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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共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第1张图片

1、共源级放大器的偏置电路设计

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第2张图片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?

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第3张图片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。

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第4张图片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。

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第5张图片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。

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第6张图片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。

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第7张图片

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。

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第8张图片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:

共源级放大电路偏置设计及小信号分析_第9张图片

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。

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