微電子電路分析與設計

1. 微電子電路分析與設計 第四章 基本的FET放大器

2. 預覽  MOSFET 放大器 放大器的基本配置 • 共源極放大器 • 源極隨耦器 • 共閘極放大器 三種基本放大器配置: • 綜合敘述與比較 單極積體電路 MOSFET • 放大器 多極放大器 基本 JEFT 放大器

3. 預覽 • 線性放大電路 • 雖然MOSFET主要應用在在數位電路上,但在線性放大電路也被廣泛的使用 • 三種單晶體FET放大器的基本配置 • 共源極 (C-S), 共閘極(C-G), 共汲極 (C-D). • MOSFET 積體電路放大器通常用 MOSFET 作為取代電阻的負載元件 . • 在積體電路系統中，放大器通常被用來串接或是疊接 . • 串接或是疊接組態: 要增加整體的電壓增益或提供一個特別電壓增益和輸出電阻的組合 . • JFET 電路在摘要討論

4. MOSFET 放大器 • 預覽 • 小訊號: 能夠線性化 ac 等效電路. • 疊加:dc 和 ac 的電路分析能夠分開被執行. • 擴大使用圖解式的技術討論 dc 負載線和 ac 負載線. • 發展各種不同小信號參數的電路和對應的等效電路. • 在四種可能的等效電路之中最普遍的是轉導放大器 • 輸入訊號是電壓且輸出訊號是電流.

5. 圖解法、負載線和小信號參數 • 共源極電路和時間變化的關係. • 負載有Q點和vGS、VDD、RD和電晶體特性. • 對於輸出電壓成為線性函數 輸入電壓,電晶體必須偏壓在飽和區. • 輸入正弦波使 vGS、iD 和 vDS變化. • 當 vi↑ (↓)vGS↑ (↓)，Q點降負載移動 ↑(↓) iD 和 ↓(↑) vDS • 一但 Q 點成立, vgs、id 和 vds 我們可以為正弦建立一個數學模型 • 對於 FET 操作當做一個線性放大器，那 電晶體一定要也在飽和區域、 iD和 vDS 一定要工作在飽和區.

6. 電晶體參數 • 第一個條件是DC或是靜態汲極電流IDQ • 第二個條件是隨著時間改變的汲極電流組件與 vgs成線性關係 • 第三個條件是與訊號電壓的波形成比例 • 為了最小化 harmonics,我們需要, 第三個條件比第二個條件小很多,代表小信號條件是必須滿足的線性放大器

7. 小訊號意味著線性所以全部的電流可以分離成 dc元件和 ac 元件. • 小訊號 id藉著轉導 gm與小訊號 vgs（輸入）有關。

8. 藉由重疊的訊號 來比較 id和 vgs的特性 • 轉導 gm是曲線的斜率 • 當 vgs夠小 gm為常數 • Q 點操作在飽和區, vgs將線性的控制電晶體的電流源 • Q 點操作在非飽和區時, 電晶體無法線性的控制電流源. • 轉導gm kn  W/L • 因此, ↑電晶體的寬度  ↑轉導 gm, 或電晶體的增益.

9. 例題6.1考慮 n 通道 MOSFET 參數 VTN=1V,(1/2)μnCox = 20μA/V2, and W/L = 40. 汲極的電流 ID=1mA 解答:假設傳導的參數是 假設電晶體是操作在飽和區,轉導由方程式確定 Eq.(4.8(b)) 轉導(增益)小於 BJT,但是 MOSFET 的優點包括高輸入阻抗，小尺寸，低功耗。

10. AC 等效電路 • 輸出電壓 • 與小訊號關係 • Ac 等效電路 • DC電流設定為零

11. 小訊號等效電路 • 假設訊號的頻率非常低 在閘極終端的電容被忽略.  輸入到閘極因此看起來像開迴路或是無限大的電阻

12. MOSFET 在飽和區域中考慮有限輸出電阻 • iD和 vDS 波形在非零曲線的結果 • 是通道長度調變參數，是一個正的數值。 • 小訊號輸出電壓 ro • Q點參數也是一個函數 .

13. 擴大N通道MOSFET的小訊號等效電路 • 這個等效電路是一個轉導放大器 • 輸入是一個電壓信號和輸出是電流信號. • 這個等效電路現在可以插入放大器的AC等效電路.

14. 例題 4.2：確定 MOSFET 的小訊號電壓增益.電路如圖 4.1 假設參數是: VGSQ = 2.12V ， VDD = 5V ， RD = 2.5kΩ. 假設電晶體參數是: VTN=1V ， Kn=0.80mA/V2， λ=0.02V-1. 假設電晶體是偏壓在飽和區 解答： 靜態數值是 和 因此，

15. 這意味著電晶體是偏壓在飽和區，在初使的假設中必需要是線性的放大器，轉導為 輸出電阻是 從圖 4.7，輸出的電壓是 由於 Vgs=Vi， 小訊號電壓增益是 MOSFET有較低的小訊號電壓增益, 且增益較小且為負值

