第八章第八章 場效電晶體場效電晶體放大器放大器

11

介紹介紹

場效電晶體 (FET) 之特性 :

• 極佳的電壓增益• 高輸入阻抗• 低功率消耗• 良好頻率範圍

22

FET FET 小信號模型小信號模型

互導互導

VGS( 輸入 ) 對 ID( 輸出 ) 的關係稱為互導互導。

互導標記為 gm 且以下列式子表示 :

GS

Dm ΔV

ΔIg

33

在場效電晶體中，閘 - 源極電壓 VGS 控制汲 - 源極（通道）電流 ID 。

ggmm 圖解求法圖解求法

44

圖 8.1

ggmm 的數學定義的數學定義

GS

Dm V

Ig

P

GS

P

DSSm V

V1

V

2Ig

P

DSSm0 V

2Ig

P

GSm0m V

V1gg

DSS

D

P

GS

I

I

V

V1

DSS

Dm0

P

GSm0m I

Ig

V

V1gg

若 VGS =0V

其中

55

特性規格表中之特性規格表中之 ggmm

在特性規格表中 gm 是以 yfs 符號出現：

fsm yg

66

osdo y

rZ1

輸入阻抗 :

FET FET 阻抗阻抗

輸出阻抗 :

其中 :

yos= 顯示在 FET 規格表上的等效電路導納參數。

77

iZ

定值

GSVD

DSd I

Vr

FET FET 阻抗阻抗利用場效電晶體汲源特性定義 rd ：

圖 8.6

88

FET FET 交流等效電路交流等效電路

99

圖 8.8

JFET JFET 共源極共源極 (CS) (CS) 固定偏壓固定偏壓

輸入在閘極而輸出在汲極。

1010

輸入與輸出之間有 180 的相位移。

圖 8.10

圖 8.11

計算計算

Gi RZ

dDo ||rRZ

RrDo

DdRZ

10

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

1111

)||R(rgV

VA Ddm

i

ov

Dd RrDmi

ov Rg

V

VA

10

電壓增益 :圖 8.11

JFET JFET 共源極共源極 (CS) (CS) 固定偏壓例題固定偏壓例題

例題 8.7

Sy

VmA A，I

mAV，，＝V

os

PDSS

DGS QQ

40

810

625.52

已知：

圖 8.14

1212

JFET JFET 共源極共源極 (CS) (CS) 固定偏壓例題固定偏壓例題

76.3)2)(88.1( .

48.3

)85.1)(88.1()//( .

85.125//2// .

1 .

2540

11 .

88.1))8(

)2(1(5.2)1(

5.28

)10(22 .

0

0

kmSRgAf

kmSrRgAe

kkkrRZd

MRZc

kSy

rb

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Iga

Dmv

dDmv

DDo

Gi

osd

P

GSmm

P

DSSm

Q

1313

JFET JFET 共源極自偏壓組態共源極自偏壓組態

此為共源極放大器組態，所以輸入是在閘極而輸出是在汲極。

1414

輸入與輸出之間有 180 相位移。

圖 8.15

圖 8.17

計算計算

Gi RZ

Ddo ||RrZ

RrDo

DdRZ

10

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

1515

)||R(rgA Ddmv

Dd RrDmv RgA10

電壓增益 :

圖 8.17

JFET JFET 共源極自偏壓組態共源極自偏壓組態

具有 RS ，即移除 Cs ，則對電路的增益值之影響。

1616

圖 8.15

圖 8.18

計算計算

Gi RZ

RrDo

DdRZ

10

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

1717

d

SDSm

Dm

i

ov

rRR

Rg

Rg

V

VA

1

)R(RrSm

Dm

i

ov SDdRg

Rg

V

VA

101

電壓增益 :

圖 8.18

JFET JFET 共源極自偏壓組態例題共源極自偏壓組態例題

例題 8.8

Sy

VmA A，I

mAV，，＝V

os

PDSS

DGS QQ

20

68

6.26.2

已知：

圖 8.20

1818

kRZ

r

kRZ

kRkr

d

MRZc

kSy

rb

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Iga

Do

d

Do

Dd

Gi

osd

P

GSmm

P

DSSm

Q

3.3

若

3.3

所以

331050

包括： .

1 .

5020

11 .

51.1))6(

)6.2(1(67.2)1(

67.26

)8(22 .

