MOS管放大電路

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。

MOS管是電壓控制器件，具有輸入阻抗高、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電子電路中，特別是具有上述要求前級(jí)放大器顯示器出越性。根據(jù)MOS管兩大類型--結(jié)型MOS管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可構(gòu)成相應(yīng)的MOS管放大器。以下以結(jié)型管為例給出三種基本組態(tài)放大器的等效電路和性能指標(biāo)計(jì)算表達(dá)式，見(jiàn)表5.2-7。圖為MOS管具有與晶體管類似的正向受控作用，它也可構(gòu)成共源極、共漏極、共柵極三種基本放大器。

1、偏置電路因?yàn)椴煌愋偷腗OS管工作在放大區(qū)，要求柵極電壓極性不同，例如，結(jié)型MOS管要求柵源與漏源電壓極性相反，而增加型MOS管則要求柵源與漏源電壓極性相同，至于耗盡型MOS管的柵偏壓極性，可以正偏、零偏或負(fù)偏。

根據(jù)這些特點(diǎn)，來(lái)用單電源的偏置電路主要有以下兩種：（1）自偏壓電路自偏壓用于結(jié)型和耗盡型MOS管放大電路，圖5.2-6示出N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管自偏電路。

圖5.2-6自偏壓電路柵源電壓為UGS=RID（2）混合偏置電路混合偏置電路用于各種場(chǎng)效應(yīng)管放大器。N溝道增強(qiáng)型MOS管放大電路混合偏置電路如圖5.2-7所示。

圖5.2-7混合偏壓電路2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管三種基本組態(tài)放大器的等效電路與性能指標(biāo)計(jì)算公式（見(jiàn)表5.2-7）

柵源電壓為

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。

所以這個(gè)電路的輸入、輸出信號(hào)間的關(guān)系可整理如下：

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。