是由漏极电流ID和漏极电压VDS构成的直线。它代表了共源JFET放大器的直流工作点。在负载线上的Q点表示静态工作点，并且应位于JFET的线性区域。

增益特性曲线：增益特性曲线描述了输入信号与输出信号之间的增益关系。JFET放大器通常具有较高的电压增益和较低的电流增益。

需要注意的是，JFET放大器特性曲线的形状和范围取决于具体的JFET型号和电路设计。不同的JFET参数将导致不同的特性曲线。因此，在实际应用中，选择适当的JFET型号和合适的偏置设置非常重要，以实现所需的放大器特性。

关键词：罗姆放大器