模擬電子地電路第4章-

第四章MOS模擬集成電路的基本單元電路

MOS場效應(yīng)管的特點

MOS場效應(yīng)管的模型

MOS管有源負載

MOS場效應(yīng)管的三種基本放大電路

MOS管電流源

MOS管單級放大電路

MOS管差分放大電路

MOS管功率輸出單元電路

MOS管開關(guān)電容電路

第一節(jié)MOS場效應(yīng)管的特點（1）MOS場效應(yīng)管是一種電壓控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS場效應(yīng)管是單極型器件，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強。（3）輸入電阻極高，一般高達109~1012。（4）MOS場效應(yīng)管所占芯片面積小、功耗很小，且制造工藝簡單，因此便于集成。（5）因MOS場效應(yīng)管既有N溝道和P溝道器件之分，又有增強型和耗盡型之別，它們對偏壓極性有不同要求。（6）MOS場效應(yīng)管跨導gm較低（約為雙極型晶體管的1/40），所以為了提高增益，減小芯片面積，常采用有源負載。（7）MOS場效應(yīng)管存在背柵效應(yīng)（也稱襯調(diào)效應(yīng)），為了減小柵源電壓對漏極電流的影響，要保證襯底與溝道間的PN結(jié)始終處于反偏。（8）MOS場效應(yīng)管的不足之處除了跨導gm較低以外，還有其工藝一致性較差、輸入失調(diào)電壓大、工作頻率偏低，低頻噪聲較大等。MOS場效應(yīng)管的特點

第二節(jié)MOS場效應(yīng)管的模型1.簡化的低頻交流小信號模型簡化的低頻小信號模型求全微分得正弦信號下考慮到MOS管的輸入電阻極高，(RGS可認為無窮大）。若源、襯極相連，uBS=0,則可得簡化的低頻小信號模型如圖。UgsUdsId++--

第二節(jié)MOS場效應(yīng)管的模型2.高頻交流小信號模型MOS管完整的交流小信號模型如圖。如果MOS管的源極與襯底相連，uBS=0,則它的高頻小信號模型可以得到簡化。

簡化高頻小信號模型低頻情況下，極間電容均可視為開路，這樣也可得到簡化低頻小信號模型。一、場效應(yīng)管的直流偏置電路（一）自偏壓電路(1)UGS=

0時,IS=IDRS兩端電壓為：US=ISRS(2)由于IG=0;UG=0:

UGS=UG-ISRS=-ISRS=-IDRS由此構(gòu)成直流偏壓，稱為自偏壓電路，這種偏壓方式只適合耗盡型FET?；拘妥越o偏置電路第三節(jié)場效應(yīng)管的基本放大電路場效應(yīng)管式電壓控制器件，需要合適的柵極電壓。上述電路中RS起直流反饋作用，RS大，Q穩(wěn)定；但RS大Q點低。問題：Q點低不僅使A，且由于接近夾斷，非線性失真加大。由R1、R2分壓，給RG一個固定偏壓。RG很大以減小對輸入電阻的影響。(1)對于耗盡型FET：

UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS此時：RS大Q點不會低?？梢愿倪M自偏置電路RS對Q點的影響。顯然對于JFET,當|US|>|UG|時，放大器才具有正確的偏壓。分壓器式自偏壓電路ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2（二）分壓器式自偏壓電路(2)對增強型MOSFET:UGS=UDDR2/(R1+

R2)RG很大以減小對輸入電阻的影響。改進后：（如圖）UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS對增強型MOSFET,須保證|UG|>|US|時，放大器才具有正確的偏壓。分壓器式自偏壓電路由此構(gòu)成直流偏壓，稱為分壓器式自偏壓電路，這種偏壓方式即適合耗盡型FET又適合增強型FET。改進前：（自偏壓電路）UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UG－US=UG－IDRS

ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2UDS=UDD－ID(Rd+RS)共源基本放大電路直流通路根據(jù)圖可寫出下列方程：由上式可以解出UGSQ、IDQ

和UDSQ。二、三種基本放大電路（一）共源基本放大電路(1)直流分析電壓增益為1.未接CS時:等效電路如圖:一般

rds

>>

RDRL>>RS;rds可忽略。（一）共源基本放大電路二、三種基本放大電路rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---RL’=RD//RL一般負載比rds小很多，故此時可認為rds開路。放大電路的輸入電阻為放大電路的輸出電阻為Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’RD2.接入CS時:AU