16. 解決問題的技術：MOSFET AC 分析 • 分析 dc: • ac 源設定為零, • 一個線性放大器操作在飽和區. • 用訊號模組畫一個小訊號等效電路分析. • 分析 ac: • 移除 dc 為零. • P通道電晶體：作為 n通道 • DC 分析: • VDD 連結到源極且電源供應電壓是 VDD • 改變 NMOS 電晶體的電流方向和電壓極性比較

17. AC 分析: • AC等效電路顯示出了電流方向和電壓極性的反轉. • 增益也是負的.

18. vgs的電壓極性是相反的, 然而 id也是相反的. • 小訊號的等效電路 PMOS 元件和 NMOS 元件是相同的 • 這一本書偏愛使用了小訊號等效電路與 PMOS 的電壓極性和目前方向一致 傳統型 極性反轉 ＝＞如同NMOS

19. 基體效應 • MOSFET的基體效應是發生在基底或是 body 端而沒有連接到源極 • 對於 NMOS 來說基底是連接到電路最負的電位或是訊號接地. • 簡易臨限電壓的I-V關係 • vSB  0，如果等於零那就沒有基體效應

20. 如果源極到基底存在有AC電壓,vSB,將會有因為AC成分的導通電壓因而造成AC分量的漏電流.如果源極到基底存在有AC電壓,vSB,將會有因為AC成分的導通電壓因而造成AC分量的漏電流. • Back-gate 轉導可以定義為 • 包括基體效應的小訊號等效電路 • 源極到基底的小訊號電壓的極性 • vbs > 0 vSB↓VTN↓iD↑ • 電流的方向和電壓的極性因此一致 • 一般來說這本書是無視基體效應

21. 基本電晶體放大器組態 • 基本電晶體放大器組態 • 共源極, 共汲極 (源極隨耦器),與共閘極 • 相對應為共射極, 共集極 (射極隨耦器), 與 共基極 • 放大器的輸入與輸出電阻特性對決定負載效應來說是很重要的 • 這三個基本MOSFET的基本電路組態如電壓增益將取決於參數 • 這三種放大器特性可以讓我們瞭解在什麼情況下用哪一種是最有用的 • 起初, MOSFET 放大電路在偏壓電阻的情況下使用分離式的設計. • 其目的是要熟悉基本的MOSFET放大器設計及其特點.

22. 基本共源極放大器電路 • 源極端接地, 共源極組態 • 藉由 R1和 R2來達到分壓 電晶體偏壓在飽和區 • AC 訊號藉由通過耦合電容 CC 耦合到 G • CC 提供給 dc 直流隔離放大源和訊號源. • 電容阻抗 • Ex. Cc=10 F，f = 2 kHz  |Zc|  8  • ︱ZC｜<< 終端電容上的電阻, • 假設 CC在頻率大於 2kHz時短路

23. 小訊號等效電路 • 訊號電壓源 vi在此系列是等效源極電阻 RSi • RSi<<Ri = R1∥R2為了最大限度地減少負載效應.

24. Q 點必須要接近飽和區的中間區域 • 為了提供最大的對稱的輸出電壓擺幅. • 輸入信號必須足夠小，為保持放大器的線性關係。

25. 輸入與輸出電阻 • 低頻輸入電阻: 從閘極看進去 MOSFET的輸入電阻基本上是無限大所以輸入電阻僅為偏壓電阻的一個函數. • 輸出電阻: 看回輸出端,發現通過獨立輸入源Vi (Vgs) = 0

26. 例題 4.3：判斷共源極放大器的小訊號電壓增益和輸入與輸出電阻. 電路展示在圖 4.14，參數是: VDD = 10V, R1 = 70.9kΩ, R2=29.1 kΩ, and RD = 5kΩ. 電晶體參數是: VTN = 1.5V, Kn = 0.5 mA/V2, and λ= 0.01V-1. 假設 Rsi = 4 kΩ. 解答：DC 計算： Dc 或靜態閘極致源極電壓是 靜態汲極電流為

27. 靜態汲極到源極的電壓是 由於 VDSQ > VGSQ – VTN, 電晶體偏壓在飽和區. 小訊號電壓增益： 小訊號轉導 gm是 和小訊號輸出電阻 r0是 放大器輸入電阻是

28. 從圖 4.15 和 方程式 (4.29)，小訊號電壓增益是 或 輸入與輸出電阻： 放大器輸入電阻 放大器輸出電阻是 評論：由此產生的Q點是負載線的中心，而不是在飽和區的中心.因此，在這種情況下這條賽道沒有達到最高對稱的輸出電壓擺幅.

29. 討論：小訊號輸入閘極到源極電壓是 由於 RSi 並不是0, 放大器輸入訊號 Vgs約為 84% 的訊號電壓。這就是所謂的負載效應。 即使輸入電阻對 G(地) 基本上是無限大，偏壓電阻影響了放大器的輸入電阻和負載影響 。

30. 例題4.4：設計 MOSFET 偏壓電路使 Q 點是操作在飽和區的中央，確認小訊號電壓增益的結果. 產品規格： 電路設計如圖 4.17。讓 R1∥R2 = 100kΩ，設計電路使得 Q 點是IDQ = 2mA 而且 Q 點是操作在飽和區的中央。 選擇：最後設計是使用標準數值的電阻，電晶體參數是 VTN =1V，W/L=25， λ=0.015V-1 是允許的.

