关于MOSFET的工作区,很多人在学模电的时候都被“名字”给坑了。BJT的饱和是做开关的,MOSFET的饱和却是做放大的?
今天搬教科书,用最直观的逻辑带大家彻底把这个核心逻辑盘清楚!
1.灵魂拷问:我们到底想要什么?
如果让我用一句话回答:只有在饱和区,我们才能实现“线性无失真放大”!
在其他区域(比如三极管区),信号出来是歪的、扁的,那是做开关用的,不是做放大的。
说无凭,我们拿最经典的共源极(CS)放大器来解剖一下:
看这个电路,逻辑很简单:
输入是栅源电压 V_GS
输出是漏源电压 V_DS(也就是 V_O)
核心公式:VDS = VDD - (iD × RD)
看到没?输出电压 V_DS 完全取决于漏极电流 i_D 怎么变。所以,MOSFET 到底怎么控制电流 i_D,决定了它能不能放大!
2. 为什么“三极管区”不行?
很多新手觉得“三极管区”(Triode Region)听起来像是在工作,其实是个坑。
在三极管区,MOSFET 的电流方程非常复杂,输出电压 V_O 不仅取决于输入 V_GS,竟然还跟它自己 V_DS 有关!
这意味着什么?意味着非线性。你给一个正弦波进去,出来的是个被压扁的、扭曲的波形。 这在音响里叫“爆音”,在射频里叫“谐波干扰”。绝对不行!
3. 为什么“饱和区”才是王道?(干净!纯粹!)
好,现在让我们把管子推入饱和区。奇迹发生了,电流方程瞬间清爽:
注意到了吗?V_DS 消失了!
此时的电流 i_D 只受输入电压 V_GS 控制,跟输出端的电压没关系了。 这在电路里叫“压控恒流源”。
此时的输出电压公式也变得很单纯,虽然有一个平方项,但在小信号分析下,这段曲线足够陡峭且接近线性。 这就是我们要的可控性!
4.一图胜千言:电压传输特性曲线(VTC)
如果你觉得公式枯燥,直接看这张图,这是所有放大器设计的藏宝图:
我们把输入(V_GS)和输出(V_DS)的关系画出来: A到B段(饱和区): 看到那个陡峭的下坡了吗?那是最常用的区域。输入线性放大,输出无失真。B到C段(三极管区): 曲线趴窝了,平了。这地方增益极低,而且输出高度失真。
5. 终极奥义:放大是如何发生的?
最后,让我们动态地看一下信号是怎么被放大的。
我们将直流偏置点(Q点)设在饱和区曲线最陡峭的地方。 输入一个小小的正弦波 V_GS。 因为饱和区的曲线斜率(Slope)很大,这个小波动被映射到了纵轴上。 输出端就得到了一个巨大的、形状完美复刻的反向电压波形!
总结一下:
三极管区 = 可变电阻 = 开关导通状态(输出失真,适合做电源/数字逻辑)。
饱和区 = 压控恒流源 = 放大器核心(线性好,增益高,适合做运放/射频/音频)。
下次你在调试电路发现波形削顶或者失真了,先别急着换芯片,拿万用表量一下 VDS。八成是你的静态工作点(Q点)跑偏了,管子没在饱和区老实呆着!
觉得好叮?点赞收藏,下次面试被问到这个问题,直接把这一套逻辑甩给面试官!
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