-gmRL’Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’=RD//rds

RDrdsRDRLR2R1RGgmUgsUgsUiUoRi’Ro’+++---rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---共漏放大電路電壓增益為（二）共漏基本放大電路Ri’=

RG輸入電阻為式中:RL’=rds//Rs

//RLRs//RL交流等效電路求輸出電阻1.求輸出電阻的等效電路如圖所示2.求輸出電阻:Ugs=-UotIot=Uot

/Rs-gm

Ugs

=Uot

(1/Rs+gm)根據(jù)輸出電阻的定義：Ro'

=Uot

/Iot

=1/

(1/Rs+gm)=Rs//

（1/

gm）與射極跟隨器類似輸出阻抗低電壓增益近似為1（二）共漏基本放大電路（三）共柵基本放大電路與共基放大器類似輸入阻抗低輸出阻抗高電壓增益高共柵放大器典型電路所以，電壓增益為:式中:RL’=RD//RL共柵放大器等效電路由電路方程：輸入電阻為:Ri=

Ui

/Id1/gm當rds

>>RL’,gm

rds

>>1時：所以：Ri’R1//（1/gm）輸出電阻為:Ro’rds//RDRD由Ro’MOS管三種組態(tài)基本放大電路的基本特性電路組態(tài)共源（CS）共漏(CD)共柵(CG)電壓增益

輸入電阻Ri很高很高輸出電阻Ro基本特點電壓增益高,輸入輸出電壓反相,輸入電阻高,輸出電阻主要取決于RD。電壓增益小于1,但接近于1,輸入輸出電壓同相,輸入電阻高,輸出電阻低。電壓增益高,輸入輸出電壓同相,輸入電阻低,輸出電阻主要取決于RD。性能特點（一）增強型（單管）有源負載將D、G短接（N溝道），電路如圖：R0R0顯然：適當減小gm(或)

可提高R0。第四節(jié)MOS管恒流源負載gmb

背柵跨導（二）耗盡型（單管）有源負載將G、S短接（n溝道），電路如圖:R0R0顯然，與增強型MOS有源負載相比，它具有更高的R0。G,S間電壓為0此時G,S間沒有電流源第五節(jié)MOS管電流源一、MOS電流源（一）MOS鏡像電流源（電路如圖）T1、T2均工作在恒流區(qū)因為UGS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0所以2211021LWLWRDDIIII==若T1、T2結(jié)構(gòu)對稱：則溝道的寬長比=1，得Io=IR，成鏡像關(guān)系。（二）具有多路輸出的幾何比例電流源若T1、T2結(jié)構(gòu)不對稱：則I02與IR成比例，比例系數(shù)為溝道的寬長比之比。設(shè)TR、T2、T3管的溝道寬長比分別為STR、ST1、ST2，則有:由MOS鏡像電流源工作原理可知:同時也有第六節(jié)MOS單級放大電路有源負載的共源MOS放大器常見的電路形式有：1.E/E型NMOS放大器：放大管和負載管均為N溝道增強型（E型）的共源放大器。2.

E/D型NMOS放大器：放大管用增強型（E型），負載管用耗盡型（D型），兩管均為N溝的共源放大器。3.CMOS有源負載放大器：是由增強型NMOS管（放大），和增強型PMOS（有源負載）組成的放大器。4.

CMOS互補放大電路：采用極性不同（P、N溝道）的兩只MOS管構(gòu)成互補電路。（一）E/E型NMOS單級放大電路E/E型NMOS放大電路實質(zhì)放大管和有源負載管均采用增強型MOS管（稱為E管），其中，VT1為放大管，VT2為負載管。（RO2=1/(gm2+gmb2)為T2管的等效電阻）。電壓增益:此時襯底接地不考慮襯底效應(yīng)特點：1.由于ST1、ST2受工藝限制不能隨意增加，AUE只能達到

5-10倍（較?。?。2.輸入電阻決定于VT1管的柵絕緣電阻，阻值很高，一般可達1010。輸入電阻：Ri>1010

輸出電阻：Ro=rds//RO2（二）E/D型NMOS單級放大電路

E/D型NMOS放大電路是指放大管采用增強型MOS管，有源負載采用耗盡型MOS管（稱為D管），其中，VT1為放大管，VT2為負載管。（RO2=1/gmb2為T2管的等效電阻）電壓增益:輸入電阻：Ri>1010輸出電阻：Ro=rds//Ro2特點：1.增益高，因2為0.1左右，故AUD比AUE高一個數(shù)量級。（常用）2.輸入電阻為T1的柵源絕緣電阻，很高，一般可達1010。3.輸出電阻比E/E型放大器高。E/E型（三）CMOS有源負載放大電路電路如圖:(B、S短接即UBS=0;UGS=0)等效電路如圖:(T2管的等效負載Ro2=rds2)電壓增益：

