做完三极管共射极放大电路后我又尝试用2N7000搭建了一个 MOS 管共源放大电路。刚开始我以为只要照着电路图填写阻值就可以了。但真正搭建以后才发现每个电阻都与静态电流、工作点和放大倍数有关。这篇文章记录一下我的设计过程以及搭建时遇到的几个问题。最终电路这次使用的主要参数如下元件参数MOS 管2N7000电源 VDD12 V漏极电阻 RD1.2 kΩ源极电阻 RS400 Ω栅极上偏置电阻39 kΩ栅极下偏置电阻22 kΩ负载电阻 RL20 kΩ输入、输出电容10 μF源极旁路电容100 μF输入信号10 mVpk、1 kHz先确定静态电流设计电路时首先选择静态漏极电流。这里取ID ≈ 5 mA这是一个适合小信号实验的电流功耗不大也方便计算。为了让源极电阻具有一定的电流稳定作用我把源极电压选为约2 V。这个数值不是唯一答案一般可以选择电源电压的10%20%。于是源极电阻为RS VS / ID 2V / 5mA 400Ω这也解释了为什么这里不是常见的1 kΩ电阻值要根据设定的电流计算而不是哪个阻值常见就使用哪个。如果一定要使用1 kΩ可以把静态电流改为约2 mA同时重新计算其他电阻。漏极电阻如何确定为了让输出信号能够向上和向下摆动先让漏极静态电压处于电源中间附近VD ≈ 6 V漏极电阻需要承担的电压为12 - 6 6 V因此RD 6V / 5mA 1.2kΩ所以RD 1.2 kΩ也是从静态电流和漏极电压推导出来的。栅极为什么需要两个偏置电阻2N7000在约5 mA电流下需要大约2.3 V的栅源电压。因为源极已经有约2 V所以栅极电压需要达到VG VS VGS 2 2.3 4.3 V栅极上方的39 kΩ和下方的22 kΩ组成分压电路VG 12 × 22 / (39 22) ≈ 4.33 V这两个电阻也可以理解为一个上拉电阻和一个下拉电阻。它们共同把栅极稳定在4.3 V附近。如果只接下拉电阻栅极会接近0 VMOS 管截止如果只接上拉电阻栅极会接近12 VMOS 管导通过强。为什么不用3.9 kΩ和2.2 kΩ3.9 kΩ和2.2 kΩ的比例相同所以得到的栅极电压也是约4.3 V电路可以工作。但它们的分压电流是39 kΩ和22 kΩ的十倍不仅增加耗电还会降低电路的输入电阻。MOS 管栅极几乎不需要直流电流因此没有必要使用太小的偏置电阻。反过来偏置电阻也不能大得过分。我最初使用了兆欧级电阻虽然分压结果相同但更容易受到漏电、噪声和干扰影响。因此最后选择了39 kΩ和22 kΩ。负载用10 kΩ还是20 kΩ两者都可以。负载电阻会和漏极电阻共同影响交流增益。20 kΩ比10 kΩ负载更轻因此输出幅度会稍大一些。不过因为漏极电阻只有1.2 kΩ使用10 kΩ或20 kΩ时差别并不大。实际设计中负载应该根据下一级电路的输入电阻确定。仿真波形运行仿真后可以看到输出波形的幅度明显增大而且方向与输入波形相反。这是共源放大电路的典型特点。当输入电压升高时MOS 管电流增大漏极电阻上的压降也增大漏极电压反而下降因此输出信号会产生约180°的相位反转。源极上的100 μF电容会旁路源极电阻的交流负反馈所以接入后增益明显提高。断开这个电容后增益会下降但波形通常更加稳定、更加对称。这次学到的设计顺序这次搭建让我对放大电路的设计顺序有了更清楚的认识确定电源和MOS管 → 选择静态电流 → 选择源极电压并计算RS → 选择漏极电压并计算RD → 根据VGS计算栅极电压 → 设计栅极分压电阻 → 添加负载和耦合电容 → 仿真并调整静态工作点电阻值并不是凭经验随便填写的而是从静态电流和各节点电压一步步推导出来的。当然2N7000的参数并不是完全固定的所以计算结果只是初始设计。仿真或实际搭建后还要测量漏极静态电压。如果漏极电压处于67 V附近并且输出没有明显削顶就说明工作点基本合适。