什么是MOSFET放大器：工作原理及其应用

放大器是一种电气设备，用于增强输入信号的幅度。它是录音机或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放大器其使用MOSFET技术通过使用较少的功率来处理数字信号。目前，MOSFET放大器是全球99%微芯片的设计选择。

MOSFET放大器是由Dawon Kahng和Mohamed Atalla于1959年发明和制造的。之后，他们于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“二氧化硅场诱导表面器件”推出。本文概述了MOSFET放大器及其应用。

什么是MOSFET放大器？

使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术的放大器被称为MOSFET放大器。MOSFET也被称为MOS（金属氧化物硅）晶体管，它是一种绝缘栅极场效应晶体管。所以这个晶体管是用硅材料制造的。

这种放大器是最常用的FET放大器。用于放大目的的场效应晶体管的主要优点是它具有较小的o/p阻抗和最大的i/p阻抗。

MOSFET放大器电路及其工作

MOSFET放大器电路如下所示。MOSFET放大器的简单电路图如下所示。在该电路中，漏极电压（VD）、漏极电流（ID）、栅极-源极电压（VGS）以及栅极、源极和漏极的位置通过字母“G”、“S”和“D”提及。

通常，MOSFET工作在三个区域，如线性/欧姆或截止和饱和。在这三个区域中，当MOSFET被用作放大器时，它们应该在欧姆区域中操作，其中当施加的电压增加时，流过器件的电流增加。

MOSFET可以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，场效应晶体管在饱和区域内工作。因此，在该区域中，电流的流动不取决于漏极电压（VD），而电流只是栅极电压（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产生漏极电流的巨大变化，就像在JFET中一样。因此，MOSFET会增加弱信号的强度；因此，它起到了放大器的作用。

MOSFET放大器工作

一个完整的MOSFET放大器电路可以通过包括源极、漏极、负载电阻器和与上述电路的耦合电容来设计。MOSFET放大器的偏置电路如下所示。

上述偏置电路包括分压器，其主要功能是以一种方式偏置晶体管。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分离的，并以正确的电平分布到MOSFET中。它是通过两个R1和R2并联电阻器实现的。电路中的C1和C2耦合电容器保护偏置直流电压不受待放大的交流信号的影响。最后，将输出提供给由RL电阻器形成的负载。偏置或栅极电压可以由下式给出

VG=电源x（R2/R1+R2）

这里，R1和R2值通常较大，以增强放大器的输入阻抗，并减少欧姆功率损耗。

输入和输出电压（Vin和Vout）

为了更简单，我们需要考虑没有负载与漏极支路并联。输入电压（Vin）可以像VGS一样通过栅极（G）到源极（S）的电压来给出。RS电阻器两端的电压降可以由RS×ID给出。

根据跨导（gm）定义，一旦施加恒定的漏极-源极电压，ID（漏极电流）与VGS（栅源极电压）的比率。

（gm）=内径/VGS

因此，ID=gm×VGS和输入电压（Vin）可以通过VGS来计算，如下所示。

Vin=电压<sub>天然气x（1+克米）

o/p电压（Vout）简单地通过漏极电阻器（RD）两端的电压降给出

Vout=–RD x ID=-gmVGS RD

电压增益

电压增益（AV）是输入电压和输出电压的比值。经过简化后，方程将变为

Av=–RD/Rs=1/gm

在上述方程中，符号“-”来自MOSFET放大器将o/p信号反相的事实，与BJT CE放大器等效。因此，相移是180°或πrad。

MOSFET放大器的类型

MOSFET放大器有三种类型，如公共源极（CS）、公共栅极（CG）和公共漏极（CD），下面将讨论每种类型及其配置。

共源MOSFET放大器

共源放大器可以定义为，当在栅极（G）和源极（S）的两个端子上都给出i/p信号时，o/p电压可以被放大并在漏极（D）端子内的负载处的电阻器两端获得。在该配置中，源极端子充当i/p和o/p之间的公共端子。

公共源极MOSFET放大器与BJT的CE（公共发射极）放大器有关。这是非常受欢迎的，因为可以实现高增益和更大的信号放大。共源MOSFET放大器的小信号和混合π模型如下所示。

在以下小信号CS MOSFET放大器中，“RD”电阻器测量漏极（D）和接地（G）之间的电阻。这个小信号电路可以被下图所示的混合-π模型所取代。因此，o/p端口内感应的电流为i=−g_米v_天然气如通过电流源指定的。因此

vo=−克_米v_天然气R_D

通过检查，人们观察到

R_在里面=∞，vi=v_信号v_天然气=伏_我

因此开路的电压增益为

A._沃=沃/维=−克_米R_D

人们可以用Th´evenin等效来代替由源驱动的线性电路。

从小信号电路中，可以通过Norton或Thevenin等效来改变电路中的输出分数。在这种情况下，使用Norton等效更方便。要验证Norton等效电阻，请将vi设置为0，这样电路将为开路，因此没有电流。通过测试电流技术，o/p电阻为

