共源级放大电路偏置设计及小信号分析

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MOSFET理解与应用：Lec 12—一篇文章搞定共源级放大电路
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本期内容：

共源级放大电路的偏置设计

共源级放大电路的小信号分析

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1、共源级放大器的偏置电路设计

Fig. 1

一个合适的偏置电路设计是放大器工作的前提，偏置电路需要使MOSFET工作在饱和区。如图Fig. 1，这是一个前几期讲过的MOSFET放大器的最基本电路。

① 电阻分压偏置电路

Fig. 2是一个最简单常见的偏置电路的设计，对比Fig. 1有很多不用，首先栅极没有了偏置直流电源，多了好几个电阻，多了一个电容，这些器件都有什么用呢？

Fig. 2

Fig. 1中的供电设计是复杂的，需要两种电源才能使放大器工作，这个是我们不希望的，所以Fig. 2中利用电阻的分压电路，使VDD分一部分电压给栅极提供偏置电压，大小为VDD*R2/(R1+R2)。这样整个系统就可以只用一个供电单元来提供电压，简化了设计。所以R1，R2的作用是分压，为MOSFET提供栅极开启电压。Fig. 2 中的R0为小信号源的内阻，这个内阻在实际电路设计中是必须要考虑的，比如要放大的信号时麦克风信号，那R0就表示麦克风的内阻。Fig. 2 中的C0为一个隔直电容，作用是防止前级直流信号对后级偏置电压的影响。只有交流信号能够通过后级电路进行放大。但是电容对于MOSFET器件来说是一个非常大的器件，增加一个电容会占用芯片很大一块位置，所以尽量避免使用电容，如图Fig. 3有两级放大电路，如果前一级的输出Vx的直流部分正好可以作为后级的直流偏置，则不需要加电容和分压电阻。

Fig. 3

选择合适的R0，R1，RD才能使MOSFET工作在饱和区，使其具有放大作用。下期讲介绍一个实际的例子来说明这些电阻应该如何选取，大概的量级是多少。

② 自偏置电路

Fig. 4是一个自偏置电路的设计，此时，通过RF的电流为零，RF两边的电压相等，MOSFET的漏极电压和栅极电压相等，都等于VDD-I_D * R_D。

Fig. 4

自偏置电路的好处是它对MOSFET的截止电压的敏感性弱，因为工艺的公差会导致两片晶圆片的阈值电压不可能完全相等，比如晶圆片A的阈值电压为V_TH，A，晶圆片B的阈值电压为V_TH，B，如下图Fig. 5，如果用电阻分压方法来提供栅极的偏置电压，则相同的V_GS在两个晶圆片上得到的漏极电流是不同的，这就会导致两片晶圆片做出来的放大器的放大倍数不相同。

Fig. 5

但如果用Fig. 4的自偏压电路，V_TH上升会导致I_D下降，I_D下降会导致V_{GS}上升，V_{GS}上升又会导致I_D上升，这个电路有个自反馈的过程在，所以他对V_TH的变化敏感性不高，在一定程度上晶圆片的公差不过过大的影响放大器的性能。

共源级放大电路的偏置部分就介绍这两种，其他种类的偏置电路大同小异。

2、共源级放大电路的小信号分析

放大电路的小信号分析主要考虑三个参数，放大倍数、输入阻抗和输出阻抗，这三个参数直接影响实际电路中的小信号放大倍数。我们以电阻分压偏置电路Fig. 2为例进行计算这三个参数。这里主要运用MOSFET的小信号电路模型和输入阻抗和输出阻抗的概念。不清楚的请查看。MOSFET理解与应用：Lec 9—NMOS、PMOS小信号电路模型总结、MOSFET理解与应用：Lec 10—输入阻抗和输出阻抗的概念。

Fig. 6

如图Fig. 6，为电阻分压偏置电路的小信号电路模型，这里只是将Lec 9 中的模型替换了MOSFET器件，是不是超级简单。通过这个电路图可以求出：

从这个式子可以看出要使放大倍数提高，需要R1||R2远大于R0。这也是偏置电路设计时需要注意的一点。

总结一下：偏置电路是设计是为了放大器能够正常工作，使MOSFET工作在饱和区，同时引入的器件如电阻也会影响MOSFET的放大倍数。然后利用小信号模型求出具体的放大倍数，输入输出阻抗这三个变量。