0

0

JFET JFET 共源極自偏壓組態例題共源極自偏壓組態例題

1919

98.1

)1)(51.1(1

)3.3)(51.1(

1

： 不包括

92.1

5013.3

)1)(51.1(1

)3.3)(51.1(

1

： 包括 .

kmS

kmS

Rg

RgA

r

kkk

kmS

kmS

rRR

Rg

RgA

re

sm

Dmv

d

d

SDsm

Dmv

d

JFET JFET 共源極自偏壓組態例題共源極自偏壓組態例題

2020

JFET CS JFET CS 分壓器偏壓組態分壓器偏壓組態

此為一種共源極放大器組態，故輸入是在閘極而輸出是在汲極。

2121

圖 8.22

圖 8.24

計算計算

21||RRZi

Ddo ||RrZ

RrDo

DdRZ

10

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

2222

)||R(rgA Ddmv

Dd RrDmv RgA10

電壓增益 :

圖 8.24

JFET JFET 源極隨耦器源極隨耦器 (( 共汲極共汲極 ) ) 組態組態

在共汲極放大器組態中，輸入在閘極而輸出在汲極。

2323

輸入與輸出之間無相位移。

圖 8.25

圖 8.27

計算計算

mSdo g||||RrZ

1

Sd Rrm

So g

||RZ 101

Gi RZ 輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

2424

)||R(rg

)||R(rg

V

VA

Sdm

Sdm

i

ov

1

101

drSm

Sm

i

ov Rg

Rg

V

VA

電壓增益 :

圖 8.27

JFET JFET 源極隨耦器源極隨耦器 (( 共汲極共汲極 ) ) 組態例組態例題題例題 8.9

mA＝V，＝VQGS 56.4I86.2

已知：

QD

圖 8.27

2525

69.36528.21//2.2

1//Z

： 不包括

52.362 28.2

1//2.2//40

1//// Z

： 包括 .

1 .

4025

11 .

28.2))4(

)86.2(1(8)1(

84

)16(22 .

0

0

mSk

gR

r

mSkk

gRr

rd

MRZc

kSy

rb

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Iga

mSo

d

mSdo

d

Gi

osd

P

GSmm

P

DSSm

Q

JFET JFET 源極隨耦器源極隨耦器 (( 共汲極共汲極 ) ) 組態例組態例題題

2626

83.0

)2.2)(28.2(1

)2.2)(28.2(

1

： 不包括

83.0

)2.2//40)(28.2(1

)2.2//40)(28.2(

)//(1

)//(

： 包括 .

kmS

kmS

Rg

RgA

r

kkmS

kkmS

Rrg

RrgA

re

Sm

Smv

d

sdm

Sdmv

d

JFET JFET 源極隨耦器源極隨耦器 (( 共汲極共汲極 ) ) 組態例組態例題題

2727

JFET JFET 共閘極組態共閘極組態

輸入是在源極而輸出是在汲極。

2828

輸入與輸出之間無相位移。

圖 8.30

圖 8.31

計算計算

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

dm

DdSi rg

Rr||RZ

1

Dd Rrm

Si g||RZ 10

1

dDo ||rRZ

10drDo RZ

2929

d

D

d

DDm

i

ov

rR

rR

Rg

V

VA

1

RrDmv DdRgA 10

電壓增益 :

圖 8.31

JFET JFET 共閘極組態例題共閘極組態例題

mA＝I

V＝V

Q

Q

D

GS

03.2

2.2

已知：

例題 8.10

圖 8.33

3030

kR

r

kmSkrR

rd

k

mSkgRZ

r

k

kmS

kkk

rg

RrRZ

rc

kSy

rb

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Iga

Do

d

dDo

d

mSi

d

dm

DdSi

d

osd

P

GSmm

P

DSSm

Q

6.3Z

： 不包括

05.3 25.2

1//6.3// Z

： 包括 .

31.0

25.21//1.11//

： 不包括

35.0

)20)(25.2(1

6.320//1.1

1//

： 包括 .

2050

11 .

25.2))4(

)2.2(1(5)1(

54

)10(22 .

0

0

JFET JFET 共閘極組態例題共閘極組態例題

3131

JFET JFET 共閘極組態例題共閘極組態例題

mVmVVAV

kmSRgA

r

mVmVVAVV

VA

kk

kk

kmS

rR

rR

Rg

A

re

ivo

Dmv

d

ivoi

ov

d

D

d

DDm

v

d

324)40)(1.8( 且

1.8)6.3)(25.2(

： 不包括

8.280)40)(02.7( 和

02.7

206.3

1

206.3

)6.3)(25.2(

1

： 包括 .

3232

空乏型空乏型 MOSFETsMOSFETs

D-MOSFETs 有相似的交流等效模型，唯一不同的是該 VSGQ 在 n- 通道裝置可以是正值而 p- 通道裝置是負值，這也意謂著 gm 可大於 gm0。

3333

交流等效模型交流等效模型

3434

圖 8.34

例題例題

例題 8.11

mA＝I

V＝V

Q

Q

D

GS

6.7

35.0

已知：

圖 8.35

3535

.

10010

11 .

47.4))3(

)35.0(1(4)1(

43

)6(22 .

0

0

c

kSy

rb

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Iga

osd

P

GSmm

P

DSSm

Q

例題例題

3636

圖 8.36

例題例題

05.8

)8.1)(47.4(

1810010 f.

