?MOSFET共源放大器介紹

在本文中，我們介紹了具有不同負(fù)載類(lèi)型的MOSFET共源放大器的基本行為。

模擬電路隨處可見(jiàn)，放大器基本上是每個(gè)模擬電路的一部分。MOSFET能夠制造出卓越的放大器件，這就是為什么有多種基于它們的單級(jí)放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。根據(jù)哪個(gè)晶體管端子是輸入端和哪個(gè)晶體管端子是輸出端來(lái)區(qū)分它們。

在本文中，我們將討論共用源極（CS）放大器，它使用柵極作為其輸入端子，使用漏極作為其輸出。在交流信號(hào)方面，源端子對(duì)于輸入和輸出都是公共的，因此得名為共源。圖1顯示了具有理想電流源的CS放大器。

具有理想電流源負(fù)載的共源放大器。

?圖1。具有理想電流源負(fù)載的共源放大器。

不幸的是，理想的電流源實(shí)際上并不存在。為了了解CS放大器在真實(shí)世界中的作用，我們需要考慮不同版本的電路。在本文的其余部分中，我們將研究具有多種不同負(fù)載類(lèi)型的CS放大器級(jí)。我們將了解每個(gè)的行為，然后討論當(dāng)我們向放大器中添加源退化時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

帶電阻負(fù)載的共源放大器

最簡(jiǎn)單的CS放大器負(fù)載類(lèi)型是無(wú)源電阻。配置如圖二所示。

?圖2。帶電阻負(fù)載的共源放大器。 

因?yàn)檫@個(gè)版本的放大器是如此簡(jiǎn)單，我們將使用它進(jìn)行一些觀察和方程式，也適用于具有其他負(fù)載類(lèi)型的CS放大器。

帶電阻負(fù)載的CS放大器的大信號(hào)操作

圖3顯示CS放大器的大信號(hào)特性。我們可以很容易地看出，放大器的大信號(hào)操作是非線性的。

帶電阻負(fù)載的MOSFET共源放大器的直流傳輸特性。

?圖3。帶電阻負(fù)載的MOSFET共源放大器的直流傳輸特性。

仔細(xì)觀察這個(gè)數(shù)字，我們發(fā)現(xiàn)隨著 VIN從零開(kāi)始增加，會(huì)出現(xiàn)以下情況：

當(dāng)我們開(kāi)始從零開(kāi)始增加 VIN時(shí)，M1保持關(guān)斷并且VOUT保持在VDD，直到 VIN接近閾值電壓（VTH）為止。

此時(shí)M1開(kāi)始導(dǎo)通電流。這導(dǎo)致負(fù)載電阻（RL）兩端的小電壓降，這又導(dǎo)致VOUT略微減小。

當(dāng) VIN達(dá)到VTH時(shí)，M1導(dǎo)通，由于VOUT大于（ VIN–VTH），M1處于飽和狀態(tài)。

M1隨著車(chē)輛識(shí)別碼的增加而保持飽和狀態(tài)，直到車(chē)輛識(shí)別碼=車(chē)輛識(shí)別碼-車(chē)輛識(shí)別碼。

一旦 VIN增加到這一點(diǎn)，M1進(jìn)入線性區(qū)域并且VOUT繼續(xù)減少到接近零。

當(dāng)MOSFET飽和時(shí)，MOSFET作為放大器的工作效果最好——如果MOSFET不飽和，則放大器的性能會(huì)迅速下降。因此，我們可以考慮CS放大器的有效工作范圍，以?xún)H包括飽和時(shí)產(chǎn)生的VOUT的值。在圖3中，我們可以看到這些輸出電壓的范圍從M1打開(kāi)時(shí)（ VIN=VTH）到M1進(jìn)入線性區(qū)域時(shí)（VOUT= VIN-VTH）。由于VOUT=VDD–IDRL，我們必須最小化IDRL的乘積以最大化放大器的工作范圍。

帶電阻負(fù)載的CS放大器的小信號(hào)操作

小信號(hào)定義只有當(dāng)晶體管在飽和狀態(tài)下工作時(shí)才有效，因此可以估計(jì)為線性器件。然而，如上所述，這包括了我們的放大器的整個(gè)有效工作范圍。CS放大器的小信號(hào)模型（圖4）因此對(duì)我們非常有用。

