源極接地放大電路參數(shù)講解(2)

接上一篇

三 放大電路參數(shù)

3.3 頻率特性

仿真本電路的輸出頻率特性曲線。低頻頻率范圍從0.1Hz~100KHz

從仿真結(jié)果看，電路放大倍數(shù)是9.56dB。之前仿真結(jié)果Vo/Vi=3，計(jì)算結(jié)果是20log(3)=9.54。二者基本一致。

上一篇文章提到C3和輸入阻抗組成高通濾波器。高通濾波器的截止頻率Fc是

C3=10uf，Zi=12.4K --> Fc=1.28Hz。

仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果一致。信號(hào)降低3dB的點(diǎn)，頻率也是1.286Hz

高頻頻率范圍從50KHz到1GHz進(jìn)行仿真?？梢钥闯鲭S著信號(hào)頻率的升高，電路增益會(huì)下降。輸出信號(hào)相位也會(huì)從180度（反向）慢慢過(guò)渡到0度（同相）。它的高頻截止頻率大約在7.7MHz。

在BJT中，有一個(gè)描述器件頻率特性的參數(shù)--特征頻率fT，它是交流放大倍數(shù)hfe=1時(shí)的頻率。對(duì)于FET，沒(méi)有類(lèi)似的參數(shù)。通常是將gm下降3dB的頻率點(diǎn)作為參考依據(jù)。

再?gòu)?fù)述一次gm的定義：BJT是以流過(guò)基極的電流Ib去控制集電極電流Ic，因此Ic與Ib的比值就是直流放大系數(shù)hFE。對(duì)于FET，是通過(guò)改變Vgs去控制Id。它們的比值稱(chēng)為跨導(dǎo)gm，它的單位是西門(mén)子[S]。

如果想改善放大電路的高頻特性，選擇具有高頻特性?xún)?yōu)良的FET。另外放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，PCB布局和走線要盡量短。使用大的地平面，減小GND的高頻特性。

3.4 使輸入電容變大的米勒效應(yīng)

在FET內(nèi)部的三個(gè)極之間存在寄生電容：CGD、CGS、CDS，通常它都是pf級(jí)別的。在FET的spec中，把CGD稱(chēng)為反饋電容Crss。把CGS電容稱(chēng)為Ciss。如下是SST201的spec

在源極放大電路中，主要是柵極-漏極極間電容CGD會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。

假設(shè)柵極的交流輸入電壓是Vi，則漏極的輸出電壓為-Vi*Av（負(fù)號(hào)表示相位相反）。

因此CGD兩端的電壓為Vi-(-Vi Av)=Vi (1+Av)。

因?yàn)?a target="_blank">電源和地，對(duì)于交流信號(hào)而言是等效的。所以從交流信號(hào)Vi角度看，輸入電容是CGD和CGS的并聯(lián)。不過(guò)CGS兩端的電壓是Vi，CGD兩端的電壓是Vi*(1+Av)。因此當(dāng)有Vi信號(hào)時(shí)，流過(guò)CGD兩端的電流是流過(guò)CGS兩端電流的(1+Av)倍。

從電容充電電流的角度看，源極接地放大電路的輸入電容等效為：Cin=CGD(1+Av)+CGS

例如：使用SST201搭建的源極接地放大電路，它的Cin是

Cin=1.3（1+3）+4.5=9.7pf

這個(gè)輸入電容影響電路的高頻特性。為了獲得良好的高頻特性，選擇Crss和Ciss小的元件。同時(shí)注意，電路放大倍數(shù)Av也影響高頻特性。

3.5 如何提高放大倍數(shù)

之前章節(jié)提到源極接地放大電路的放大倍數(shù)是由Rd與Rs的比值決定。為了提高放大倍數(shù)，需要增大Rd或者減小Rs，不過(guò)這樣會(huì)影響電路的直流電位。例如增大Rd，會(huì)導(dǎo)致漏極的直流電位顯著減?。ㄒ?yàn)镽d自身的壓降變大），導(dǎo)致最大輸出幅度的下降或者削波。

為了在不影響電路直流電位的前提下，增大電路的放大倍數(shù)，需要對(duì)電路做修改。

如下是原始電路

方法一： 在Rs上并聯(lián)一個(gè)R與C串聯(lián)電路。對(duì)直流電源而言，R5和C5是開(kāi)路，不影響電路的直流電位。對(duì)交流信號(hào)而言，Rs是R4和R5的并聯(lián)，即Rs=6.67KΩ。整個(gè)電路的放大倍數(shù)Av=9.75

方法二： Rs拆分成2顆電阻，在第2顆電阻上并聯(lián)電容。直流電平看到的Rd和Rs與原始電路一致。交流信號(hào)會(huì)從R4和C5那個(gè)路徑流過(guò)。對(duì)交流信號(hào)而言Rs=R4，電路放大倍數(shù)Av=13

3.6 無(wú)限放大倍數(shù)

對(duì)上節(jié)方法一的電路進(jìn)行仿真，它的放大倍數(shù)理論計(jì)算值A(chǔ)v=9.75（19.78dB），實(shí)際仿真結(jié)果是18dB（如下圖）。之前原始電路的放大倍數(shù)是3倍（9.54dB），它的仿真波形在之前的文章中。通過(guò)仿真波形可以看到，方法一的確可以提高電路放大倍數(shù)。

將R5設(shè)置為0R，源極通過(guò)交流電容到地，這樣Rs交流阻抗理論上是0，放大倍數(shù)是無(wú)限大。仿真結(jié)果看，實(shí)際的放大倍數(shù)是32dB。這是大多數(shù)JFET單管放大電路能夠得到的最大增益（30 ~ 40dB）。通常BJT構(gòu)成的單管放大電路最大增益可以做到40~60dB。因此用JFET構(gòu)成的放大電路增益比BJT放大電路稍微低一些。

3.7 噪音特性

將輸入端接地，可以測(cè)試輸出信號(hào)的噪聲。用頻率分析儀可以測(cè)試各個(gè)頻率端此電路的噪聲頻譜。

如下是仿真電路，得到放大電路的噪聲頻譜。看結(jié)果，低頻部分噪聲稍微大一些。

還有一個(gè)概念是

THD是總諧波失真，Total Harmonics distortion。它在音頻領(lǐng)域使用很多。它表征在一個(gè)正弦波中所含高次諧波的數(shù)量。以1KHZ為例，諧波分量越少，波形越趨向于標(biāo)準(zhǔn)正弦波。如下是其公式：

D1是基波頻率分量，D2是2次諧波分量，Dn是n次諧波分量。

對(duì)于音頻信號(hào)，THD即使達(dá)到1%，只要波形沒(méi)有被削波，人的聽(tīng)覺(jué)是察覺(jué)不到失真的。大多數(shù)人在THD為10%時(shí)，明顯可以聽(tīng)出聲音變化（失真）。