MOS管放大电路分析：从静态到动态的全面解析
MOS管放大电路分析：从静态到动态的全面解析
在实际应用中，我们经常会使用到功率MOS，这时通常不会将它当成一个开关使用，而是当成一个放大器来使用，那这就需要让其工作在放大状态。
参考下图中的mos管的特性曲线，右图中的输出特性曲线中有一根红色的分界线，这个线就是区分mos管工作状态的分界线，在红线的左边，mos管工作在可变电阻区，也就是线性区；在红线的右边mos管工作在恒流区，也就是饱和区。当然，还有一个截止区。
本文分析主要运用模电课本中的理论计算验证。
1.三电阻电路
如上图所示，是在multisim中绘制的放大电路，便于仿真验证。使用的MOS管的型号为2N7000。计算中需要使用的关键参数
U G S T H = 2 V U_{GSTH}=2VUGSTH =2VK = 0.0502 A / V 2 K=0.0502A/V^{2}K=0.0502A/V2
第一步判断此MOS是否工作在放大状态？那么就需要先分析其静态。分析静态的时候，电容开路，那么就会简化电路如下：
MOS管栅极电压用电阻分压可以求得
U G Q = 12 V ∗ R 3 / ( R 2 + R 3 ) = 2.26 V U_{GQ}=12VR3/(R2+R3)=2.26VUGQ =12V∗R3/(R2+R3)=2.26V（1）*
这里的源极也就是S极直接接地了，所以可以得到
U G S Q = U G Q = 2.26 V U_{GSQ}=U_{GQ}=2.26VUGSQ =UGQ =2.26V（2）
然后需要借助下面这个公式（3）
I D Q = K ∗ ( U G S Q − U G S T H ) 2 = 3.49 m A I_{DQ}=K*(U_{GSQ}-U_{GSTH})^{2}=3.49mAIDQ =K∗(UGSQ −UGSTH )2=3.49mA（3）
（3）式是MOS管转移特性曲线的方程，式中这个K值是个比较关键的点，我们后面分析。
U D S Q = 12 V − R 1 ∗ I D Q = 5.02 V U_{DSQ}=12V-R1I_{DQ}=5.02VUDSQ =12V−R1∗IDQ =5.02V（4）*
以上这几个公式求出来的值就是MOS管在静态工作时的几个关键参数。
我们可以先在仿真中验证一下正确性：
如上图，我们在电路中串入一个直流电流表测量电路中的I D Q I_{DQ}IDQ ;并联一个直流电压表测量U D S Q U_{DSQ}UDSQ 。将两个表测量的值和上面计算出来的值对比发现，结果非常接近，说明计算正确。
接下来是判断MOS管的工作状态：
在本例中，由上面计算得到的静态参数可以进行下面的计算验证。
U D S Q > U G S Q − U G S T H U_{DSQ}>U_{GSQ}-U_{GSTH}UDSQ >UGSQ −UGSTH （5）
当满足该条件时，MOS管即工作在放大状态，当然，前提条件是
U G S Q > U G S T H U_{GSQ}>U_{GSTH}UGSQ >UGSTH 保证当前MOS处于导通状态。
下面是小信号的动态等效电路分析：
该等效电路是对MOS管模型的等效，等效出一个压控电流源，即u g s u_{gs}ugs 控制i d i_{d}id ，也就是图中的
i d = g m ∗ u g s i_{d}=g_{m}u_{gs}id =gm ∗ugs （6）
该等式我们要注意两点：
①注意等式中使用的字母和下标都是小写，表明这里的值都是纯交流，没有直流信号
②式中的g m g_{m}gm 表示跨导，即MOS管的转移特性曲线的斜率。小信号的等效就说明输入信号是一个幅值很小的信号，往往分析的时候就是计算在静态工作点Q处的g m g_{m}gm 。
g m = 2 ∗ K ∗ I D Q g_{m}=2\sqrt{KI_{DQ}}gm =2∗K∗IDQ （7）
g m = 2 ∗ 0.0502 A / V 2 ∗ 3.49 m A = 26.47 m A / V g_{m}=2\sqrt{0.0502A/V^{2}*3.49mA}=26.47mA/Vgm =2∗0.0502A/V2∗3.49mA =26.47mA/V
至此，计算中需要用到的一些公式参数基本都出现了，接下来开始计算验证。
首先计算一下i d i_{d}id
i d = g m ∗ u g s = 2 ∗ 0.0502 A / V 2 ∗ 3.49 m A ∗ u i i_{d}=g_{m}u_{gs}=2\sqrt{0.0502A/V^{2}*3.49mA}u_{i}id =gm ∗ugs =2∗0.0502A/V2∗3.49mA ∗ui
这里我只计算幅值，i d p k = 374.37 u A i_{dpk}=374.37uAid pk =374.37uA
然后计算信号放大倍数
A V = u o u i = − 48.126 A{V}=\frac{u_{o}}{u_{i}}=-48.126AV =ui uo =−48.126
则对于输入信号u i p k = 14.142 m V u_{ipk}=14.142mVuipk =14.142mV
u o p k = − 48.126 ∗ 14.142 m V = − 680.599 m V u_{_opk}=-48.12614.142mV=-680.599mVuo pk =−48.126∗14.142mV=−680.599mV
观察仿真波形：
可以看到，这里主要观察了i d i_{d}id 和u o u_{o}uo 的值，我们看到这里的两个幅值和计算的幅值相差无几，说明整个分析过程正确。注意波形图中设置的是交流形式，意即没有包含直流信号。如果我们调整为观察交直流信号。
u o u_{o}uo 输出信号是经过电容滤波之后的信号，没有直流信号。我们调整观察点到电容前端，就可以观察到直流信号，如下图所示：
至此我们简单分析了基于三电阻的MOS管放大电路的计算。分析中涉及到的理论计算均来自模拟电路课本，参考包括杨老师的新概念等。
针对计算中给出的K KK值,在考试中往往会给出该值，所以计算较为方便。但是在实际应用电路中，在某个MOS的datasheet中是不会给出该值的，所以往往会无法计算。结合杨老师在新概念课堂中的建议，可以在对应的转移特性曲线上取一点，找出对应的u G S u_{GS}uGS 和i D i_{D}iD 的值，可以求解出一个K KK值。
但是在实际分析电路中可知，针对不同点，求解出的K KK值相差比较大，因此在实际应用中，会存在一定偏差。
2.四电阻电路
未完待续
3.电感电路
未完待续