基本放大電路

    為了放大模仿信號(hào)必需運(yùn)用有源器件。MOS晶體管就是一種頻繁運(yùn)用的有源器件。MOS晶體管的三個(gè)端子中有兩個(gè)分別是輸入端和輸出端。還有第三個(gè)端子，將這個(gè)端子固定為一定的電位就能夠構(gòu)成三種放大電路。就是說(shuō)，源極、柵極、漏極中的某個(gè)極銜接到固定電位上，就可以分別構(gòu)成源極接地、柵極接地、漏極接地三種放大電路。

   端子不一定非要接地(GND)才干固定電位，為什么要“接地”？由于關(guān)于被放大的信號(hào)來(lái)說(shuō)，電位固定的端子可以看作交流接地。另外，就MOS晶體管的輸入輸出端的分配來(lái)說(shuō)，電絕緣的柵極不能作為輸出端運(yùn)用，所以可以組合起來(lái)的放大電路就如表3.1所列。

源極接地放大電路

   表3.1所示的放大電路中，源極接地放大電路是最常用的模仿電路。所以首先對(duì)源極接地放大電路的放大功用停止討論。

   如前所述，簡(jiǎn)直一切模仿電路中的MOS晶體管都是工作在飽和區(qū)。在飽和區(qū)，即便改動(dòng)漏極電壓VDS，其漏極電流ID簡(jiǎn)直不增加。換句話說(shuō)，MOS晶體管是工作在輸出電阻r。十分大的偏置條件下。為了便于了解放大的原理，首先思索假設(shè)輸出電阻ro（=νds/id)無(wú)限大條件下的狀況。這里的νds是漏極電壓的微小變化量，id是漏極電流的微小變化量（以下ν、i等小寫(xiě)字母都是表示微小變化量）。然后再來(lái)計(jì)算輸出電阻為有限值時(shí)的電壓增益。

   如圖3.1所示，給MOS晶體管的柵極加直流偏壓VGS，再加模仿信號(hào)電壓νin，于是，漏極端（輸出）除產(chǎn)生直流電流成分之外，還有與輸入信號(hào)νin成比例的小信號(hào)電流id=gmνin流過(guò)：

式中，VT為MOS晶體管的閾值電壓；β為與溝道長(zhǎng)寬比等有關(guān)的參量(β≡(w/L)μCox)；gm為跨導(dǎo)。

   式(3.1)中的輸人信號(hào)νin十分小，假定級(jí)數(shù)展開(kāi)的2次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)能夠疏忽不計(jì)。式(3.1)右邊第一項(xiàng)表示與柵極電壓VGS相對(duì)應(yīng)的直流漏極電流Io，第二項(xiàng)是與輸入信號(hào)νin相對(duì)應(yīng)的輸出漏極電流ido在解析放大電路時(shí)，假定信號(hào)電壓νin十分小，這時(shí)電路的工作都可看作是線性的（近似直線），因此計(jì)算就變得十分簡(jiǎn)單。

   式(3.1)中，當(dāng)只思索與放大有關(guān)的信號(hào)成分（右邊第二項(xiàng)）時(shí)，源極接地的MOS晶體管就能夠看作具有將輸入的小信號(hào)電壓uin變換為電流ia=gmvin功用的器件。

現(xiàn)在討論將這個(gè)信號(hào)成分作為輸出電壓取出的方法。按照歐姆定律，當(dāng)小信號(hào)電流id流過(guò)電阻R時(shí)，電阻兩端產(chǎn)生電壓idR。利用這個(gè)原理，就能夠取出放大后的信號(hào)。

