學習razavi的書籍以及視頻,給人感覺,就是每一個電路都不是平白無故來的,其產生都是因為有需求。
一個基本的共源電路,如下圖所示。共源電路的定義為輸入在柵極,輸出在漏極。
如果考慮溝道調制效應,并假設其工作在飽和區,則其等效小信號模型如下圖所示。
gmV1+Vout/r0+Vout/RD=0
Vout/Vin=-gm(r0//RD)
也就是說,上圖中的電壓增益為:
Av=-gm(r0//RD)
因為r0//RD
從上面的公式可知,想要提高電壓的增益,則可以從三個方面入手:
(1) 增加RD
(2) 增加r0
(3) 增加gm
先說,增加RD。從上面的共源電路可知,如果RD增加,同時保持ID不變的話,那VDS必定下降,則可能會使管子從飽和區進入到線性區。所以想要靠增加RD來提高電壓增益的話,空間有限。
但是,有沒有辦法,讓RD趨向于無窮大呢?或者說,在小信號等效模型時,等效于無窮大。
回想一下,恒流源的小信號等效模型,發現其等效模型為開路,即等效于無窮大。
所以,如果用恒流源來替代電阻RD的話,應該就能實現剛才提出的愿望。因為此時:
(1) 直流偏置下,可以提供穩定的偏置電流
(2) 小信號模型下,開路,即等效于RD趨向于無窮大。
此時 ,Av=-gm*r0。
這個電壓增益稱為MOS管的intrinsic gain,即MOS的固有增益,是管子能達到的最大增益。
但是怎么能實現這個電流源呢?
再回想一下,當MOS管工作在飽和區時,其漏極和源極之間,就是一個受控電流源,而且此受控電流源接近于恒流源。
所以,可以嘗試用這個受控電流源來實現上面要求。
不過,NMOS和PMOS實現的電流源有一定的局限性,即NMOS實現的電流源只能是從任意結點流向地,而PMOS實現的電流源只能是從電流源流向任意結點。他們都無法實現從任意結點流向另一個任意結點的電流源。
有了電流源的實現方法,就有了下面的電路。
這個電路有個名稱,叫做common-source stage with current source load,翻譯過來就是具有電流源負載的共源極電路。因為ro1和ro2一般都比較大,所以放大器的增益肉眼可見的提高了。
由上圖可知,其電壓增益正比于gm,gm的其中一個表達式,如下圖所示。公式中的因素的變化,都會引起gm的變化,進而引起增益的變化。
比如說:
(1)電子和空穴的遷移率都和溫度相關
(2) 供電電壓的變化也會反應到ID上
(3)加工誤差,比如不同wafer之間的遷移率和開啟電壓都會有所差別
(4)信號幅度,小信號模型是基于信號很小的情況下,如果信號幅度比較大,那么不同幅度下對應的ID不一樣,會導致gain不一樣
設計電路時,需要減弱這些不良影響.
而以下構建的電路,則可以減小這些因素的影響。
這個構建電路的基礎,就是diode-connected MOS.
如果用上述電路來代替負載電阻RD的話,會起到想不到的結果。
可以看到,如果使用diode-connected MOS管來代替負載電阻RD的話,最后得出的增益,只與管子本身的尺寸相關,與電子遷移率啊,電流ID的大小啊,都沒有關系了,大大增加了魯棒性。
一個基本的共源極電路,想提高它的增益,發現如果增加RD的值,會導致管子的工作狀態從飽和區進入線性區;
轉換思路,用恒流源太替代RD,這樣保證偏置和無窮大電阻共存;接著用MOS管來實現恒流源;
發現增益,受環境影響太大,就用diode-connected MOS來替代RD,使得其增益只和管子的尺寸相關。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:一切電路,皆有因!
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