AU=-gm1(rds1//rds2)優(yōu)點：

1.電壓增益高，gds比gm或gmb小1~2個數(shù)量級，故在同樣工作電流條件下，AU遠高于AUE、AUD--幾百倍乃至上千倍。2.功耗小，在恒流區(qū):輸入電阻：Ri>1010輸出電阻：缺點：輸出電阻比E/E型和E/D型高，負載能力較E/E型和E/D型差?？梢?，在恒流區(qū)，ID越小，AU越高。所以，CMOS放大器可在較低的電流下工作，有利于降低功耗。（四）CMOS互補放大電路電壓增益：輸入電阻：Ri>1010

輸出電阻：增益高，是CMOS有源負載放大器的2倍。

缺點：級聯(lián)時電平匹配困難，因此一般作輸出級。特點：四種常用MOS單級放大器性能比較電路類型增益表達式AU典型值輸出電阻Ro表達式E/E型NMOS放大電路<20dB>30dBCMOS有源負載放大電路30～60dBCMOS互補放大電路31～66dBE/D型NMOS放大電路第七節(jié)MOS管差分放大電路MOS管差分放大電路的基本形式：1.E/E型NMOS差放電路2.E/D型NMOS差放電路3.CMOS差放電路CMOS差放電路E/D型NMOS差放電路E/E型NMOS差放電路MOS管差分放大電路的分析利用分析雙極型差分放大電路相類似的方法－半邊電路法。以E/D型NMOS差放電路為例E/D型NMOS差放電路雙端輸出差模電壓增益：單端輸出差模電壓增益：

單端輸出共模電壓增益：共摸抑制比:第八節(jié)CMOS管功率放大電路CMOS互補功率放大電路如圖：對比雙極型甲乙類功放電路說明其工作原理。T1、T2為互補源極跟隨器；T3、T4的柵源電壓UGS為T1、T2提供直流偏壓，使T1、T2兩管工作在甲乙類狀態(tài)；T5與T6組成CMOS推動電路，T5是放大管，T6是T5的有源負載。

第九節(jié)MOS模擬開關(guān)及開關(guān)電容電路在模擬集成電路中，MOS管可做為：

1.增益器件；

2.有源負載；

3.模擬開關(guān)(接近于理想開關(guān))。做成的模擬開關(guān)近于理想開關(guān)，主要是它有以下特性：

1.器件接通時D-S間不存在固有的直流漂移。

2.控制端G與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間無直流電流。從開關(guān)應(yīng)用角度講，NMOS優(yōu)于PMOS，所以通常選用

NMOS管做模擬開關(guān)。一、單管MOS傳輸門模擬開關(guān)1.增強型單管MOS模擬開關(guān)電路UG<UGS,th時管子截止（Roff

）。UG>UGS,th時管子導通（Ron0）。

可近似等效為理想開關(guān)（如圖）:(1)極間電容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在(2)Roff

,Ron0(2)UGSRon，但Cgs

、Cgd串擾，所以應(yīng)適當選擇UGSRon，但極間電容，所以應(yīng)適當選擇結(jié)論:(1)實際應(yīng)用時，MOS管并非理想開關(guān)。實際等效電路如圖:保證MOS模擬開關(guān)正常工作的條件MOS開關(guān)的正常工作受限于與開關(guān)連接的電容值，時間常數(shù)是限制開關(guān)工作速度的重要因素。保證開關(guān)工作的條件為：開關(guān)工作頻率>時鐘控制頻率二、開關(guān)電容電路（簡稱SC電路）開關(guān)電容電路的組成：由MOS模擬開關(guān)和MOS電容組成。開關(guān)電容電路的功能：當開關(guān)電容在集成電路中代替電阻時，又稱為SC等效電阻電路。SC等效電阻電路，分為{（1）并聯(lián)型SC等效電阻電路（2）串聯(lián)型SC等效電阻電路在時鐘信號的控制下完成電荷的存儲和轉(zhuǎn)移。（一）并聯(lián)型SC等效電阻電路(2)工作原理當UG為高電平時，T1導通、T2截止，

電壓U1向C充電至U1

，Q1=CU1。當UG為高電平時，T1截止、T2導通，

C通過輸出端負載放電形成電壓U2，

Q2