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場效應單管放大器

  進入主題之前,先談談場效應管。作差動放大的多適用特性一致的對管,圖2.1及圖2.2就是場效應管2N3954的特性曲線,由曲線中可以看到,兩個管之特性確是相互一致的。

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圖中之曲線分為靜特性及動特性(有負載RD時之特性稱動特性,沒有則名為靜特性。),是以圖2.3之電路測出的。

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Vo是柵極電壓,ID是偏極電流,VDD是漏極電源電壓,負載是27KΩ,ATT表示是一個衰減網路,僅作測試時用。

  圖2.1柵壓漏極電流特性中,柵壓是-2V時,漏極電流已是零,-2V特名為夾斷電壓,或者稱它為柵極截止電壓亦可以。所以名為夾斷電壓,是因為此時場效應管之溝道已閉合,恰如一個夾子把電流ID夾斷之意。在柵壓為零時,靜特性中漏極電流ID達到最大值,為1.94mA,這個漏極電流值特別以IDSS記號表示,有了負載RD後,由於電流ID流過RD引起壓降,此時之漏極源極間電壓VD比靜特性為低,VG=0時,動特性漏極電流最大值是1.22mA。ID在1.15mA以下時,動特性是與靜特性一致的,但在VD=35-27KΩx1.15mA=3.95V以上時,ID已呈飽和,它幾乎與VD無關而成一不變之值,VD對ID之特性曲線在此雖沒有繪出,但在圖2.1或2.2中亦可以看到,ID超過1.15mA後,動作特性之ID便已呈一個常數。

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  有了以上之數據,現作一個如圖2.4之源極接地放大器,FET是用前述之2N3954,看看其工作情況,輸入訊號波幅假定是0.4V,即Vin=0.4 sinωt。

  再看圖2.1,曲線在VG=-2V附近急劇彎曲,此部份可以看成是拋物線之一部份,而拋物線曲線之方程是二次方的,故FET特性曲線是二次方曲線特性,它是非線性的。VG在-1.4V以下或在-0.6V以上,曲線呈彎曲,這兩個區域是不能使用的。現取柵極偏壓VG=-1V,輸入訊號波幅是0.4V,則沒有訊號輸入時ID值由特性曲線求出應是0.56A。正弦波訊號作0.4V之變化(以VG=-1V,為中心),故有訊號時ID之變化應是在0.19A至1.08A之間,此變化是以ID=0.56A為中心。在輸入訊號負半週期間,漏極交流電流之波幅0.56A-0.19A=0.37A; 而正半週期間則是1.08A-0.56A=0.52A,即漏極交流電流正半波幅相差0.15A,相不相等,雖然是失真的了。以上之諸數值,皆是由圖2.1中作圖求出的。漏極源極間交流電壓(輸出電壓),即指VD之變化份,它之波形是與漏極交流電流(即ID變化份)相似,但相位是相反的。

  ID及VD的失真,可細分為兩類,一類名為直流失真,另一類名為諧波失真。

  上面已經說過,ID的交流份,其正負波幅是不相等的,一週期的平均值不等於零,這即是說有直流份,由此直流引起之失真,就是直流失真。直流失真在交流放大器說來,由於級間耦合是電容器,故可能不成為問題。但在直流放大器說來,它就是嚴重的問題了。

  當輸出波與輸入波不相似,且變了形時,根據分析,輸出波除了含有輸入波頻率之基波外,還含有基波頻率整數倍之諧波,這些諧波引起之失真,就名它為諧波失真。而諧波有效值與基波有效值之比,定為失真係數。

  由於直至現在之放大器件,仍未有完全是直線性的理想的,不論FET、普通晶體管、V-FET或V-MOS等,皆是多少有非線性的,有非線性之器件,其輸出必有諧波失真。所以前述FET之ID即VD,它除有直流失真外,還有諧波失真。

  一個失真波形,其正負半週並非對稱的話,它必含有偶次諧波及奇次諧波; 如正負半週是對稱的話,它僅有奇次諧波。一個失真波形若有偶次諧波,它是有直流份的,故直流失真難免; 如果失真波形僅有奇次諧波,則沒有直流,直流失真當然不存在了。以上所言,都是需有富氏級數常識才易明白,在此不欲再囉叨了。

  一般而言,一個單管放大器(如圖2.4),由於放大器不能是完全線性的,可以推定它必有直流及諧波失真。為了消除此種由非線性而引起之失真,唯一方法是採用兩個特性相同之管,作差動放大連結方式或推挽放大連結方式,方可以打消失真。

