應用電子學 8-22中興物理 孫允武

基本MOSFET放大器

1. 偏壓電路設計與分析

2. 基本MOSFET放大器

3. IC MOSFET放大器

應用電子學 8-23中興物理 孫允武

偏壓電路設計與分析

Discrete MOSFET amplifiers的偏壓設計

1. 因為IG=0，電路容易設計。

2. ID和VGS有關，必須小心設計。

3. RG通常很大在MΩ範圍。在IC製程相當麻煩，故此類偏壓設計在IC設計中不太使用。

應用電子學 8-24中興物理 孫允武

IC MOSFET amplifiers的偏壓設計

IC電路偏壓設計的一些基本原則：

1. 少用電阻，多用電晶體，省空間。即用active load。

2. 使用電流源。

電流源一般有兩種：一種是用前面提到過的空乏型元件，將GS短路；另一種是使用電流鏡(current mirror)。

基本MOS電流鏡

1

2

1REF )(

21

tGSn VVL

WkI −

′=

IREF決定VGS。

2

Q1和Q2有相同的VGS，若也在相同的基板同時製作， Vt也相同，k’也相同，溫度也相同。

3 VGS決定IO。

2

2

)(21

tGSnO VVLW

kI −

′=

1

2

REF )/()/(

LWLW

IIO =

尺寸比例可以控制得很準確。

應用電子學 8-25中興物理 孫允武

電流鏡的輸出特性IO

VOVGS -Vt

IREF

VGS

For Q1 and Q2 are matched.

Slope=1/ro

當VO ≥VGS -Vt之等效電路

RoIO

O

Ao

O

Oo I

Vr

IV

R ==∆∆

= 2

小訊號模型

Ro

應用電子學 8-26中興物理 孫允武

簡易電流鏡設計

RVV

I

VVLW

kI

GSDDD

tGSnD

−=

−

′=

1

2

11 )(

21

解ID1和VGS

例題 Given VDD =5V and using IREF=100µA, it is required to design the above circuit to obtain an output current whose nominal value is 100 µA. Find Rif Q1 and Q2 are matched, have channel lengths of 10 µm and channel widths of 100 µm, Vt=1V and kn’=20 µA/V2. What is the lowest possible value of VO? Assuming that fabrication technology results in an Early voltage that can be expressed as VA=10L, where L is in microns and VA in volts, find the output resistance of the current source. Also find the change in output current resulting from a 3-V change in VO.

應用電子學 8-27中興物理 孫允武

V112

k 30A100V)25(

0V(X)or 2V)1(10

10020

21

100

)(21

min

1

2

2

11

=−=−=

Ω=−

=−

=

=−××=

−

′=

tGSO

D

GSDD

GSGS

tGSnD

VVV

RIVV

R

VV

VVL

WkI

µ

Ω==

=×=⇒=

M1A100

V100V1001010m10

µ

µ

o

A

r

VL

The change in output current resulting from a 3-V change in VO:

A3M1

V3µ+=

Ω+

=∆

=∆o

OO r

VI

About 3% change in output current.

應用電子學 8-28中興物理 孫允武

Current-Steering Circuits

Current Sink

Current Source

2

2

1

REF

)()( LWI

LWI =

3

3

1

REF

)()( LWI

LWI =

43 II =

5

5

4

4

)()( LWI

LWI =

在IC設計上相當有用

應用電子學 8-29中興物理 孫允武

基本MOSFET放大器

Common source (CS) Common gate (CG) Common drain (CD)Source follower

和BJT放大器類似，基本MOSFET放大器有三種接法：

應用電子學 8-30中興物理 孫允武

基本MOSFET放大器的特性(用在一般discrete電路)

ro∞-∞-gmRLCS

[1+gm Rs]ro1/gm1gmRLCG

∞∞CD

RoRiAi0Aυ0

Lm

Lm

RgRg

+1 mo

m gr

g1

//1

≈

rorπ-β-gmRLCE

[1+gm (Rs// rπ)]roreαgmRLCB

rπ+ (β+1)RLβ+1CC

L

L

RrR)1(

)1(++

+β

β

π 1++

βπ sRr

和BJT放大器比較

同學練習自行推導

應用電子學 8-31中興物理 孫允武

IC MOSFET放大器

在IC設計中，儘量避免用電阻做負載，而改用電晶體電路作負載(主動式負載)，一般包括電流源及接成二極體形式的電晶體(diode-connected transistor)。

