电子技术——MOS放大器的DC偏置
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电子技术——MOS放大器的DC偏置
正如前几节我们学习的MOS放大器的小信号模型的参数取决于正确的DC偏置这个步骤称为偏置设计。一个好的偏置设计要满足一个稳定的漏极DC电流 I D I_D ID 和设置正确的 V D S V_{DS} VDS 保证MOS管在放大信号的时候处在饱和区。
通过设置 V G S V_{GS} VGS 设计偏置
最直接的方法是设置一个稳定电压 V G S V_{GS} VGS 来获得稳定的 I D I_D ID 。获得这个电压可以从 V D D V_{DD} VDD 进行分压得到。或者直接从系统的参考电压获得。但是这并不是一个好的偏置方法。为了说明这一点回忆一下漏极饱和电流的表达式
I D = 1 2 μ n C o x W L ( V G S − V t ) 2 I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_t)^2 ID=21μnCoxLW(VGS−Vt)2
注意到尽管在同一型号和类型的MOS管中参数阈值电压 V t V_t Vt 氧化物容抗 C o x C_{ox} Cox 和宽长比 W L \frac{W}{L} LW 也可能会相差很多并且在分立电路这种情况更加普遍。而且 V t V_t Vt 和 μ n \mu_n μn 还和温度有关系这会使得 I D I_D ID 在不同情况下大不相同。
下图展示了这个偏置方案的缺点我们发现两个蓝色曲线代表了两个具有偏差的MOS元件如果固定 V G S V_{GS} VGS 那么两个漏极电流 I D 1 I_{D1} ID1 和 I D 2 I_{D2} ID2 将会有较大的偏差。
通过固定 V G V_G VG 和连接源极电阻偏置
一个更好的设计是固定栅极电压 V G V_G VG 并且在源极设置一个电阻。如下图所示
对于这个电路有
V G = V G S + R S I D V_G = V_{GS} + R_S I_D VG=VGS+RSID
因此
I D = V G − V G S R S I_D = \frac{V_G - V_{GS}}{R_S} ID=RSVG−VGS
若 V G V_G VG 远大于 V G S V_{GS} VGS 那么 I D I_D ID 只由 V G V_G VG 和 R S R_S RS 决定。而且这颗电阻还引入了负反馈来调节 I D I_D ID 这是前几节课学过的退化电阻。
下图说明了引入这个电阻的好处直线是我们上面的源极电阻方程而两个蓝色曲线代表了两个具有偏差的MOS元件我们发现增大 R S R_S RS 的值会使直线越来越多平摊这使得 I D 1 I_{D1} ID1 和 I D 2 I_{D2} ID2 更加接近。
在现实中的一种实现电流如下图
V
G
V_G
VG 的值通过电压
R
G
1
R_{G1}
RG1 和
R
G
2
R_{G2}
RG2 从
V
D
D
V_{DD}
VDD 分压得到因为栅极电流为零因此
R
G
1
R_{G1}
RG1 和
R
G
2
R_{G2}
RG2 应选用尽量大的电阻来增加输入阻抗设置
R
S
R_S
RS 越大则偏置效果越好但是电压增益会降低为了提高电压增益就必须增大
R
D
R_D
RD 的值但是增加
R
D
R_D
RD 的值会降低信号的最大允许幅值。这是设计师需要做出权衡的。
之后将信号通过电容耦合进来即可如下图所示
通过在DC与信号源之间增加一个 耦合电阻
C
C
1
C_{C1}
CC1 将信号和DC隔离开来注意
C
C
1
C_{C1}
CC1 应尽可能的大保证在期望的信号频率上有较小的阻抗。具体的耦合电路设计将在下一章介绍。
另外如果使用双电源方案还可以使用如下简单的电路设计方案
此时电阻
R
G
R_G
RG 为MOS的栅极增加的DC地此时
V
G
=
0
V_G = 0
VG=0 可以得到下面的方程
V S S = V G S + R S I D V_{SS} = V_{GS} + R_S I_D VSS=VGS+RSID
和方程 V G = V G S + R S I D V_G = V_{GS} + R_S I_D VG=VGS+RSID 具有相同的偏置作用。同样 R G R_G RG 要设置的足够大保证较大的输入阻抗。
使用漏极-栅极反馈电阻偏置
另外一个简单有效的分立电路偏置的方法是在漏极和栅极之间引入反馈电阻 R G R_G RG 如图
在这里反馈电阻
R
G
R_G
RG 强制使得
V
G
=
V
D
V_G = V_D
VG=VD 。因此有方程
V G S = V D S = V D D − R D I D V_{GS} = V_{DS} = V_{DD} - R_D I_D VGS=VDS=VDD−RDID
也就是
I D = V D D − V G S R D I_D = \frac{V_{DD} - V_{GS}}{R_D} ID=RDVDD−VGS
和源极电阻的偏置方法大体相似建设如果 I D I_D ID 增加那么 V D S V_{DS} VDS 就会减小进而 V G S V_{GS} VGS 减小最终 I D I_D ID 减小形成负反馈回路。
使用源极恒流源偏置
在众多偏置中最有效也是众多工程师所选择的方法是使用源极恒流源偏置下图展示了这种方法的电路图
电阻
R
G
R_G
RG 将栅极连接至DC地电阻
R
D
R_D
RD 提供电流电压转换。若
I
I
I 不变那么此时MOS的Q点必然不会变化。
一种实现恒流源的方法是如下图的电路
关键的部件是将栅极漏极连起来的MOS
Q
1
Q_1
Q1 因此
Q
1
Q_1
Q1 一定工作在饱和区由饱和电流公式得到
I D 1 = 1 2 k n ′ ( W L ) 1 ( V G S − V t ) 2 I_{D1} = \frac{1}{2} k_n' (\frac{W}{L})_1 (V_{GS} - V_t)^2 ID1=21kn′(LW)1(VGS−Vt)2
这里 I R E F I_{REF} IREF 被称为参考电流有方程
I D 1 = I R E F = V D D + V S S − V G S R I_{D1} = I_{REF} = \frac{V_{DD}+V_{SS} -V_{GS}}{R} ID1=IREF=RVDD+VSS−VGS
电阻 R R R 的阻值可以帮助我们我们设置我们想要的 I R E F I_{REF} IREF 。现在关注 Q 2 Q_2 Q2 它和 Q 1 Q_1 Q1 具有相同的 V G S V_{GS} VGS 我们假设它工作在饱和区那么 I D 2 I_{D2} ID2 的电流由下面的方程给出
I = I D 2 = 1 2 k n ′ ( W L ) 2 ( V G S − V t ) 2 I = I_{D2} = \frac{1}{2} k_n' (\frac{W}{L})_2 (V_{GS} - V_t)^2 I=ID2=21kn′(LW)2(VGS−Vt)2
我们均忽略沟道长度调制效应。使用 I D 2 I_{D2} ID2 除以 I D 1 I_{D1} ID1 得到
I = I R E F ( W / L ) 2 ( W / L ) 1 I = I_{REF} \frac{(W/L)_2}{(W/L)_1} I=IREF(W/L)1(W/L)2
则输出电流 I I I 和 I R E F I_{REF} IREF 直接的比例关系正好是两个MOS管的宽长比之间的比例关系。这个电路通常被称为 电流镜 电流镜是集成IC设计的重要电路单元我们将在下一章学习。