電路知識理解與分析-KIA MOS管

信息來(lái)源：本站　日期：2021-01-22　

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電路知識理解與分析-KIA MOS管

CS單管放大電路

共源級單管放大電路主要用于實(shí)現輸入小信號的線(xiàn)性放大，即獲得較高的電壓增益。在直流分析時(shí)，根據輸入的直流柵電壓即可提供電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，而根據MOSFET的I-V特性曲線(xiàn)可知，

MOSFET的靜態(tài)工作點(diǎn)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，主要表現為MOS管在飽和區的VDS具有較寬的取值范圍，小信號放大時(shí)輸入的最小電壓為VIN-VTH，最大值約為VDD，

假設其在飽和區可以完全表現線(xiàn)性特性，并且實(shí)現信號的最大限度放大(理想條件下)，則確定的靜態(tài)工作點(diǎn)約為VDS=（VIN-VTHVDD）/2，但是CS電路的實(shí)際特性以及MOS管所表現出的非線(xiàn)性關(guān)系則限制了小信號的理想放大。

主要表現在：

（1）電路在飽和區所能夠確定的增益比較高，但仍然是有限的，也就是說(shuō)，在對輸入信號的可取范圍內，確定了電路的增益。

電路的非線(xiàn)性以及MOS管的跨導的可變性決定了CS電路對于輸入小信號的放大是有限的，主要表現在輸入信號的幅度必須很小，這樣才能保證放大電路中晶體管的跨導近似看作常數，電路的增益近似確定。

（2）CS電路也反映了模擬CMOS電路放大兩個(gè)普遍的特點(diǎn)，一是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)將直接影響小信號的放大特性，也就是說(shuō)CMOS模擬放大電路的直流特性和其交流特性之間有一定的相互影響。

從輸入-輸出特性所表現的特性曲線(xiàn)可以看出，MOSFET在飽和區的不同點(diǎn)所對應的電路增益不同，這取決于器件的非線(xiàn)性特性，但是在足夠小的范圍內可以將非線(xiàn)性近似線(xiàn)性化，這就表現為在曲線(xiàn)的不同分段近似線(xiàn)性化的過(guò)程中電路的增益與電路的靜態(tài)工作點(diǎn)有直接關(guān)系，可以看出，靜態(tài)工作點(diǎn)的不同將決定了電路的本征增益。

這一點(diǎn)表現在計算中，CS電路的跨導取決于不同的柵壓下所產(chǎn)生的靜態(tài)電流，因此電路的增益是可選擇的，但是其增益的可選擇性將間接限制了輸出電壓的擺幅。這些都反映了放大電路增益的選擇和電流、功耗、速度等其他因素之間的矛盾。

（3）二是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)將直接影響前一級和后一級的直流特性，因為CS電路實(shí)現的放大是針對小信號的放大。

但是電路的放大特性是基于靜態(tài)工作點(diǎn)的確定，換句話(huà)說(shuō)，在電路中的中間級CS電路即需要根據前一級的靜態(tài)輸出來(lái)確定本級的工作點(diǎn)，這也就導致了前一級對后一級的影響，增加了電路設計的復雜性。

但是電路設計中的CD電路可以實(shí)現直流電平移位特性，交流信號的跟隨特性，這也就解決了靜態(tài)級間的影響，總體來(lái)講，這樣簡(jiǎn)化了設計，但是增加了電路的面積。

（4）分析方法：CMOS模擬電路的復雜特性也決定了電路的小信號分析的特殊方法，區別于BJT，第一種方法即直接從大信號的分析入手；

MOS管在模擬IC中主要工作在線(xiàn)性區和飽和區，結合MOS管的柵壓和漏源電壓所確定的不同區域的電流電壓關(guān)系進(jìn)而確定電路的大信號工作特性，而大信號的特性曲線(xiàn)一方面可以確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，

另一方面也間接反映了電路的交流特性，因為從大信號到小信號的電路特性分析也就是實(shí)現電路的非線(xiàn)性到線(xiàn)性分析，交流特性或者小信號特性是一個(gè)微變化量的分析，而大信號特性是全擺幅的分析或者整體的分析，因此，小信號是大信號在工作點(diǎn)附近的一種近似，一種線(xiàn)性化。

也就是說(shuō)，實(shí)現大信號到小信號的分析在數學(xué)上表現為微分關(guān)系。第二種方法則類(lèi)似于BIT分析時(shí)的小信號等效模型分析，這樣從器件級建立信號的等效模型表現在電路級只能提供一種簡(jiǎn)易的計算方法，不能實(shí)現對電路的直觀(guān)理解。

因此，在低頻狀態(tài)下表現為：CS電路能夠實(shí)現對輸入信號的電壓放大，其電壓增益較高，輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗較小。

（5）MOS管構成的二極管等效于一個(gè)低阻器件，作為共源級的負載，代替了電阻實(shí)現小信號的放大，但是，電路的增益受到了限制。總的來(lái)說(shuō)，利用電阻或者M(jìn)OS管構成的有源二極管作為負載無(wú)法實(shí)現高增益的放大特性。

