共源 JFET 放大器

共源 JFET 放大器使用结型场效应晶体管（JFET）作为主要的有源器件，具有高输入阻抗的特性。与共射 BJT 放大器相比，共源 JFET 放大器有一个重要优势，即场效应管具有极高的输入阻抗，并且输出噪声低，这使其非常适合用在需要处理极小输入电压信号的放大电路中。

像共射放大器这样的晶体管放大电路通常是用双极型晶体管（BJT）制作的，但小信号放大器也可以用场效应管（FET）来构建。基于结型场效应晶体管（JFET，本文以 N 沟道 FET 为例）或者金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的放大电路，其设计原理与之前我们学习的基于 BJT 的 A 类放大电路是完全相同的。

首先，需要找到一个合适的静态工作点（Q 点），以便对 JFET 放大器电路进行正确的偏置。JFET 单管放大器主要有三种常见结构：共源（CS）、共漏（CD，也叫源极跟随器）、共栅（CG）。这三种 JFET 放大器的配置，分别对应于双极型晶体管的共射极、射极跟随器和共基极电路。本文我们将重点讲解应用最广泛的 共源 JFET 放大器。

共源 JFET 放大器电路配置

该放大电路由一个 N 沟道 JFET 组成，但也可以用等效的 N 沟道耗尽型 MOSFET 来替代，因为电路图完全一样，只是器件不同。它被连接成共源配置。JFET 的栅极电压 Vg 通过由电阻 R1 和 R2 组成的分压网络来偏置，使其工作在饱和区，这相当于 BJT 的有源区。

与 BJT 电路不同，JFET 的栅极电流几乎为零，因此栅极可以看作开路。因此不需要像 BJT 那样绘制输入特性曲线。

我们可以将 JFET 与 BJT 做如下对比：

JFET

BJT

栅极 (G)

基极 (B)

漏极 (D)

集电极 (C)

源极 (S)

发射极 (E)

栅极电源 (VG)

基极电源 (VB)

漏极电源 (VDD)

集电极电源 (VCC)

漏极电流 (ID)

集电极电流 (IC)

由于 N 沟道 JFET 是耗尽型器件，并且在默认情况下是“导通”的，因此需要在源极相对于栅极施加一个负电压，来调节或控制漏极电流。这个负电压可以通过一个独立的电源提供，也可以通过自偏置方式提供，只要确保即使在没有输入信号时，JFET 中也有稳定的电流流过，并且 Vg 保持在栅源 PN 结的反偏状态即可。

在本文的简单电路示例中，偏置由分压电阻网络提供，这样输入信号就可以在栅极产生正弦波的电压升高与降低。任何合适的电阻对（R1 和 R2）只要比例正确，就可以提供合适的偏置电压。直流栅极偏置电压 Vg 由以下公式给出：

需要注意的是，该公式仅决定电阻 R1 和 R2 的比例。为了充分利用 JFET 极高的输入阻抗，并且减少电路的功耗，我们通常将电阻值设计得很大，常见范围在 1MΩ 到 10MΩ。

输入与输出

输入信号 Vin 施加在栅极与地之间。当栅极电压 Vg 保持恒定时，JFET 在其“欧姆区”工作，表现得像一个线性电阻器。漏极电路中含有负载电阻 Rd，输出电压 Vout 就是加在这个负载电阻上的电压。

为了改善共源 JFET 放大器的效率，可以在源极支路串联一个电阻 Rs。漏极电流 Id 也流过这个电阻，因此 Rs 用来设定放大器的 Q 点。

当 JFET 完全导通时，会在 Rs 上产生一个电压降（等于 Rs × Id），使源极电位高于地电位。这个电压降为栅极电压 Vg 提供了必要的反偏条件，从而等效地产生了负反馈。

因此，为了保持栅源结反偏，源极电压 Vs 必须高于栅极电压 Vg。源极电压公式如下：

由于栅极没有电流流入，因此漏极电流 Id = 源极电流 Is，公式如下：

采用分压偏置的电路相比于固定电压偏置电路，稳定性更好，尤其在使用单电源供电时。Rs 与源极旁路电容 Cs 的功能与共射 BJT 电路中的发射极电阻和电容相同，都是用来提高稳定性，避免电压增益下降。不过代价是电源电压中有更多的部分降落在 Rs 上。

源极旁路电容 Cs 一般容量很大（100μF 以上），是极性电容。它的阻抗值应远小于器件跨导 gm（传输增益系数）的倒数，一般小于 10%。在高频时，Cs 等效为短路，源极几乎直接接地。

共源 JFET 放大器特性

共源 JFET 放大器的基本电路和特性，与共射 BJT 放大器非常相似。其直流负载线通过两点确定：

· 当 Id = 0 时：Vdd = Vds；

· 当 Vds = 0 时：Id = Vdd / RL。

因此，负载线是连接这两点的一条直线。

这条负载线的斜率为：

−1/(Rd+Rs)

并且它与纵轴（Id 轴）的交点 A 为：

Vdd/(Rd+Rs)

与横轴（Vds 轴）的交点 B 为：

Vdd

Q 点的位置通常设置在负载线的中点，以便实现 A 类放大。由于 JFET 是耗尽型器件，因此其栅极电压一般为负。与共射 BJT 电路一样，JFET 共源放大器的输出与输入相差 180° 相位。

共源 JFET 的缺点

使用耗尽型 JFET 的主要缺点是需要负偏置。如果偏置失效，Vgs 可能变为正值，导致漏极电流迅速增大，从而使漏极电压 Vd 崩溃。

此外，JFET 的导通电阻 Rds(on) 较高，且静态漏极电流较大，容易发热，因此需要额外的散热措施。不过，这些问题在很大程度上可以通过采用增强型 MOSFET 来解决。

MOSFET 的输入阻抗更高，导通电阻更低。MOSFET 的偏置方式也不同：对于 N 沟道器件需要正偏置，而 P 沟道器件则需要负偏置。若无偏置电压，则不会有漏极电流流动，因此 MOSFET 在一定程度上更“安全”。

JFET 放大器的电流增益与功率增益

正如前面所说，共源 JFET 放大器的输入电流 Ig 极小，因为栅极阻抗 Rg 极高。因此它具有非常高的电流增益 Ai。

由于输出电压通常在毫伏到几伏之间，而功率 P = V × I，所以其功率增益 Ap 也非常大。

因此，共源 JFET 放大器常被用作阻抗匹配电路，或者直接作为电压放大器使用。