31. 解答 (dc 設計)：負載線和所需的 Q 點如圖4.18.。如果 Q 點是操作在飽和區的中間，電流傳輸點必須是 4 mA，傳導參數是 現在我們可以計算在傳輸點的VDS (飽和區) 。 確認我們所使用的 VGSt,

32. 得到 因此 如果 Q 點操作在飽和區的中間，VDSQ=7V，將會產生這 10 V 峰至峰對稱輸出電壓 ，從圖4.17 可以看出

33. 或 我們可以從電流方程式決定閘極到源極的電壓, 依下列各項： 得到

34. 解答(ac 分析)：小訊號電晶體參數是 和 小訊號等效電路如圖 4.17.。小訊號電壓增益 或 截止：最接近的標準電阻值為 R1 =510kΩ，R2=130kΩ ， RD = 2.4kΩ. 從以下算式分析在Q點上的電阻值

35. 在此轉移點 或 得到 VGSt=3.04V. 電流在此轉移點是 Q 點到轉移點的電流比率是

36. 因此，Q 點是在飽和區中心百分之零點二的範圍，這是非常接近設計值。 由此產生的小信號電壓增益如下： 可得到 由於電壓增益直接關係到 RD ，增益值已略有改變。

37. 共源極放大器 • 共源極放大器源極電阻 • RS 穩定 Q 點 • 針對電晶體參數 • 但是也降低訊號增益. • 基體效應需要考慮. • 基極和基板通常會接到 5V 電源

38. 例題 4.5：決定共源極電路包含源極電阻的小訊號電壓增益。考慮圖 4.19的電路，電晶體參數 VTN = 0.8V, Kn = 1mA/V2, λ=0. 解答： 從電路的 dc 分析，可以發現 VGSQ = 1.5V，IDQ =0.50mA，VDSQ = 6.26V。小訊號的轉導是 和小訊號的電阻是

39. 圖 4.20 展示出小訊號等效電路的結果。描繪出小訊號等效電路，首先描繪出電晶體三端的等效電路，然後描繪連結在電晶體上其他的電路元件。輸出電壓是 從輸入的閘極-源極迴路中寫一個 KVL 方程式 我們發現

40. 小訊號電壓增益 我們注意到如 gm 很大的話，那小訊號電壓增益約為 適當把參數代入到實際的電壓增益方程式，我們發現

41. 討論: 包含一個源極電阻能穩定電路特性且減少對電晶體任何的參數變化 舉例, Kn變化 ±20％，影響下面結果: Kn (mA/V) gm (mA/V)AV 0.8 1.17 -5.17 1.0 1.40 -5.76 1.2 1.62 -6.27 改變 Kn對 gm 產生相當大的變化。此結果改變電壓的增益約 ± 9.5%,

42. 例題 4.6：決定 PMOS 電路的小訊號電壓增益。考慮圖4.21(a)的電路。 電晶體參數是KP = 0.25 mA/V2,，VTP = -0.5V， λ= 0。在靜態汲極電流得知 IDQ = 0.20mA. 小訊號等效電路如圖 4.21(b). 解答：小訊號輸出電壓

43. 在輸入的閘極-源極迴路寫一個KVL方程式，可以得到 或 這個方程式代入輸出的電壓Vsg，我們得到了小信號電壓增益為 小訊號轉導是 可得 或

44. 源極的旁路電容(CS) 和RS 加入 C-S 電路將會減少小訊號電壓增益的損失，同時保持Q點的穩定. • 固定的電流源比電阻更好穩定 Q 點 • 如果頻率足夠大會使旁路電容像是AC短路的效果 • 源極訊號必須要接地.

45. 例題 4.7：決定偏壓在一個固定電流源和納入一個 源極旁路電容的小訊號電壓增益。電路如圖 4.23，電晶體參數是：VTN = 0.8V，Kn =1mA/V2，λ = 0。 解答： 由於 dc 閘極電流是0， dc 電壓在源極端是 Vs= -VGSQ，決定閘極到源極電壓是從 或 得到 靜態 VDSQ是

46. 電晶體偏壓在飽和區. 小訊號等校電路如圖 4.24. 輸出電壓是 由於 Vgs=Vi， 小訊號電壓增益是

47. 源極隨耦放大器 • 共汲極 (CD) ---源極隨耦 • 輸出電壓 S 接地 • D 極直接連接到VDD • VDD在 ac 等效電路中直接接地.

48. 小訊號等效電路 • CC作為短路 • D 極直接接地 • ro在電晶體中是並聯一個電流源 gmVgs. • 忽略基體效應

49. Vin 和 Vgs 關係 • 計算一個分壓 Vgs： • G-S 作為電阻 1/gm

50. Vin 和 Vi 關係 • 輸入電阻是 Ri = R1||R2 • 與 Vo= gm(RS||ro)Vgs • 小訊號電壓增益