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(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)

MOS場(chǎng)效應(yīng)管的模型

MOS管有源負(fù)載

MOS場(chǎng)效應(yīng)管的三種基本放大電路

MOS管電流源

MOS管單級(jí)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(kāi)關(guān)電容電路

第一節(jié)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)（1）MOS場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)。（3）輸入電阻極高，一般高達(dá)109~1012。（4）MOS場(chǎng)效應(yīng)管所占芯片面積小、功耗很小，且制造工藝簡(jiǎn)單，因此便于集成。（5）因MOS場(chǎng)效應(yīng)管既有N溝道和P溝道器件之分，又有增強(qiáng)型和耗盡型之別，它們對(duì)偏壓極性有不同要求。（6）MOS場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo)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(fù)載。（7）MOS場(chǎng)效應(yīng)管存在背柵效應(yīng)（也稱(chēng)襯調(diào)效應(yīng)），為了減小柵源電壓對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的不足之處除了跨導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)

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

第二節(jié)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的模型2.高頻交流小信號(hào)模型MOS管完整的交流小信號(hào)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(hào)模型可以得到簡(jiǎn)化。

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

0時(shí),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(chēng)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(chǎng)效應(yīng)管的基本放大電路場(chǎng)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?zhàn)饔?，RS大，Q穩(wěn)定；但RS大Q點(diǎn)低。問(wèn)題：Q點(diǎn)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(gè)固定偏壓。RG很大以減小對(duì)輸入電阻的影響。(1)對(duì)于耗盡型FET：

UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS此時(shí)：RS大Q點(diǎn)不會(huì)低?？梢愿倪M(jìn)自偏置電路RS對(duì)Q點(diǎn)的影響。顯然對(duì)于JFET,當(dāng)|US|>|UG|時(shí)，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(duì)增強(qiáng)型MOSFET:UGS=UDDR2/(R1+

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

R2)-IDRS對(duì)增強(qiáng)型MOSFET,須保證|UG|>|US|時(shí)，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(chēng)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(qiáng)型FET。改進(jìn)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(xiě)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(shí):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(fù)載比rds小很多，故此時(shí)可認(rèn)為rds開(kāi)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(shí):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(lèi)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(lèi)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(dāng)rds

>>RL’,gm

rds

>>1時(shí)：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(diǎn)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(diǎn)（一）增強(qiáng)型（單管）有源負(fù)載將D、G短接（N溝道），電路如圖：R0R0顯然：適當(dāng)減小gm(或)

可提高R0。第四節(jié)MOS管恒流源負(fù)載gmb

背柵跨導(dǎo)（二）耗盡型（單管）有源負(fù)載將G、S短接（n溝道），電路如圖:R0R0顯然，與增強(qiáng)型MOS有源負(fù)載相比，它具有更高的R0。G,S間電壓為0此時(shí)G,S間沒(méi)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?yàn)閁GS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0所以2211021LWLWRDDIIII==若T1、T2結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)：則溝道的寬長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)：則I02與IR成比例，比例系數(shù)為溝道的寬長(zhǎng)比之比。設(shè)TR、T2、T3管的溝道寬長(zhǎng)比分別為STR、ST1、ST2，則有:由MOS鏡像電流源工作原理可知:同時(shí)也有第六節(jié)MOS單級(jí)放大電路有源負(fù)載的共源MOS放大器常見(jiàn)的電路形式有：1.E/E型NMOS放大器：放大管和負(fù)載管均為N溝道增強(qiáng)型（E型）的共源放大器。2.

E/D型NMOS放大器：放大管用增強(qiáng)型（E型），負(fù)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(fù)載放大器：是由增強(qiáng)型NMOS管（放大），和增強(qiáng)型PMOS（有源負(fù)載）組成的放大器。4.