R₀=R_D

负载电阻器（RL）连接到RD两端的o/p，然后通过分压器公式获得的端子电压增益可以表示为：；

Av=Avo（R_L/对_L+Ro）=−克（R_DR_L/对_L+对_D)=−克（R_D||RL）

根据Rin=∞的信息，在此之后vi=vsig。因此电压增益（Gv）与电压增益精确（Av）相似，

Gv=伏_哦/五_信号=−克（R_D||对_L)

因此，CS MOSFET放大器具有无限的i/p阻抗、高o/p电阻和高电压增益。可以通过减小RD来减小输出电阻，但是也可以减小电压增益。像大多数晶体管放大器一样，CS MOSFET放大器的高频性能较差。

共栅（CG）放大器

公共栅极（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（S）像输入端一样工作，而漏极端像输出端一样工作&栅极端子连接到地（G）。共栅放大器配置主要用于在i/p和o/p之间提供高隔离，以防止振荡或降低输入阻抗。

公共门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”，而源极的电流为“Vgs*gm”，则：

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

这里，共栅放大器具有较小的输入电阻，其可以给出为Rin=1/g。

 

输入电阻通常为几百欧姆。o/p电压可以给出为

vo=−iR_D

哪里i=−vi/1/gm=−gmvi

因此，开路电压可以给出为

Avo=沃/维=克_米R_D

电路的输出电阻为Ro=RD

小的i/p阻抗对放大器增益有害。所以通过分压器的公式，我们可以得到

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

与vsig相比，“vi”衰减，因为“Rsig”通常优于1/gm。

一旦负载电阻器“RL”连接到o/p，则获得正确的电压增益

Av=克重比_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，由于最大功率定理，通过较小的i/p阻抗匹配源是非常好的；然而，它吸收额外的电流，涉及来自信号源的高功率利用率。

因此，共栅MOSFET放大器具有较小的i/p电阻“1/gm”。因此，这是不可取的，因为一旦通过输入电压驱动它，它将汲取巨大的电流。一旦RD||RL与Rsig+1/gm相比可以变大，就可以使CG放大器的电压增益在幅度上与共源放大器的电压放大器的增益相关。当Ro＝RD时，o/p电阻可以很高。该放大器的频率性能很高。

公共漏极放大器或源极MOSFET跟随器

公共漏极（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）端子对两者都是公共的。CD放大器经常被用作电压缓冲器来驱动小的o/p负载。这种配置提供了极高的i/p阻抗和较低的o/p阻抗。

该公共漏极放大器电路类似于BJT的发射极跟随器电路。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o/p阻抗较小。因此，高阻抗电路与低阻抗电路匹配是非常好的，否则与工作电流较大的电路匹配。

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

由于上述电路的栅极电流（IG）为零，

Rin=∞

通过使用分压器的公式，可以注意到电压增益的正确性或端子电压的增益

Av=vo/vi=RL/RL+1/gm

开路的电压增益（RL=∞）和Avo=1

通过Thevenin等效，可以通过改变MOSFET放大器的正确元件来获得o/p电阻。通过在这一端使用测试电流技术，可以将Vi值设置为0，因此

     Ro=1/gm

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

Gv=Av=RL/RL+1/gm

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

MOSFET放大器已解决问题

下面将讨论mosfet放大器的示例问题。

示例1：

采用n沟道mosfet设计了一种具有公共源极的mosfet放大器。其阈值电压（Vth）为1.5伏，传导参数（K）为40mA/V2。如果电源电压为+20伏，则负载电阻器（RL）为450欧姆。找出将MOSFET放大器偏置到1/4（VDD）所需的电阻值。对于无失真和对称的o/p波形，将MOSFET漏极端子的直流偏置电压固定为电源电压的一半。

解决方案：

给定值为VDD=+20v，Vth=+1.5v，k=40mA/V2和RD=450Ω。

1). 漏极电流（I_D)

五、_D=伏_日/2=20/2=10伏

我_D=伏_D/对_D=10/450=22毫安

2). 栅极-源极电压（V_天然气)

我_D=k（V_天然气-五^真实航向)^2

五、_天然气=√I_D/K+Vth=√0.022/0.04+1.5=2.241V

3). 栅极电压（V_G)