帶負(fù)載的MOSFET共放大器的小信號(hào)模型。

?圖4。帶電阻負(fù)載的CS放大器小信號(hào)模型。

因?yàn)槲覀冸娐返闹黧w與源極端短路，gmbvbs =0。我們可以使用基爾霍夫電壓和電流定律計(jì)算小信號(hào)電壓增益：

?方程式1。

如果我們忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制，這將意味著MOSFET的輸出電阻（ro）無(wú)窮大。然后我們可以將增益方程式簡(jiǎn)化為僅gmRL。如果我們想要最大化輸出增益，我們應(yīng)該最大化 gm和/或 RL。因?yàn)?em style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(226, 232, 240); font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "segoe ui", Roboto, Ubuntu, "helvetica neue", Helvetica, Arial, sans-serif; font-size: medium; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);">gm與ID成比例，然而，最大化增益以犧牲放大器的工作范圍為代價(jià)。

帶電阻負(fù)載的輸入和輸出電阻

現(xiàn)在我們已經(jīng)檢查了大信號(hào)和小信號(hào)的行為，現(xiàn)在是時(shí)候去觀察放大器的輸入和輸出電阻了。這些都是必要的——它們確定了放大器如何與驅(qū)動(dòng)或被驅(qū)動(dòng)的電路相互作用。

由于輸入連接到MOSFET的柵極，所以輸入電阻是無(wú)窮大的。然而，找到放大器的輸出電阻（ROUT）并不是那么簡(jiǎn)單。為了計(jì)算ROUT，我們將測(cè)試源連接到輸出端，并測(cè)量通過(guò)它的電壓和電流。電路及其小信號(hào)等效模型分別如圖5的左和右部分所示。

左：帶電阻負(fù)載的CS放大器的輸出電阻測(cè)量。右：同一放大器等效小信號(hào)模型。

?圖5。帶電阻負(fù)載的CS放大器的輸出電阻測(cè)量（左）。放大器等效小信號(hào)模型（右）。

由于柵極、源極和本體端子接地，我們可以忽略這兩個(gè)電流源，讓我們有：

?方程式2。

有趣的是，如果我們將輸出電阻乘以MOSFET的跨導(dǎo)（gm），我們將獲得我們?cè)诜匠淌?中找到的小信號(hào)增益。此外，CS放大器的增益然后變得等于M1的漏極處觀察到的電阻除以M1的源極處觀察到的電阻，該電阻是跨導(dǎo)的倒數(shù)（1/gm）。因此，從這里我們可以將所有CS放大器的電壓增益一般定義為：

?方程式3。

其中Gm 為放大器的跨導(dǎo)。

由于高增益和工作范圍之間的權(quán)衡，電阻負(fù)載不一定是CS放大器的最佳選擇。此外，為了獲得大的增益，需要大的電阻，并且這些導(dǎo)致片上器件非常大。由于工藝變化，電阻值也可變化20%?；谒羞@些原因，不需要無(wú)源設(shè)備的負(fù)載選項(xiàng)是值得關(guān)注的。

帶二極管連接負(fù)載的共源放大器

代替電阻，我們也可以使用二極管連接的晶體管作為負(fù)載。在這種配置中，增加的MOSFET的柵極和漏極端子短路在一起，如圖6的左側(cè)部分所示。小信號(hào)等效模型如圖右側(cè)所示。

左：柵漏）。右：的小模型。

?圖6。柵極-漏極連接的MOSFET（左）及其小信號(hào)模型（右）。

在二極管連接的晶體管中，漏極電壓總是等于柵極電壓。因此，當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，它總是飽和的，就像我們?cè)诜匠淌?中看到的那樣：

?方程式3。

如果我們將測(cè)試電壓源連接到二極管連接的晶體管的漏極并測(cè)量電流，注意vgs=vth并忽略體效應(yīng)，我們可以計(jì)算輸出電阻為：

?方程式4。

從方程式4中，我們可以看到二極管連接的晶體管的輸出電阻大約等于其跨導(dǎo)的倒數(shù)。該值相對(duì)較小。具有二極管連接PMOS負(fù)載的NMOS CS放大器如圖7所示，以及放大器的大信號(hào)特性圖。

左：帶二極管連接負(fù)載的CS放大器。右：放大器大信號(hào)特性圖。

?圖7。帶二極管連接負(fù)載的CS放大器（左）。放大器的大信號(hào)特性（右）。

使用方程式4中的輸出電阻計(jì)算可知，該放大器的增益為：

?方程式5。

由于二極管連接負(fù)載在導(dǎo)通電流時(shí)一直處于飽和狀態(tài)，所以放大器正常工作的唯一標(biāo)準(zhǔn)是：

?方程式6。

其中VOUT可計(jì)算為

?方程式7。

這可以在圖7中看到，因?yàn)榉糯笃髟?em style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(226, 232, 240); font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "segoe ui", Roboto, Ubuntu, "helvetica neue", Helvetica, Arial, sans-serif; font-size: medium; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);">VIN=0.6V左右變得非線性。