   例如，如圖3.2所示，將電壓-電流變換器件MOS晶體管與負(fù)載電阻Rload連接，并流過(guò)式(3.1)所示的電流I（=直流成分lo+小信號(hào)成分id），那么輸出電壓就是VDD-Rload(Io+id)。其中直流電壓成分VDD-RloadIo中不包含信號(hào)信息，所以沒(méi)有取出處理的必要。而包含小信號(hào)電流的輸出信號(hào)電壓Vout= —Rload.id必須放大輸出。按照歐姆定律，如果負(fù)載電阻Rload大，那么輸出信號(hào)νout也就大。Rload前面的負(fù)號(hào)意味著輸出信號(hào)相對(duì)于電流信號(hào)成分id以反相位輸出。

由式(3.2)能夠得到源極接地放大電路的電壓增益為

   從這個(gè)結(jié)果能夠看出，為了取得高的增益，應(yīng)該運(yùn)用具有大跨導(dǎo)gm的有源器件與大的負(fù)載電阻Rload相銜接。

   上面的闡明中，假定次級(jí)的輸入負(fù)載電阻Rin比MOS晶體管的輸出電阻ro大得多。但是，實(shí)踐的源極接地電路的有效輸出電阻是負(fù)載電阻Rload與MOS晶體管的輸出電阻r。以及次級(jí)的輸入負(fù)載電阻Rin呈并聯(lián)銜接的，要用這樣的放大電路驅(qū)動(dòng)R。小的電路并非上策。所以，下面思索Rin十分大而且r。也是實(shí)踐值的狀況。

電路原理

   CMOS模仿集成電路中，更多的狀況是圖3.2的負(fù)載電阻Rload并不是單純的電阻元件，而是由MOS晶體管的輸出電阻ro替代。

   (1)負(fù)載電阻采用MOS晶體管的話，能夠流過(guò)更多的電流用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS晶體管，這意味著驅(qū)動(dòng)器件的9m大。

   (2)改動(dòng)負(fù)載MOS晶體管的尺寸或偏置條件，就可以門(mén)由地調(diào)整輸出電阻ro的值。

   (3) MOS晶體管占有的面積比電阻元件小。

   圖3.3示出用P溝MOS晶體管的輸出電阻rop交換圖3.2中的負(fù)載電阻Pload的源極接地放大電路。這個(gè)電路的有效輸出電阻R能夠經(jīng)過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)求得。

   假如增人輸出端電壓νout流入驅(qū)動(dòng)器件N溝MOS晶體管的漏極電流νout/ron就增加。這一點(diǎn)能夠從輸出電阻的定義式得到闡明。而負(fù)載一側(cè)的P溝MoS晶體管中則相反，自漏極流出的電流νout/rop減少，所以在流入輸出端的有效電流iout與νout之間下面的關(guān)系式成立：

式中，ron、rop分別是N溝MOS晶體管和P溝MOS晶體管的輸出電阻。從式(3.3)能夠看出，用P溝MOS晶體管作為負(fù)載的源極接地放大電路的有效輸出電阻R，如圖3.3的右圖所示那樣，與輸出端銜接的兩個(gè)MOS晶體管的漏極電阻（ron，rop）的并聯(lián)電阻等價(jià)。即

   rop∥ron表示rop與ron并聯(lián)銜接的合成電阻。當(dāng)次級(jí)的輸入電阻Rin影響不可疏忽時(shí)，R就表示為：

   放大電路的電壓增益Ao由MOS晶體管的漏極電阻ro與跨導(dǎo)gm之積給出輸出電阻ro與電流成反比。驅(qū)動(dòng)一側(cè)的MOS晶體管的gm與I成比例(參考第2章式(2.6))。因而，如圖3.4所示，源極接地放大電路的增益｜Ao｜=gmR與流過(guò)MOS晶體管的電流f的平方根成反比。但是，為了取得高增益，減小電流I的話就不能快速驅(qū)動(dòng)次級(jí)電路，所以實(shí)踐的放大電路中，在耗費(fèi)功率與高速響應(yīng)之間取恰當(dāng)?shù)恼壑?。普通?lái)說(shuō)，CMOS電路以放大增益為目的時(shí)的gmro為幾十倍的大小還是容易得到的。