五、_G=1/3伏直流电=>20/3=6.6V

五、_G=五、_天然气+五_S=>

五、_s=五、_G–V_天然气=6.6–2.24=4.36伏

一旦在MOSFET上施加KVL，则漏极-源极电压&V_数据集可以给出为

五、_日=伏_D+五_数据集+五_S

五、_数据集=伏_日–V_D–V_S

五、_数据集=20–10–4.36=5.64伏

4).源电阻（R_S)

R_S=伏_S/我_D=4.36/0.022=198.18欧姆

像R1和R2这样的分压电阻比是提供1/3VDD所必需的，测量为：；

VG=VDD（R2/R1+R2）

如果我们使用R1=1000Ω和R2=500Ω，这将满足VG=1/3VDD条件。此外，偏置电阻器组合将为MOSFET放大器67kΩ提供i/p电阻。

我们可以通过测量输入和输出耦合电容器的值来获得这种设计的一个额外步骤。如果mosfet放大器的较低截止频率为20Hz，则使用两个电容器值来计算栅极偏置网络的输入阻抗，如下所示：

Rin=R1XR2/R1+R2=100X50/100+50=33千欧姆

f_（-3DB）)=20赫兹=1/2πRinC

C=1/2πfRin=>1/2πx20x33000=>1/4 4144800=>0.24 uF

因此，给出了单级MOSFET放大器的最终电路为；

示例2：

以下CD MOSFET放大器电路包括分压器偏置，两个电阻器，如R1=2.5 M Ohm和R2=1.5 M Ohm，分别为，那么Rin值是多少？

给定的数据为；R1=2.5兆欧姆，R2=1.5兆欧姆

因此，Rin=R1 | | R2=>R1xR2/R1+R2

将上述方程中的值代入，我们就可以得到Rin值。

Rin=2.5×1.5/2.5+1.5

Rin=2.5兆欧姆x1.5兆欧姆/4M欧姆

Rin=3.75/4=937.5 K欧姆

BJT和MOSFET放大器的区别

这个Mosfet放大器与晶体管放大器之间的差异如下所示。

BJT放大器	MOSFET放大器
BJT包括三个端子，如发射极、基极和集电极。	MOSFET包括三个端子，如源极、漏极和栅极。
这种晶体管使用三种配置，如公共发射极、公共基极和公共集电极。	该晶体管使用三种配置，如公共源极、公共漏极和公共栅极。
BJT的输入阻抗较小	在MOSFET放大器中，除了CG放大器外，CS和CD具有高输入阻抗
BJT放大器具有更高的跨导	它的跨导较小
BJT由于其更广泛的商业可及性和更长的历史而很常见。	这些是离散电路放大器
在需要较少输入阻抗的情况下使用BJT放大器。CB放大器用于前置放大器、动圈麦克风、UGHF和VHF RF放大器。	MOSFET放大器适用于基于RF的应用，也可用于音响系统。MOSFET开关动作可用于制作斩波电路

MOSFET放大器与常规放大器

mosfet放大器与常规放大器之间的区别在于，放大器是一种电子电路，用于放大提供给其i/p端子的信号振幅，并产生高振幅信号作为输出。

mosfet放大器是放大器中的一个子类别，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。

优势

这个MOSFET放大器的优点包括以下内容。

• Mosfet放大器具有低损耗。
• 这个放大器的通信速度很高。
• 与晶闸管、IGBT等其他器件相比，它更好。
• Mosfet放大器占用的空间更小，速度更快。
• 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。

这个MOSFET放大器的缺点包括以下内容。

• 与普通设计相比，它的设计很昂贵
• 增益非常小

应用

这个MOSFET放大器的应用包括以下内容。

• MOSFET放大器用于信号放大。
• 这些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。
• MOSFET放大器广泛用于射频应用。
• MOSFET放大器是最常用的FET放大器。

为什么用MOSFET代替晶体管？

使用MOSFET代替晶体管有很多原因，比如MOSFET速度更快，具有非常高的输入阻抗，并且噪音更小。

哪个功率放大器的效率最高？

与A类、B类、AB类和C类等其他放大器相比，D类功率放大器具有最高的效率。D类放大器使用非线性开关技术，o/p器件可以打开或关闭。

哪个放大器的增益最高？

共射极（CE）晶体管放大器具有最高的电压增益、电流增益和功率增益。

MOSFET会增加电压吗？

最大输入电压可以通过添加额外的串联P-MOSFET来增加。

MOSFET如何充当放大器？

栅极电压内的微小变化会在漏极电流内产生巨大变化，如在JFET中一样。因此，这一事实将使MOSFET放大微弱的信号，从而起到放大器的作用。

因此，这一切都是关于mosfet放大器、类型、工作、示例问题、优点、缺点及其应用的概述。在该放大器中，命令信号是控制源极（S）和漏极（D）之间电流流动的栅极信号。这里有一个问题要问你，什么是BJT放大器？