（6）電流源負載的共源級放大電路實(shí)現了電壓的高增益放大、電路的大輸出擺幅，但是也在一定程度上帶來(lái)新的問(wèn)題，可以看出，高增益源于等效的輸出阻抗較大，大輸出擺幅可以通過(guò)調節靜態(tài)NMOS和PMOS的最低工作電壓實(shí)現，但是GD的電容效應和較高的輸出阻抗導致電路的響應速度下降。

在低頻工作狀態(tài)下電路能夠實(shí)現較好的電壓轉換，但是在高頻工作區域，電路的速度受限。

另一方面，電路實(shí)現的高增益特性表現在輸出端漏源電壓的變化幅度較大，這就要求在靜態(tài)時(shí)盡可能使漏端的輸出電壓保證NMOS和PMOS在臨界飽和點(diǎn)處電壓和的一半，這樣保證其輸出的擺幅對稱(chēng)，不會(huì )產(chǎn)生失真，這就要求電路在靜態(tài)時(shí)輸入的柵電壓更穩定，即使得輸出漏電壓處于臨界飽和點(diǎn)處電壓和的一半。

（7）理解誤區：靜態(tài)時(shí)電路各點(diǎn)工作電壓是確定的。例電流源負載的CS電路，放大管工作在飽和區條件下漏源電壓具有很大的變化范圍，

但是電路在工作時(shí)，其靜態(tài)電流相等，漏端的電壓相等，即可唯一確定漏端的靜態(tài)輸出電壓，表現在特性曲線(xiàn)上可理解為放大管的NMOS和負載管的PMOS在輸入唯一的情況下具有唯一確定的交點(diǎn)，反映了唯一的漏電壓。

這樣類(lèi)比的結果，在MOS管構成的復雜電路中是可以確定其各個(gè)MOS管在飽和狀態(tài)下的漏電壓的。

（8）CS電路源級負反饋。

負反饋的引入使得電路結構發(fā)生了根本的變化，表現在無(wú)源器件所構成的反饋網(wǎng)絡(luò )將聯(lián)系著(zhù)輸入柵壓和輸出漏壓，因此隨著(zhù)反饋深度的增加，對于輸入的信號變化量將主要反映在反饋的電阻上，也就是說(shuō)輸入小信號的變化量將主要體現在反饋的電阻上，這種反饋的作用使得IDS和VGS的非線(xiàn)性關(guān)系減弱，近似線(xiàn)性化。

同時(shí)，電路的等效跨導也將隨著(zhù)反饋的引入有界化。負反饋一方面改變了電路的線(xiàn)性度，另一方面增加了增益的恒定性，但是這些性能的改善以犧牲電壓增益為前提。

2、CD/CG單管放大電路

源級跟隨器在電路中主要用于實(shí)現電壓的緩沖，電平的移位。

主要表現在：電路的電壓增益約等于1，這樣實(shí)現輸出近似跟隨輸入；飽和條件下輸出與輸入的變化為：輸出電壓等于輸入電壓-閾值電壓；

電路的輸入阻抗趨于無(wú)窮大，輸出阻抗很小，這樣電路可以驅動(dòng)更小的負載，以保持電路在結構上的匹配。因此CD電路在大信號中表現為直流電平的移位特性，在小信號中表現為交流信號的跟隨特性。而CG電路相對較低的輸入阻抗在電路中用于實(shí)現匹配特性。

3、Cascode電路

套筒式的共源共柵結構在一定程度上限制了輸出的電壓擺幅，也就是說(shuō)電路的最小輸出必須保證共源共柵結構的MOSFET工作在飽和條件，即輸出的最小電平約為兩個(gè)過(guò)驅動(dòng)電壓之和，但是卻極大的提高了電路的輸出阻抗。

共源共柵結構將輸入的電壓信號轉換為電流，而電流又作為CS電路的輸入。而折疊式的共源共柵結構在實(shí)現電路的放大時(shí)表現為較好的低壓特性。

4、電路是計算出來(lái)的

（1）直流工作點(diǎn)的確定依據其輸入的靜態(tài)電壓或靜態(tài)電流確定，換句話(huà)說(shuō)，電路中各點(diǎn)的靜態(tài)電壓和電流都是可以計算出來(lái)的，因為其靜態(tài)電路各點(diǎn)的IV關(guān)系滿(mǎn)足基本的電路定理，電路結構的不同所表現的電流、電壓表達式是唯一確定的，即電路的靜態(tài)參數是唯一確定的。

（2）在直流工作點(diǎn)的基礎上進(jìn)行的交流分析也就是對輸入小信號的分析，所實(shí)現的放大是對疊加在工作點(diǎn)上的小信號進(jìn)行放大。

或者說(shuō)，直流電平提供了小信號工作的穩態(tài)條件，而交流特性則反映了信號的動(dòng)態(tài)變換，即放大特性，這樣在直流電平上疊加的交流小信號共同作為輸入作用于電路實(shí)現信號的放大。

總的來(lái)說(shuō)，電路的交流特性可以通過(guò)小信號分析得到，或者通過(guò)等效的電路模型簡(jiǎn)化分析，因此，電路的增益、輸入阻抗、輸出阻抗都是可以進(jìn)行計算的。

