NMOS放大器電路模型詳解(一)

先說(shuō)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(shí)際電路中是沒(méi)法用的，今天講的內(nèi)容才是我們?cè)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)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(shí)候才不會(huì)感覺(jué)奇怪，才會(huì)把MOSFET的電路模型深入到自己的潛意識(shí)中。

本期內(nèi)容

如何構(gòu)造一個(gè)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(gè)放大器？

有一個(gè)小信號(hào)Vin=1mV，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一個(gè)壓控電流源。就是一個(gè)隨Vin的變化而變化的電流源。你是不是要問(wèn)為什么是電流源，不是電壓源呢？因?yàn)槲覀兊腗OS管就是一個(gè)壓控的電流源。

Fig. 1 構(gòu)造一個(gè)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

① NOMS工作在飽和區(qū)時(shí)為一個(gè)壓控電流源

在之前我講過(guò)，當(dāng)NMOS工作在飽和區(qū)（V_DS>V_GS-V_TH）時(shí)，流過(guò)溝道的電流I_D與(V_GS-V_TH)^2成正比，與V_DS無(wú)關(guān)，此時(shí)，MOS管可以看成是一個(gè)受V_GS控制的電流源。如下圖。記住，NMOS作為放大器時(shí)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(hào)V_in的輸入端，MOS管的漏極作為信號(hào)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(gè)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. 4

② NMOS不是一個(gè)線性的受控電流源，放大信號(hào)會(huì)失真，怎么辦？

Fig.1 中的壓控電流源電流為kV_1，這才是一個(gè)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(hào)較大時(shí)，放大倍數(shù)大，當(dāng)輸入信號(hào)小時(shí)，放大倍數(shù)小。信號(hào)波形放大后就會(huì)失真。

Fig. 4

那我們?cè)趺崔k呢？其實(shí)到目前為止，我們沒(méi)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(hào)足夠小時(shí)，才能認(rèn)為這個(gè)放大器是線性放大。

Fig.5

如圖Fig. 5，當(dāng)Vin的范圍非常小時(shí)，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(gè)直流偏壓，v_in為我們的小信號(hào)輸入，當(dāng)它特別小時(shí)，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(hào)電路模型的時(shí)候詳細(xì)介紹。

③ 為什么要有直流偏置呢？

第一，因?yàn)閂_GS需要大于V_TH，NMOS才能正常工作。第二，因?yàn)閂-I曲線的斜率g_m和V_GS成正比，當(dāng)V_GS比較小時(shí)，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?yàn)橐隢MOS工作在飽和區(qū)，需要滿足V_DS>V_GS-V_TH，當(dāng)V_GS越大時(shí)，V_DS就得越大，這個(gè)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(guò)大，會(huì)破會(huì)MOS管，導(dǎo)致無(wú)法工作。所以選擇一個(gè)正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個(gè)關(guān)鍵因素。

例子：當(dāng)直流偏置V_0很小，接近V_TH時(shí)，F(xiàn)ig.6中曲線的斜率g_m是一個(gè)非常小的量，得到的I_D也是一個(gè)特別小的量，要想實(shí)現(xiàn)V_out的放大，則Fig. 4中的R_L就必須是一個(gè)非常非常大的值，可能是幾千萬(wàn)歐姆，這種電阻現(xiàn)實(shí)生活中是很難實(shí)現(xiàn)的。所以再?gòu)?qiáng)調(diào)一便，選擇一個(gè)正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個(gè)關(guān)鍵因素。

總結(jié)

① 設(shè)計(jì)一個(gè)放大器需要壓控電流源。

② NMOS在工作在飽和區(qū)時(shí)是一個(gè)非線性壓控電流源，小信號(hào)時(shí)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?cè)贜MOS柵極輸入大信號(hào)時(shí)，NMOS放大電路是非線性的，但當(dāng)柵極輸入小信號(hào)時(shí)，NMOS放大電路可以認(rèn)為是線性的。大信號(hào)模型我們主要用來(lái)計(jì)算偏置，小信號(hào)模型我們用來(lái)計(jì)算信號(hào)的放大倍數(shù)。

下期我們想想講解NMOS的大信號(hào)模型和小信號(hào)模型。