由于它們提供了大的線性工作范圍，二極管連接的MOSFET負(fù)載是CS放大器的常見(jiàn)選擇。然而，與一些其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它們的低阻抗導(dǎo)致了更低的增益。

帶電流源負(fù)載的共源放大器

接下來(lái)，讓我們來(lái)看一下如果負(fù)載晶體管（M2）被固定的DC偏置電壓（VB）偏置，會(huì)發(fā)生什么，如圖8中左邊所示。大信號(hào)傳輸特性如右圖所示。

左：帶源負(fù)載的CS放大器。右：放大器大信號(hào)特性圖。

?圖8。帶電流源負(fù)載的CS放大器（左）。放大器的大信號(hào)特性（右）。

我們可以從MOSFET的小信號(hào)模型中看到，在飽和狀態(tài)下，進(jìn)入晶體管漏極的輸出電阻為ro。如果我們從VOUT回顧放大器，兩個(gè)晶體管（M1和M2）出現(xiàn)并聯(lián)。因此，使用方程式3，該配置的增益為：

?方程式8。

這種CS放大器配置具有比二極管連接負(fù)載更大的增益，因?yàn)?em style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(226, 232, 240); font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "segoe ui", Roboto, Ubuntu, "helvetica neue", Helvetica, Arial, sans-serif; font-size: medium; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);">ro，p比二極管連接負(fù)載大得多

對(duì)于工作區(qū)域，我們從圖8中可以看出，我們必須滿(mǎn)足以下要求以保持兩個(gè)晶體管處于飽和狀態(tài)：

?方程式9。

?方程式10。

從這些方程式中我們可以看出，低偏置電壓增加了范圍，同時(shí)降低了PMOS負(fù)載的電阻，導(dǎo)致增益下降。雖然它提供了更高的增益，但具有電流源負(fù)載的CS放大器將因此具有相對(duì)小的工作區(qū)域，如圖8的陡峭線性部分所示。此外，所需的直流偏置電壓可能很復(fù)雜，難以產(chǎn)生，必須在工藝、電壓和溫度變化過(guò)程中保持恒定。

有源負(fù)載的共源放大器

我們將要研究的最后一種負(fù)載類(lèi)型是有源MOSFET負(fù)載。這種配置如圖9左側(cè)所示，更常用作數(shù)字電路中的CMOS反相器。然而，它也可以是一個(gè)有效的模擬放大器。與電流源負(fù)載一樣，它包括連接到輸入信號(hào)的PMOS負(fù)載。

左）。右：放大器大信號(hào)特性圖。

?圖9。有源CS（左）。放大器的大信號(hào)特性（右）。

有源負(fù)載的輸出電阻與電流源負(fù)載的輸出電阻相同，但總跨導(dǎo)現(xiàn)在是兩個(gè)晶體管的總和。

?方程式11。

這種更大的增益是以高非線性為代價(jià)的，如圖9的大信號(hào)特性圖所示。

為CS放大器添加源退化

正如我們?cè)谇懊娴恼鹿?jié)中所看到的，線性是CS放大器的一個(gè)非常重要的性能度量。我們可以通過(guò)在輸入設(shè)備的源中增加一個(gè)電阻來(lái)改善線性，如圖10所示。

右：小型號(hào)。

?圖10。CS放大器，源退化（左）。放大器的小信號(hào)模型（右）。

使用將小信號(hào)增益定義為漏極電阻除以源極電阻的方程式3，我們可以計(jì)算該電路的增益為：

?方程式12。

從方程式12中我們可以看出，源電阻降低（減?。┝嗽鲆?。總輸入電壓（VIN）被分配到M1的柵極-源極和源極電阻之間。因此，漏極電流隨著輸入電壓的變化而變化得更慢。這減少了漏電流相對(duì)于M1的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的非線性。

由此產(chǎn)生的大信號(hào)特性（圖11）證明了這一點(diǎn)。工作范圍要大得多，但增益要低得多，如淺坡度所證明的那樣。

增加了源極退化的MOSFET共源極放大器的大信號(hào)特性。

?圖11。具有源極退化的共源放大器的大信號(hào)特性。

總結(jié)

我們現(xiàn)在已經(jīng)研究了MOSFET共源放大器在幾種不同負(fù)載類(lèi)型下的表現(xiàn)。我們進(jìn)一步研究了源退化的概念以及它如何影響線性和增益。在本系列的下一篇文章中，我們將討論CS放大器的頻率響應(yīng)。