5、MOSFET小信號模型直觀(guān)理解

MOSFET在飽和條件下的工作狀態(tài)可以通過(guò)小信號等效電路圖進(jìn)行分析，但是小信號等效電路分析也只是提供了一種較為簡(jiǎn)化的計算方法。

電路中的MOS管通過(guò)柵源電壓的微變化轉換為漏源電流的變化，在交流通路中流過(guò)相應的負載即可產(chǎn)生交流輸出電壓，而直流和交流的疊加產(chǎn)生最終的輸出電壓，產(chǎn)生這一現象的根源在于器件的非線(xiàn)性特性。

因此，對于直流通路的分析根據其靜態(tài)工作電壓和電流關(guān)系即可得到，而對于交流通路仍然可以建立交流等效電路，但是對于有源器件來(lái)講，其電流和電壓的非線(xiàn)性導致器件自身的交直流阻抗分離，這就導致交流通路的某些參數發(fā)生變化，這樣電路的交流分析應當注意器件阻抗的變化，這正是源于有源器件的非線(xiàn)性導致的交直流阻抗分離。

從MOSFET的小信號等效電路可以看出，柵源電壓對于漏源電流的控制起主導作用，也就是說(shuō)漏源電壓和襯底效應對器件工作狀態(tài)的影響可以忽略，因此可以看出，MOS管的漏源電流受三方面的影響，從柵端口看，柵壓對電流的影響gm*vgs，漏源電壓對電流的影響gd*vds，襯底的影響gmb*vbs。

那么從電流的角度來(lái)講，二級效應表現為gm*vgs、gd*vds和gd*vds電流的總和。

一般條件下，在電路的初始分析過(guò)程中忽略溝道長(cháng)度調制和體效應的影響，這樣簡(jiǎn)化的MOS模型僅受柵壓的影響，因此從源到柵的等效阻抗約為1/gm。簡(jiǎn)化的電路分析往往因為忽略的次級效應而產(chǎn)生誤差，但是對于電路的直觀(guān)理解是很重要的。

6、SPICE模型

晶體管級的連接決定了電路的結構，但是電路的性能卻取決于具體的參數設置。SPICE模型提供了器件的具體參數化過(guò)程，即對電路的仿真分析需要進(jìn)行參數的設置，

即在工藝過(guò)程中的所約束的各種參數提供了一個(gè)較為完整的器件級的參數模型，例如溝道長(cháng)度調制系數、寄生的電容、柵氧層的厚度等等，這些都是為了將晶體管的參數進(jìn)行量化，即在器件層次的某些參數也是可以計算出來(lái)的！

7、五管差分對（全對稱(chēng)結構）

輸入信號是直流和交流的疊加，直流電平用于確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，根據IV特性曲線(xiàn)可知，基本差分結構在輸入直流電平相等的條件下所表現的線(xiàn)性關(guān)系最好，并且其線(xiàn)性范圍最大，這樣增大了輸入交流小信號的動(dòng)態(tài)范圍。

但是直流工作點(diǎn)的選取依賴(lài)于基本的電路結構，也具有一定的范圍：保證尾電流管處于飽和區，同時(shí)不能使得放大管進(jìn)入線(xiàn)性區，這樣就近似確定的輸入共模電平的選擇范圍。

靜態(tài)下的五管差分對，其節點(diǎn)的電流電壓是完全可以計算出來(lái)的。而電路的對稱(chēng)結構簡(jiǎn)化了其交流特性的分析，基本的五管差分對可以簡(jiǎn)化為CS單管放大電路。

全對稱(chēng)的五管差分對也再次體現了CMOS模擬電路的一特點(diǎn)，交直流之間的相互影響。

或者說(shuō)，基本的CS電路的直流電平確定了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，但是直流工作下最大的電平輸出也限制了交流小信號的輸出電壓，即在電路輸入確定的條件下限制了其增益，或者在增益確定的條件下限制了輸入小信號的擺幅。

總之，電路的交直流特性相互影響較大，這一點(diǎn)區別于BIT。

KIA MOS管原廠(chǎng)簡(jiǎn)介

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KIA半導體專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)MOS管場(chǎng)效應管廠(chǎng)家（國家高新技術(shù)企業(yè)）成立于2005年，公司成立初期就明確立足本土市場(chǎng)，研發(fā)為先導，了解客戶(hù)需求，運用創(chuàng )新的集成電路設計方案和國際同步研發(fā)技術(shù)；

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結合中國市場(chǎng)的特點(diǎn)，向市場(chǎng)推出了BIPOLAR,CMOS,MOSSFET等電源相關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)品的穩定性，高性?xún)r(jià)比，良好的服務(wù)，以及和客戶(hù)充分的技術(shù)，市場(chǎng)溝通的嚴謹態(tài)度，在移動(dòng)數碼，LCE,HID,LED,電動(dòng)車(chē)，開(kāi)關(guān)電源，逆變器，節能燈等領(lǐng)域深得客戶(hù)認可。

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