8.178.1

8.1//100//Z e.

17.9 110//10// Z. 21

kmSRgA

kkRr

kR

kkRr

MMMRRd

Dmv

Dd

D

Ddo

i

3737

增強型增強型 MOSFETsMOSFETs

E-MOSFETs 有兩種型式：

• nMOS 或 n- 通道 MOSFET• pMOS 或 p- 通道 MOSFET

3838

交流等效模型交流等效模型

gm 與 rd 可以在 FET 的規格表中找到。

3939

)(2

)(

)(

2)(

ThGSGS

GS

Dm

ThGSGSD

VVk

V

Ig

VVkI

圖 8.37

共源極之汲極回授組態共源極之汲極回授組態

4040

輸入與輸出之間有 180 相位移。

圖 8.38

圖 8.39

計算計算

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

)||R(rg

||RrRZ

Ddm

DdFi

1

DdDdF R,r||RrRDm

Fi Rg

RZ 101

DdFo ||R||rRZ

DdDdF R,r||RrRDo RZ 10

4141

)||R||r(RgA DdFmv

Dmv DRd,rD||RdrFRRgA 10

電壓增益 :

圖 8.39

例題 8.12

例題例題

mA＝I

V＝V

VA

Q

Q

D

GS

75.2

4.6

/100.24k

已知：23-

圖 8.41

4242

例題例題

kR

r

k

kkMRrR

rd

MkmS

M

Rg

RZ

r

M

kkmS

kkM

Rrg

RrRZ

rc

kSy

rb

mSVVVA

VVkga

Do

d

DdFo

d

Dm

Fi

d

Ddm

DdFi

d

osd

ThGSGSm Q

2Z

： 不包括

93.1

2//50//10//// Z

： 包括 .

53.2)2)(63.1(1

10

1

： 不包括

42.2

)2//50)(63.1(1

2//5010

)//(1

//

： 包括 .

5020

11 .

63.1)34.6)(/1024.0(2

)(2 .

23

)(0

4343

26.3)2)(63.1(

： 不包括

21.3

)2//50//10)(63.1(

)////(

： 包括 .

kmSRgA

r

kkMmS

RrRgA

re

Dmv

d

DdFmv

d

例題例題

4444

共源極之分壓器偏壓組態共源極之分壓器偏壓組態

4545

圖 8.42

圖 8.43

計算計算

21||RRZ i

Ddo ||RrZ

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

10drDo RZ

4646

)||R(rgA Ddmv

Dd RrDmv RgA 10

電壓增益 :

圖 8.43

摘要表摘要表

請參閱書中更多資料4747

表 8-1

RRL L 與 與 RRsig sig 的效應的效應

.

4848

圖 8.44

4949

RRL L 與 與 RRsig sig 的效應的效應

Gi RZ

Ddo ||RrZ

輸入阻抗 :

輸出阻抗 :

)//R//R(rgV

VA LDdm

i

ov

電壓增益 :

)//(

// 且 如果

][

LDs

s

RRmv

dLDsigG

LDdmsigG

sG

i

o

s

i

s

ov

gA

rRRRR

)//R//R(rgRR

VR

V

V

V

V

V

VA

整體電壓增益 :svA

vA

sigG

sGi RR

VRV

圖 8.45

串接組態串接組態

2121

22112

))((1

DDmm

DmDmvvv

RRgg

RgRgAAA

1Gi RZ

2Do RZ

輸入阻抗 :

串接放大器得輸入阻抗就是第一級輸入阻抗電壓增益 :

輸出阻抗 :

串接放大器得輸出阻抗就是最後一級輸出阻抗

圖 8.46

5050

例題例題

mA＝I

V＝V

Q

Q

D

GS

8.2

9.1

析得到：利用第七章直流偏壓分

例題 8.13

5151

圖 8.47

2464262

334262

第一級之增益：

4.2

）：（假設串接放大器得輸出阻抗

3.3

：串接放大器得輸入阻抗

6.2))4(

)9.1(1(67.2)1(

54

)10(22

211

2

1

0

0

.kΩΩ.ms)(. -(

MΩΩ.kΩΩ/.ms)(.-()//R(R-g A

kRZ

Ω r

MRZ

mSV

VmS

V

Vgg

mSV

mA

V

Ig

iDmv

Do

d

Gi

P

GSmm

P

DSSm

Q

例題例題

5252

mVmVkk

kV

RZ

RV

kΩ

mVmVVAV

AA

.

kΩΩ.ms)(. -(kΩΩ.ms)(.-(R-g A

oLo

LL

ivo

vvv

Dmv

310)384(104.2

10

負載後之負載電壓為：10若接上

384)10)(4.38(

：串接放大器之輸出電壓

4.38)24.6)(24.6(A

：串接放大器之電壓增益

246

42624262

效應）： 第二級之增益（無負載

21

11

例題例題

5353