实验七、MOS管分压式偏置共源放大电路的静态和动态参数

一、题目

搭建MOS管分压式偏置共源放大电路。利用Multisim研究下列问题：
（1）确定一组电路参数，使电路的 $Q$ 点合适。
（2）若输出电压波形底部失真，则可采取哪些措施？若输出电压波形顶部失真，则可采取哪些措施？调整 $Q$ 点约在交流负载线的中点。
（3）要想提高电路的电压放大能力，可采取哪些措施？

二、仿真电路

搭建如图1所示电路，选择电源电压 $V_{DD}=15\text{V}$，负载电阻 $R_L=5\text{k}\Omega$。

$$图1\text{MOS}管分压式偏置共源放大电路$$电路中采用虚拟N沟道增强型MOS场效应管，其沟道长度 Channel length = 100 μm、沟道宽度 Channel width = 100 μm，模型参数 $VT=U_{GS(th)}=2\text{V}$，$KP=2\ast I_{DO}/U_{GS(th)}^2=1\ast 10^{-3}{\text{A/V}}^2$。
输入信号采用有效值为1 mV、频率为1 kHz的虚拟正弦波信号源。
N沟道增强型MOS管的参数设置如图2所示。$$(a)\text{L}和\text{W}即为\text{Channel length}和\text{Channel width}$$$$(b)\text{VTO}即\text{VT}和\text{KP}的位置$$$$图2\text{MOS}管的参数设置$$

三、仿真内容

选择电路中电容和电阻的数值：
确定耦合电容 $C_1$ 和 $C_2$ 为10 μF，旁路电容 $C_s$ 为100 μF。
设静态管压降 $U_{DSQ}=4\text{V}$，漏极电流 $I_{DQ}=2\text{mA}$。为使电路有足够大的输入电阻，$R_{g3}$确定为2 MΩ；为使电路有足够大的电压放大倍数，$R_d$ 确定为5 kΩ；选定 $R_{g1}$为150 kΩ，$R_s$ 为500 Ω；然后采用“参数扫描分析”，得到满足静态参数 $R_{g2}$ 为300 kΩ，如图3所示。
$$图3扫描R_{g2}时U_{DSQ}和I_{DQ}$$

四、仿真结果

① 用数字万用表测量静态工作点 $U_{GSQ}=3.996\text{V}$，$U_{DSQ}=4.046\text{V}$，$I_{DQ}=1.992\text{mA}$。如图4所示。$$图4Q点的测量$$② 用示波器测得 ${\dot{A}}_u\approx -5$。设失真度为5%，测得最大不失真输出电压的有效值约为1.586 V。测量电路即结果如图5所示。$$(a)电压放大倍数{\dot{A}}_u的测量$$$$(b)最大不失真输出电压的测量及结果$$$$图5{\dot{A}}_u及最大不失真输出电压的测量$$③ 增大输入电压有效值，输出电压波形将出现底部失真（见图6(a)），即由于场效应管进入可变电阻区而产生的失真，类似晶体管共射放大电路中的饱和失真。此时可采用减小 $R_d$ 以增大 $U_{DSQ}$、减小 $R_{g1}$或增大$R_{g2}$ 以减小 $I_{DQ}$等方法来消除失真（见图6(b)）。将 $R_{g2}$ 增大至500 kΩ，增大输入电压峰值，输出电压波形将出现顶部失真，即截止失真（见图6($c$)）。此时增大 $R_{g1}$、减小 $R_{g2}$ 或 $R_s$ 可消除失真。
$$(a)输出波形底部失真$$$$(b)减小R_{g1}以减小底部失真$$
$$(c)输出波形顶部失真$$$$(d)减小R_{g2}以减小顶部失真$$$$图6失真波形及减小失真的方法$$应当指出，无论是在实验中，还是在仿真中，均很难看到如理论分析中出现“平顶”或“平底”的失真情况，因而常借助于失真度仪来帮助我们确定失真的程度。
④ 在其它参数不变的情况下，当 $R_{g2}$ 为288 kΩ时，$Q$ 点约在交流负载线的中点，此时再减小$R_{g2}$会出现底部失真。
$$图7设置Q点约在负载线中点$$⑤ 采用增大 $R_{g1}$、减小 $R_{g2}$ 或减小 $R_s$ 以增大 $I_{DQ}$，从而增大跨导 $g_m$，或者增大 $R_d$ 等放大，均可增大 $|{\dot{A}}_u|$。$$(a)|{\dot{A}}_u|\approx 5.0$$$$(b)增大R_{g1}以增大|{\dot{A}}_u|\approx 5.2$$$$图8增大|{\dot{A}}_u|$$