模擬電子地電路第4章

模擬電子地電路第4章第一頁，共40頁。

第一節(jié)MOS場效應(yīng)管的特點(diǎn)（1）MOS場效應(yīng)管是一種電壓控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS場效應(yīng)管是單極型器件，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)。（3）輸入電阻極高，一般高達(dá)109~1012。（4）MOS場效應(yīng)管所占芯片面積小、功耗很小，且制造工藝簡單，因此便于集成。（5）因MOS場效應(yīng)管既有N溝道和P溝道器件之分，又有增強(qiáng)型和耗盡型之別，它們對偏壓極性有不同要求。第二頁，共40頁。（6）MOS場效應(yīng)管跨導(dǎo)gm較低（約為雙極型晶體管的1/40），所以為了提高增益，減小芯片面積，常采用有源負(fù)載。（7）MOS場效應(yīng)管存在背柵效應(yīng)（也稱襯調(diào)效應(yīng)），為了減小柵源電壓對漏極電流的影響，要保證襯底與溝道間的PN結(jié)始終處于反偏。（8）MOS場效應(yīng)管的不足之處除了跨導(dǎo)gm較低以外，還有其工藝一致性較差、輸入失調(diào)電壓大、工作頻率偏低，低頻噪聲較大等。MOS場效應(yīng)管的特點(diǎn)第三頁，共40頁。

第二節(jié)MOS場效應(yīng)管的模型1.簡化的低頻交流小信號模型簡化的低頻小信號模型求全微分得正弦信號下考慮到MOS管的輸入電阻極高，(RGS可認(rèn)為無窮大）。若源、襯極相連，uBS=0,則可得簡化的低頻小信號模型如圖。UgsUdsId++--第四頁，共40頁。

第二節(jié)MOS場效應(yīng)管的模型2.高頻交流小信號模型MOS管完整的交流小信號模型如圖。如果MOS管的源極與襯底相連，uBS=0,則它的高頻小信號模型可以得到簡化。

簡化高頻小信號模型低頻情況下，極間電容均可視為開路，這樣也可得到簡化低頻小信號模型。第五頁，共40頁。一、場效應(yīng)管的直流偏置電路（一）自偏壓電路(1)UGS=

0時(shí),IS=IDRS兩端電壓為：US=ISRS(2)由于IG=0;UG=0:

UGS=UG-ISRS=-ISRS=-IDRS由此構(gòu)成直流偏壓，稱為自偏壓電路，這種偏壓方式只適合耗盡型FET?；拘妥越o偏置電路第三節(jié)場效應(yīng)管的基本放大電路場效應(yīng)管式電壓控制器件，需要合適的柵極電壓。第六頁，共40頁。上述電路中RS起直流反饋?zhàn)饔茫琑S大，Q穩(wěn)定；但RS大Q點(diǎn)低。問題：Q點(diǎn)低不僅使A，且由于接近夾斷，非線性失真加大。由R1、R2分壓，給RG一個(gè)固定偏壓。RG很大以減小對輸入電阻的影響。(1)對于耗盡型FET：

UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS此時(shí)：RS大Q點(diǎn)不會低?？梢愿倪M(jìn)自偏置電路RS對Q點(diǎn)的影響。顯然對于JFET,當(dāng)|US|>|UG|時(shí)，放大器才具有正確的偏壓。分壓器式自偏壓電路ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2（二）分壓器式自偏壓電路第七頁，共40頁。(2)對增強(qiáng)型MOSFET:UGS=UDDR2/(R1+

R2)RG很大以減小對輸入電阻的影響。改進(jìn)后：（如圖）UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS對增強(qiáng)型MOSFET,須保證|UG|>|US|時(shí)，放大器才具有正確的偏壓。分壓器式自偏壓電路由此構(gòu)成直流偏壓，稱為分壓器式自偏壓電路，這種偏壓方式即適合耗盡型FET又適合增強(qiáng)型FET。改進(jìn)前：（自偏壓電路）第八頁，共40頁。UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UG－US=UG－IDRS

ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2UDS=UDD－ID(Rd+RS)共源基本放大電路直流通路根據(jù)圖可寫出下列方程：由上式可以解出UGSQ、IDQ和UDSQ。二、三種基本放大電路（一）共源基本放大電路(1)直流分析第九頁，共40頁。電壓增益為1.未接CS時(shí):等效電路如圖:一般rds>>

RDRL>>RS;rds可忽略。（一）共源基本放大電路二、三種基本放大電路rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---RL’=RD//RL一般負(fù)載比rds小很多，故此時(shí)可認(rèn)為rds開路。第十頁，共40頁。放大電路的輸入電阻為放大電路的輸出電阻為Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’RD2.接入CS時(shí):AU

-gmRL’Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’=RD//rdsRDrdsRDRLR2R1RGgmUgsUgsUiUoRi’Ro’+++---rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---第十一頁，共40頁。共漏放大電路電壓增益為（二）共漏基本放大電路Ri’=