The CMOS Common-Source Amplifier

基本電路 主動式負載特性圖

應用電子學 8-32中興物理 孫允武

放大電晶體輸出特性與負載曲線

DDO V=+υυ

放大器電路的轉換特性

用作線性放大器的區間在III，Q1和Q2都在飽和區。這個區間很小，需要有另外的回授電路確保在此區間操作。

應用電子學 8-33中興物理 孫允武

小訊號電路分析

)//(

)//(

2111

2111

oomgs

o

i

o

oogsmo

rrgA

rrg

−===

−=

υυ

υυ

υυ

υ

REF

21

1211

REF1

1

REF

11

REF

22

111

2)//(

2

,

IVV

LW

krrgA

IL

Wkg

IV

rIV

r

AA

n

oom

nm

Ao

Ao

+

′

−=−=

′=

==

υ

假如|VA1|∼ |VA2| = VA

REF1

2IV

LW

kA An

′−≈υ

此放大器輸入和輸出阻抗都很大。電壓增益和偏壓電流的平方根成反比。另外，電壓基板效應並不影響此電路，因所有電晶體的VSB均為固定值。

應用電子學 8-34中興物理 孫允武

The CMOS Common-Gate Amplifier

基本電路小訊號等效電路分析

必須考慮body effect

11 bsgsi υυυ −=−=

應用電子學 8-35中興物理 孫允武

上頁的小訊號模型可以簡化為：

3.0~1.0:)//)((

1

)//)(1

(

)(

11

2111

11

211

11

211

1

χχ

υυ

υυ

υυ

υ

υ

mmb

oombm

mo

ooo

mbmi

o

o

oimbm

o

oi

ggrrggA

gr

rrr

ggA

rgg

r

=+≈

<<

++==

=++−

輸入阻抗

)(2

1)(

1

)//()1

(

1

)//)(1

(

111

2

11

21

2

111

2

211

11

2

mbmo

o

mbmi

oo

o

ombm

i

ii

o

iooo

mbm

o

oi

ggrr

ggR

rrr

rggi

R

r

rrr

gg

ri

+≈

+

+≈

++==

++==

υ

υυ

輸出阻抗21 // ooo rrR =

輸入阻抗較一般RL<<ro1的情形大約2倍。

Body effect使增益大約20％。

應用電子學 8-36中興物理 孫允武

The Common-Drain Amplifier or Source Follower

基本電路 小訊號等效電路分析

上面的小訊號模型可以簡化為：

2111

1

1

1

11111

111

11

1

oombm

m

Sm

Sm

i

o

gsSmgssgsi

gsSmso

rrgg

gA

RgRg

A

Rg

Rg

+++=

+==

+=+=

==

υ

υ υυ

υυυυυ

υυυ

應用電子學 8-37中興物理 孫允武

χυ +=

+≈

11

11

1

mbm

m

ggg

A一般而言：gm1, gmb1 >>1/ro1, 1/ro2

計算輸出阻抗

υt

υt

)1(1

1//

1

////1

//1

1

11

2111

χ+=

≈

=

m

mbmo

oombm

o

g

ggR

rrgg

R

應用電子學 8-38中興物理 孫允武

ALL NMOS Amplifier Stages這種形式的IC放大器可以使用所謂的diode-connected transistor的接法形成主動式負載。又可分為增強型與空乏型的接法。

Diode-connected enhancement MOS Diode-connected depletion MOS

ttn VVL

Wki ≥−′= υυ ,)(

21 2

小訊號模型

tD

AtDn

V

VV

LW

ki

−≥

+′=

υ

υ)1(

21 2

mg1

or

應用電子學 8-39中興物理 孫允武

NMOS Amplifier with Enhancement Load

IttDDO

tIn

tODDnDD

LWLW

VLWLW

VV

VL

Wk

VVLW

kII

υυ

υ

υ

2

11

2

12

21

1

22

221

)/()/(

)/()/(

)(21

)(21

−

+−=

−

′=

−−

′==

先不考慮body-effect和ro

應用電子學 8-40中興物理 孫允武

小訊號增益

2

1

)/()/(

LWLW

A −=υ 和偏壓的電流無關，只和元件尺寸有關

若考慮Q2的body effect

22

1

11

)/()/(

χυ +−=

LWLW

A

輸出阻抗

)1(11

//1

////1

//1

2222

2122

χ+=≈

=

mmbmo

oombm

o

gggR

rrgg

R

通常此類放大器的增益無法做太大。好處是非線性失真小。

應用電子學 8-41中興物理 孫允武

NMOS Amplifier with Depletion Load

若不考慮body effect

21

211

//

)//(

ooo

oomi

o

rrR

rrgA

=

−==υυ

υ

若考慮body effect呢？？

應用電子學 8-42中興物理 孫允武

畫出小訊號等效電路

212

212

1

////1

////1

oomb

o

oomb

mi

o

rrg

R

rrg

gA

=

−==

υυ

υ

通常21

2

,1

oomb

rrg

<<

22

1

22

1

2

1 1)/()/(

χχυ LWLW

gg

gg

Am

m

mb

m −=−=−≈

222

11

mmbo gg

Rχ

=≈