CMOS互補(bǔ)放大電路：采用極性不同（P、N溝道）的兩只MOS管構(gòu)成互補(bǔ)電路。（一）E/E型NMOS單級(jí)放大電路E/E型NMOS放大電路實(shí)質(zhì)放大管和有源負(fù)載管均采用增強(qiáng)型MOS管（稱(chēng)為E管），其中，VT1為放大管，VT2為負(fù)載管。（RO2=1/(gm2+gmb2)為T(mén)2管的等效電阻）。電壓增益:此時(shí)襯底接地不考慮襯底效應(yīng)特點(diǎn)：1.由于ST1、ST2受工藝限制不能隨意增加，AUE只能達(dá)到

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

輸出電阻：Ro=rds//RO2（二）E/D型NMOS單級(jí)放大電路

E/D型NMOS放大電路是指放大管采用增強(qiáng)型MOS管，有源負(fù)載采用耗盡型MOS管（稱(chēng)為D管），其中，VT1為放大管，VT2為負(fù)載管。（RO2=1/gmb2為T(mén)2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(diǎn)：1.增益高，因2為0.1左右，故AUD比AUE高一個(gè)數(shù)量級(jí)。（常用）2.輸入電阻為T(mén)1的柵源絕緣電阻，很高，一般可達(dá)1010。3.輸出電阻比E/E型放大器高。E/E型（三）CMOS有源負(fù)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(fù)載Ro2=rds2)電壓增益：

AU=-gm1(rds1//rds2)優(yōu)點(diǎn)：

1.電壓增益高，gds比gm或gmb小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，故在同樣工作電流條件下，AU遠(yuǎn)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(diǎn)：輸出電阻比E/E型和E/D型高，負(fù)載能力較E/E型和E/D型差?？梢?jiàn)，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(bǔ)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(fù)載放大器的2倍。

缺點(diǎn)：級(jí)聯(lián)時(shí)電平匹配困難，因此一般作輸出級(jí)。特點(diǎn)：四種常用MOS單級(jí)放大器性能比較電路類(lèi)型增益表達(dá)式AU典型值輸出電阻Ro表達(dá)式E/E型NMOS放大電路<20dB>30dBCMOS有源負(fù)載放大電路30～60dBCMOS互補(bǔ)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(lèi)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：?jiǎn)味溯敵霾钅ｋ妷涸鲆妫?/p>

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(bǔ)功率放大電路如圖：對(duì)比雙極型甲乙類(lèi)功放電路說(shuō)明其工作原理。T1、T2為互補(bǔ)源極跟隨器；T3、T4的柵源電壓UGS為T(mén)1、T2提供直流偏壓，使T1、T2兩管工作在甲乙類(lèi)狀態(tài)；T5與T6組成CMOS推動(dòng)電路，T5是放大管，T6是T5的有源負(fù)載。

第九節(jié)MOS模擬開(kāi)關(guān)及開(kāi)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(fù)載；

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

1.器件接通時(shí)D-S間不存在固有的直流漂移。

2.控制端G與信號(hào)通路是絕緣的，控制通路與信號(hào)通路之間無(wú)直流電流。從開(kāi)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(kāi)關(guān)。一、單管MOS傳輸門(mén)模擬開(kāi)關(guān)1.增強(qiáng)型單管MOS模擬開(kāi)關(guān)電路UG<UGS,th時(shí)管子截止（Roff

）。UG>UGS,th時(shí)管子導(dǎo)通（Ron0）。

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

,Ron0(2)UGSRon，但Cgs

、Cgd串?dāng)_，所以應(yīng)適當(dāng)選擇UGSRon，但極間電容，所以應(yīng)適當(dāng)選擇結(jié)論:(1)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，MOS管并非理想開(kāi)關(guān)。實(shí)際等效電路如圖:保證MOS模擬開(kāi)關(guān)正常工作的條件MOS開(kāi)關(guān)的正常工作受限于與開(kāi)關(guān)連接的電容值，時(shí)間常數(shù)是限制開(kāi)關(guān)工作速度的重要因素。保證開(kāi)關(guān)工作的條件為：開(kāi)關(guān)工作頻率>時(shí)鐘控制頻率二、開(kāi)關(guān)電容電路（簡(jiǎn)稱(chēng)SC電路）開(kāi)關(guān)電容電路的組成：由MOS模擬開(kāi)關(guān)和MOS電容組成。開(kāi)關(guān)電容電路的功能：當(dāng)開(kāi)關(guān)電容在集成電路中代替電阻時(shí)，又稱(chēng)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(shí)鐘信號(hào)的控制下完成電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。（一）并聯(lián)型SC等效電阻電路(2)工作原理當(dāng)UG為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止，

電壓U1向C充電至U1

，Q1=CU1。當(dāng)UG為高電平時(shí)，T1截止、T2導(dǎo)通，

C通過(guò)輸出端負(fù)載放電形成電壓U2，

Q2