共源級(jí)放大電路的偏置設(shè)計(jì) 共源級(jí)放大電路的小信號(hào)分析

前幾期的內(nèi)容介紹了MOSFET的結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性、電路模型，這些都是分析MOSFET放大電路的基礎(chǔ)。介紹了MOSFET放大器一般有三種類(lèi)型即三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從本期開(kāi)始我將詳細(xì)介紹每一種MOSFET放大電路的特性。

本期內(nèi)容：

共源級(jí)放大電路的偏置設(shè)計(jì)

共源級(jí)放大電路的小信號(hào)分析

1、共源級(jí)放大器的偏置電路設(shè)計(jì)

Fig. 1

一個(gè)合適的偏置電路設(shè)計(jì)是放大器工作的前提，偏置電路需要使MOSFET工作在飽和區(qū)。如圖Fig. 1，這是一個(gè)前幾期講過(guò)的MOSFET放大器的最基本電路。

① 電阻分壓偏置電路

Fig. 2是一個(gè)最簡(jiǎn)單常見(jiàn)的偏置電路的設(shè)計(jì)，對(duì)比Fig. 1有很多不用，首先柵極沒(méi)有了偏置直流電源，多了好幾個(gè)電阻，多了一個(gè)電容，這些器件都有什么用呢?

Fig. 2

Fig. 1中的供電設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，需要兩種電源才能使放大器工作，這個(gè)是我們不希望的，所以Fig. 2中利用電阻的分壓電路，使VDD分一部分電壓給柵極提供偏置電壓，大小為VDD*R2/(R1+R2)。這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以只用一個(gè)供電單元來(lái)提供電壓，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。所以R1，R2的作用是分壓，為MOSFET提供柵極開(kāi)啟電壓。Fig. 2 中的R0為小信號(hào)源的內(nèi)阻，這個(gè)內(nèi)阻在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中是必須要考慮的，比如要放大的信號(hào)時(shí)麥克風(fēng)信號(hào)，那R0就表示麥克風(fēng)的內(nèi)阻。Fig. 2 中的C0為一個(gè)隔直電容，作用是防止前級(jí)直流信號(hào)對(duì)后級(jí)偏置電壓的影響。只有交流信號(hào)能夠通過(guò)后級(jí)電路進(jìn)行放大。但是電容對(duì)于MOSFET器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常大的器件，增加一個(gè)電容會(huì)占用芯片很大一塊位置，所以盡量避免使用電容，如圖Fig. 3有兩級(jí)放大電路，如果前一級(jí)的輸出Vx的直流部分正好可以作為后級(jí)的直流偏置，則不需要加電容和分壓電阻。

Fig. 3

選擇合適的R0，R1，RD才能使MOSFET工作在飽和區(qū)，使其具有放大作用。下期講介紹一個(gè)實(shí)際的例子來(lái)說(shuō)明這些電阻應(yīng)該如何選取，大概的量級(jí)是多少。

② 自偏置電路

Fig. 4是一個(gè)自偏置電路的設(shè)計(jì)，此時(shí)，通過(guò)RF的電流為零，RF兩邊的電壓相等，MOSFET的漏極電壓和柵極電壓相等，都等于VDD-I_D * R_D。

Fig. 4

自偏置電路的好處是它對(duì)MOSFET的截止電壓的敏感性弱，因?yàn)楣に嚨墓顣?huì)導(dǎo)致兩片晶圓片的閾值電壓不可能完全相等，比如晶圓片A的閾值電壓為V_TH，A，晶圓片B的閾值電壓為V_TH，B，如下圖Fig. 5，如果用電阻分壓方法來(lái)提供柵極的偏置電壓，則相同的V_GS在兩個(gè)晶圓片上得到的漏極電流是不同的，這就會(huì)導(dǎo)致兩片晶圓片做出來(lái)的放大器的放大倍數(shù)不相同。

Fig. 5

但如果用Fig. 4的自偏壓電路，V_TH上升會(huì)導(dǎo)致I_D下降，I_D下降會(huì)導(dǎo)致V_{GS}上升，V_{GS}上升又會(huì)導(dǎo)致I_D上升，這個(gè)電路有個(gè)自反饋的過(guò)程在，所以他對(duì)V_TH的變化敏感性不高，在一定程度上晶圓片的公差不過(guò)過(guò)大的影響放大器的性能。

共源級(jí)放大電路的偏置部分就介紹這兩種，其他種類(lèi)的偏置電路大同小異。

2、共源級(jí)放大電路的小信號(hào)分析

放大電路的小信號(hào)分析主要考慮三個(gè)參數(shù)，放大倍數(shù)、輸入阻抗和輸出阻抗，這三個(gè)參數(shù)直接影響實(shí)際電路中的小信號(hào)放大倍數(shù)。我們以電阻分壓偏置電路Fig. 2為例進(jìn)行計(jì)算這三個(gè)參數(shù)。這里主要運(yùn)用MOSFET的小信號(hào)電路模型和輸入阻抗和輸出阻抗的概念。