NMOS放大器電路模型詳解(一)

NMOS放大器電路模型詳解(一)先說幾句廢話前幾期講的MOSFET的物理結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性是我們研究MOSFET的基礎(chǔ)，只掌握這些在實際電路中是沒法用的，今天講的內(nèi)容才是我們在電路設(shè)計中所用到的，但是前幾期的內(nèi)容都是廢話嗎？當(dāng)然不是，只有知道了那些基礎(chǔ)，再看到電路模型的時候才不會感覺奇怪，才會把MOSFET的電路模型深入到自己的潛意識中。本期內(nèi)容如何構(gòu)造一個放大器？NMOS放大器電路模型（PMOS道理是一樣的，這里不再贅述）1、如何構(gòu)造一個放大器？有一個小信號Vin=1mV，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一個壓控電流源。就是一個隨Vin的變化而變化的電流源。你是不是要問為什么是電流源，不是電壓源呢？因為我們的MOS管就是一個壓控的電流源。Fig.1構(gòu)造一個放大器看下圖Fig.1，只要kR_L的值等于10或20，我們就可以放大相應(yīng)的倍數(shù)。2、NMOS放大器電路模型①NOMS工作在飽和區(qū)時為一個壓控電流源在之前我講過，當(dāng)NMOS工作在飽和區(qū)（V_DS>V_GS-V_TH）時，流過溝道的電流I_D與(V_GS-V_TH)^2成正比，與V_DS無關(guān)，此時，MOS管可以看成是一個受V_GS控制的電流源。如下圖。記住，NMOS作為放大器時一定是工作在飽和區(qū)的。Fig.2所以，工作在飽和區(qū)的NMOS的等效電路為：Fig.3利用NOMS的等效電路構(gòu)建我們的放大電路，如圖Fig.4，其中，MOS管的柵極為信號V_in的輸入端，MOS管的漏極作為信號V_out輸出端；VCC為供電電源，作用是為了滿足V_DS>V_GS-V_TH這個飽和區(qū)工作條件；R_L的作用和Fig.1中的R_L作用一樣，是為了將電流轉(zhuǎn)換正電壓輸出。Fig.4②NMOS不是一個線性的受控電流源，放大信號會失真，怎么辦？Fig.1中的壓控電流源電流為kV_1，這才是一個線性受控源。而NMOS的電流I_D與(V_GS-V_TH)^2成正比，如圖Fig.4。這就導(dǎo)致當(dāng)輸入信號較大時，放大倍數(shù)大，當(dāng)輸入信號小時，放大倍數(shù)小。信號波形放大后就會失真。Fig.4那我們怎么辦呢？其實到目前為止，我們沒有什么很好的辦法，只能約束輸入條件，只有當(dāng)輸入的信號足夠小時，才能認(rèn)為這個放大器是線性放大。Fig.5如圖Fig.5，當(dāng)Vin的范圍非常小時，V-I曲線可以看成是直線。我們可以根據(jù)之前得到的I_D和V_GS的表達(dá)式，求導(dǎo)就可以求出曲線的斜率g_m。Fig.6所以，如圖Fig.6，V_in=V_0+v_in，其中，V_0為一個直流偏壓，v_in為我們的小信號輸入，當(dāng)它特別小時，I_D=I_D0+g_m*v_in，g_m為V-I曲線的斜率，和放大倍數(shù)直接相關(guān)，具體什么關(guān)系呢？我們下期講解小信號電路模型的時候詳細(xì)介紹。③為什么要有直流偏置呢？第一，因為V_GS需要大于V_TH，NMOS才能正常工作。第二，因為V-I曲線的斜率g_m和V_GS成正比，當(dāng)V_GS比較小時，g_m非常小，不能得到很好的放大倍數(shù)。V_GS越大，g_m越大，放大倍數(shù)越大，那是不是V_GS越大越好呢？當(dāng)然也不是，首先，因為要想NMOS工作在飽和區(qū)，需要滿足V_DS>V_GS-V_TH，當(dāng)V_GS越大時，V_DS就得越大，這個功耗就越大。第二，V_GS、V_DS得控制在NMOS的承受范圍，如果加的過大，會破會MOS管，導(dǎo)致無法工作。所以選擇一個正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個關(guān)鍵因素。例子：當(dāng)直流偏置V_0很小，接近V_TH時，F(xiàn)ig.6中曲線的斜率g_m是一個非常小的量，得到的I_D也是一個特別小的量，要想實現(xiàn)V_out的放大，則Fig.4中的R_L就必須是一個非常非常大的值，可能是幾千萬歐姆，這種電阻現(xiàn)實生活中是很難實現(xiàn)的。所以再強調(diào)一便，選擇一個正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個關(guān)鍵因素。總結(jié)①設(shè)計一個放大器需要壓控電流源。②NMOS在工作在飽和區(qū)時是一個非線性壓控電流源，小信號時可以看成是線性的。③放大倍數(shù)與偏置有關(guān)。本期內(nèi)容可以看出當(dāng)我們在NMOS柵極輸入大信號時，NMOS放大電路是非線