FET差動放大器

  FET TR1及TR2作如圖2.5之連接,是差動放大之接法。TR1及TR2是特性相同之兩個場效應管。

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差動放大器有二個輸入端子in1及in2,同時有兩個輸入訊號VGS1及VGS2。TR4及TR3構成一個恆定電流電路(亦簡稱為恆流電路,不過本人總覺得這個簡稱不甚合意,因為恆是持久、普通之意,並沒有穩定的意思)。

  VG是一個總的輸入訊號,為了易於解釋,假設VG之瞬時電壓及性是上正下負(即是說上方之電位高於下方之電位),如果TR2柵即G2是接地的,由圖2.5中可看到,顯然Vo是等於VGS1-VGS2。VGS1及VGS2均是TR1 TR2輸入訊號,大家均是以源極為基準點,互相均規定柵極對源極為正,即柵極為正,源極為負,所以前述之VG是應該等於VGS1-VGS2,而不是VGS1+VGS2。VG=VGS1-VGS2式之意義,表示輸入一個訊號VG後,VGS1語VGS2互為反相,如果VGS1令TR1漏極電流ID1增加,則VGS2令TR2漏極電流ID2減少,所以TR3之集極電流Io恆等於一定,Io=ID1+ID2。

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  圖2.6是差動放大2N3954隻VG-ID及VG-Vs特性曲線,無訊號輸入時漏極電流ID1 ID2均分別為0.6mA,圖中之VG是總輸入電壓,Vs是圖2.5之源極電壓。從圖2.6中可見,無論VG在哪一點,ID1+ID2皆等於1.2mA。

  假定TR1輸入電壓VG1(柵與地間電壓)增加,由於VG1=VGS1-VGS2,於必由於VGS1及VGS2而引起ID1增加及ID2減少。反之,若TR2輸入電壓VGS增加,則令ID2增加而ID1減少。卽是VG1及VG2若同是增加(同一方向增加),且同時輸入時,它們所引起之ID1及ID2變化互相抵消,結果ID1及ID2之值仍與沒有輸入訊號前相同,絲毫沒有變動。例如在圖2.6中,VG1及VG2同時增加+0.1V,ID1與ID2均仍是0.6mA。在此須留意,VG1與VG2是不同意義的,VG1是TR1柵極與地之間之電壓,我們稱它為TR1之輸入訊號; 而VGS1是柵極與源極間之電壓,VG1未必一定等於VGS1。又若VG1變化+0.1V,而VG2變化-0.1V,則引起ID1及ID2之變化,前後結果不會抵消,這時由圖2.6中求得,ID1= 0.84mA、ID2=0.36mA。由以上情形可知,VG1及VG2同一方向(同相)變化時,由於漏極電流沒有變化,這時差動放大器沒有增益可言; 而VG1及VG2互為倒相時,則是有放大作用的。VG1與VG2同相時,稱為共模輸入; VG1與VG2為反相時,稱為差模輸入。差動放大器只有差模輸入時,它才工作(放大),按照這個特點,故有差動放大之名稱。一個理想差動放大器,它對共模輸入是完全沒有放大作用的,亦可以說它抑制共模訊號之能力十分強,可是普通知差動放大器,是不能有百分之百能力去抑制共模訊號的,通常我們以一個稱為共模抑制比之數值,去評價一個差動放大器之優劣。

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  圖2.7是工作點電流設置在1mA時之差動放大器曲線,比較工作點電流為0.6mA之圖2.6,我們可以看見,兩個圖之曲線是有些不同的。在圖2.6中,ID之變化最大是達到1.2mA,而在圖2.7中,ID可達到2mA,VG之範圍亦較為廣,故圖2.7之工作範圍,顯然是比圖2.6為廣闊的了,而且,增益亦比較為大。所以有關工作點電流設置問題,皆認為工作點電流為IDSS(柵壓為零時漏極最大電流值)之½最是理想。

  圖2.8(蘇桑註: 原文無附圖2.8)是2N3954差動放大器的動特性(是27KΩ負載時特性),這動特性曲線與圖2.6之靜特性曲線是差不多的,現試從圖2.8中,求差動放大的增益。設輸入電壓的變化量(為小增量)是V1,輸出電壓的變化量是Vo,電壓增益Av=Vo/VI,Vo是等於漏極電流變化量ID乘負載RD(27KΩ)。在圖中直線部份,VI=0.4V時ID=0.46mA,得: 

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這一個增益數值是和單管放大增益相同的,所以差動放大器的增益,是和單管放大器之增益相同的。差動放大之優點是有抑制共模訊號之能力以及失真最小,和增益是沒有關係的。

(下期待續)

轉載香港無綫電技術1979 12月號 直流放大器基本特性(三)差動放大器與射極輸出器的工作/薛榮焜

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