RG輸入電阻為式中:RL’=rds//Rs//RLRs//RL交流等效電路第十二頁，共40頁。求輸出電阻1.求輸出電阻的等效電路如圖所示2.求輸出電阻:Ugs=-UotIot=Uot/Rs-gmUgs=Uot(1/Rs+gm)根據(jù)輸出電阻的定義：Ro'

=Uot/Iot=1/

(1/Rs+gm)=Rs//

（1/

gm）與射極跟隨器類似輸出阻抗低電壓增益近似為1（二）共漏基本放大電路第十三頁，共40頁。（三）共柵基本放大電路與共基放大器類似輸入阻抗低輸出阻抗高電壓增益高共柵放大器典型電路所以，電壓增益為:式中:RL’=RD//RL共柵放大器等效電路由電路方程：第十四頁，共40頁。輸入電阻為:Ri=

Ui/Id1/gm當(dāng)rds>>RL’,gm

rds>>1時(shí)：所以：Ri’R1//（1/gm）輸出電阻為:Ro’rds//RDRD由Ro’第十五頁，共40頁。MOS管三種組態(tài)基本放大電路的基本特性電路組態(tài)共源（CS）共漏(CD)共柵(CG)電壓增益

輸入電阻Ri很高很高輸出電阻Ro基本特點(diǎn)電壓增益高,輸入輸出電壓反相,輸入電阻高,輸出電阻主要取決于RD。電壓增益小于1,但接近于1,輸入輸出電壓同相,輸入電阻高,輸出電阻低。電壓增益高,輸入輸出電壓同相,輸入電阻低,輸出電阻主要取決于RD。性能特點(diǎn)第十六頁，共40頁。（一）增強(qiáng)型（單管）有源負(fù)載將D、G短接（N溝道），電路如圖：R0R0顯然：適當(dāng)減小gm(或)可提高R0。第四節(jié)MOS管恒流源負(fù)載gmb背柵跨導(dǎo)第十七頁，共40頁。（二）耗盡型（單管）有源負(fù)載將G、S短接（n溝道），電路如圖:R0R0顯然，與增強(qiáng)型MOS有源負(fù)載相比，它具有更高的R0。G,S間電壓為0此時(shí)G,S間沒有電流源第十八頁，共40頁。第五節(jié)MOS管電流源一、MOS電流源（一）MOS鏡像電流源（電路如圖）T1、T2均工作在恒流區(qū)因?yàn)閁GS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0所以2211021LWLWRDDIIII==若T1、T2結(jié)構(gòu)對稱：則溝道的寬長比=1，得Io=IR，成鏡像關(guān)系。第十九頁，共40頁。（二）具有多路輸出的幾何比例電流源若T1、T2結(jié)構(gòu)不對稱：則I02與IR成比例，比例系數(shù)為溝道的寬長比之比。設(shè)TR、T2、T3管的溝道寬長比分別為STR、ST1、ST2，則有:由MOS鏡像電流源工作原理可知:同時(shí)也有第二十頁，共40頁。第六節(jié)MOS單級放大電路有源負(fù)載的共源MOS放大器常見的電路形式有：1.E/E型NMOS放大器：放大管和負(fù)載管均為N溝道增強(qiáng)型（E型）的共源放大器。2.

E/D型NMOS放大器：放大管用增強(qiáng)型（E型），負(fù)載管用耗盡型（D型），兩管均為N溝的共源放大器。3.CMOS有源負(fù)載放大器：是由增強(qiáng)型NMOS管（放大），和增強(qiáng)型PMOS（有源負(fù)載）組成的放大器。4.

CMOS互補(bǔ)放大電路：采用極性不同（P、N溝道）的兩只MOS管構(gòu)成互補(bǔ)電路。第二十一頁，共40頁。（一）E/E型NMOS單級放大電路E/E型NMOS放大電路實(shí)質(zhì)放大管和有源負(fù)載管均采用增強(qiáng)型MOS管（稱為E管），其中，VT1為放大管，VT2為負(fù)載管。（RO2=1/(gm2+gmb2)為T2管的等效電阻）。電壓增益:此時(shí)襯底接地不考慮襯底效應(yīng)第二十二頁，共40頁。特點(diǎn)：1.由于ST1、ST2受工藝限制不能隨意增加，AUE只能達(dá)到5-10倍（較?。?。2.輸入電阻決定于VT1管的柵絕緣電阻，阻值很高，一般可達(dá)1010。輸入電阻：Ri>1010

輸出電阻：Ro=rds//RO2第二十三頁，共40頁。（二）E/D型NMOS單級放大電路E/D型NMOS放大電路是指放大管采用增強(qiáng)型MOS管，有源負(fù)載采用耗盡型MOS管（稱為D管），其中，VT1為放大管，VT2為負(fù)載管。（RO2=1/gmb2為T2管的等效電阻）電壓增益:第二十四頁，共40頁。輸入電阻：Ri>1010輸出電阻：Ro=rds//Ro2特點(diǎn)：1.增益高，因2為0.1左右，故AUD比AUE高一個(gè)數(shù)量級。（常用）2.輸入電阻為T1的柵源絕緣電阻，很高，一般可達(dá)1010。3.輸出電阻比E/E型放大器高。E/E型第二十五頁，共40頁。（三）CMOS有源負(fù)載放大電路電路如圖:(B、S短接即UBS=0;UGS=0)等效電路如圖:(T2管的等效負(fù)載Ro2=rds2)電壓增益：

AU=-gm1(rds1//rds2)第二十六頁，共40頁。優(yōu)點(diǎn)：1.電壓增益高，gds比gm或gmb小1~2個(gè)數(shù)量級，故在同樣工作電流條件下，AU遠(yuǎn)高于AUE、AUD--幾百倍乃至上千倍。2.功耗小，在恒流區(qū):輸入電阻：Ri>1010輸出電阻：缺點(diǎn)：輸出電阻比E/E型和E/D型高，負(fù)載能力較E/E型和E/D型差。可見，在恒流區(qū)，ID越小，AU越高。所以，CMOS放大器可在較低的電流下工作，有利于降低功耗。第二十七頁，共40頁。（四）CMOS互補(bǔ)放大電路電壓增益：輸入電阻：Ri>1010

輸出電阻：增益高，是CMOS有源負(fù)載放大器的2倍。

缺點(diǎn)：級聯(lián)時(shí)電平匹配困難，因此一般作輸出級。特點(diǎn)：第二十八頁，共40頁。四種常用MOS單級放大器性能比較電路類型增益表達(dá)式AU典型值輸出電阻Ro表達(dá)式E/E型NMOS放大電路<20dB>30dBCMOS有源負(fù)載放大電路30～60dBCMOS互補(bǔ)放大電路31～66dBE/D型NMOS放大電路第二十九頁，共40頁。第七節(jié)MOS管差分放大電路MOS管差分放大電路的基本形式：1.E/E型NMOS差放電路2.E/D型NMOS差放電路3.CMOS差放電路CMOS差放電路E/D型NMOS差放電路E/E型NMOS差放電路第三十頁，共40頁。MOS管差分放大電路的分析利用分析雙極型差分放大電路相類似的方法－半邊電路法。以E/D型NMOS差放電路為例E/D型NMOS差放電路雙端輸出差模電壓增益：單端輸出差模電壓增益：

單端輸出共模電壓增益：共摸抑制比:第三十一頁，共40頁。第八節(jié)CMOS管功率放大電路CMOS互補(bǔ)功率放大電路如圖：對比雙極型甲乙類功放電路說明其工作原理。T1、T2為互補(bǔ)源極跟隨器；T3、T4的柵源電壓UGS為T1、T2提供直流偏壓，使T1、T2兩管工作在甲乙類狀態(tài)；T5與T6組成CMOS推動(dòng)電路，T5是放大管，T6是T5的有源負(fù)載。

第三十二頁，共40頁。第九節(jié)MOS模擬開關(guān)及開關(guān)電容電路在模擬集成電路中，MOS管可做為：

1.增益器件；2.有源負(fù)載；3.模擬開關(guān)(接近于理想開關(guān))。做成的模擬開關(guān)近于理想開關(guān)，主要是它有以下特性：

1.器件接通時(shí)D-S間不存在固有的直流漂移。2.控制端G與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間無直流電流。從開關(guān)應(yīng)用角度講，NMOS優(yōu)于PMOS，所以通常選用NMOS管做模擬開關(guān)。第三十三頁，共40頁。一、單管MOS傳輸門模擬開關(guān)1.增強(qiáng)型單管MOS模擬開關(guān)電路UG<UGS,th時(shí)管子截止（Roff

）。UG>UGS,th時(shí)管子導(dǎo)通（Ron0）?？山频刃槔硐腴_關(guān)（如圖）:(1)極間電容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在(2)Roff

,Ron0(2)UGSRon，但Cgs、Cgd串?dāng)_，所以應(yīng)適當(dāng)選擇UGSRon，但極間電容，所以應(yīng)適當(dāng)選擇結(jié)論:(1)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，MOS管并非理想開關(guān)。實(shí)際等效電路如圖:第三十四頁，共40頁。保證MOS模擬開關(guān)正常工作的條件MOS開關(guān)的正常工作受限于與開關(guān)連接的電容值，時(shí)間常數(shù)是限制開關(guān)工作速度的重要因素。保證開關(guān)工作的條件為：開關(guān)工作頻率>時(shí)鐘控制頻率第三十五頁，共40頁。二、開關(guān)電容電路（簡稱SC電路）開關(guān)電容電路的組成：由MOS模擬開關(guān)和MOS電容組成。開關(guān)電容電路的功能：當(dāng)開關(guān)電容在集成電路中代替電阻時(shí)，又稱為SC等效電阻電路。SC等效電阻電路，分為{（1）并聯(lián)型SC等效電阻電路（2）串聯(lián)型S