电子技术——基本MOS放大器配置

news2024/9/29 7:19:23

电子技术——基本MOS放大器配置

上一节我们探究了一种MOS管的放大器实现，其实MOS放大器还有许多变种配置，在本节我们学习最基本的三大MOS放大器配置，分别是共栅极（CG）、共漏极（CD）、共源极（CS）。

通过上一节我们知道，MOS放大器模型DC分析和小信号分析可以分离，因此在本节我们忽略电路中的DC分析，只关心小信号分析。如何进行DC偏置配置将在下一节学习。

其次，本节我们学习的基本MOS放大器配置都是基于离散模拟电路实现，基于集成模拟电路的MOS放大器配置将在下一章学习。

三大基本配置

MOS管是一个三端器件，而放大器是一个二端器件，因此需要将MOS管的一端共地才能实现二端器件放大器电路，共地的那一端我们称为 公共端 ，剩下的两端分别是输入端和输出端。根据共地端的不同，MOS管具有三种放大器配置，分别是共栅极（CG）、共漏极（CD）、共源极（CS）。

放大器基本参数

在我们继续学习MOS放大器的之前，我们先来了解一些放大器的基本参数。

下图是抽象放大器的基本电路，放大器一端共地，信号源 $v_{sig}$ 具有内阻 $R_{sig}$ 接入放大器的输入端，输入电压为 $v_i$ 输入电流为 $i_i$ ；放大器输出端和负载电阻 $R_L$ 相连，输出电压为 $v_o$ 输出电流为 $i_o$ 。

下图是抽象放大器等效电路图，放大器的第一个参数 输入电阻 $R_{in}$ 代表了放大器的输入特性，定义为：

$R_{in} \equiv \frac{v_i}{i_i}$

信号源内阻和输入电阻构成串联分压，因此：

$v_i = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_{sig}} v_{sig}$

等效电路
我们本章学习的所有放大器都是单边放大器，放大器不包含内部反馈，也就是说 $R_{in}$ 的值与 $R_L$ 的值无关。

第二个参数是 开路电压增益 $A_{vo}$ 描述了放大器的放大特性，定义为：

$A_{vo} \equiv \frac{v_o}{v_i} |_{R_L= \infty}$

第三参数是放大器的 输出内阻 $R_o$ ，输出电阻的定义为，将放大器的输入端接地，负载电路是一个预置电流源 $i_x$ ，测量输出电压 $v_x$ 。则输出电压是从输出端看过去的戴维南等效电阻。

$R_o = \frac{v_x}{i_x}$

输出电压 $A_{vo}v_i$ 与输出电阻，负载电阻构成分压电路：

$v_o = \frac{R_L}{R_L + R_o} A_{vo} v_i$

则电路的增益为：

$A_v \equiv \frac{v_o}{v_i} = \frac{R_L}{R_L + R_o} A_{vo}$

电路的整体增益为：

$G_v \equiv \frac{v_o}{v_{sig}} = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_{sig}} \frac{R_L}{R_L + R_o} A_{vo}$

共源极放大器配置

在三大放大器配置中，应用最广泛的那必然是共源极放大器配置（CS）。一般的，在联级放大器电路设计中共源极放大器起到主要的增益放大作用。

上图就是共源极放大器基本电路（DC已置零），在这里我们直接将 $R_D$ 当作为放大器电路的一部分，负责电流转电压，如果想单独引入 $R_L$ 可以和 $R_D$ 并联。

将放大器电路使用混合 $\pi$ 模型代替后，得到的电路如下图：

混合pi模型
显然，输入电阻阻值无穷大：

$R_{in} = \infty$

输出电压为：

$v_o = -(g_m v_{gs})(R_D || r_o)$

因为 $v_{gs} = v_i$ ，则开路增益为：

$A_{vo} = -g_m (R_D || r_o)$

注意到 $r_o$ 的存在，在一般的离散电路中， $R_D$ 的阻值要比 $r_o$ 小得多，因此我们可以忽略 $r_o$ 的存在，简化为：

$A_{vo} \simeq -g_m R_D$

输出电阻我们可以使用戴维南等效电路观察出，将输入端接地，那么输出端的输出电阻为：

$R_o = R_D || r_o \simeq R_D$

通过上述分析，总结一下：

输入电阻无穷大。
输出电阻一般很大（几千欧到几十千欧），但是降低 $R_D$ 的阻值是不明智的，因为同样会降低电压增益，可以联级一个源极跟随器。
CS的电压增益通常很大，所以经常作为商用放大器方案中的主要增益单元使用，但是CS有一个缺点是带宽受限。

注意到因为输入电阻无穷大所以 $v_i = v_{sig}$ ，如果放大器带载，负载电阻为 $R_L$ ，放大器增益为：

$A_v = -g_m (R_D || R_L || r_o)$

整体增益为：

$G_v = A_v = -g_m (R_D || R_L || r_o)$

带源极电阻的CS放大器

在CS放大器的源极引入一颗电阻 $R_s$ ，这将改进CS放大器的性能，如图：

源极电阻

此时用T模型分析这个电路是比较简单的，因为 $R_s$ 可以加入到 $1/g_m$ 中，如下图，我们在这里忽略 $r_o$ 的影响：

T模型

和CS不同的是，输入电压 $v_i$ 作用于源极电阻 $1/g_m + R_s$ 上，那么 $v_{gs}$ 从 $v_i$ 中分压：

$v_{gs} = \frac{v_i}{1+g_m R_s}$

因此我们能够通过一个电阻 $R_s$ 来控制 $v_{gs}$ 的幅值，别让 $v_{gs}$ 太大而让MOS管进入非线性区。这是引入这个电阻的第一个好处。其他好处我们将在其他章节学习，这颗电阻增加了放大器的带宽，同时引入了负反馈机制。如果简单的描述一下负反馈机制：当前保持 $v_i$ 不变，由于一些原因导致了漏极电流增大，源极电流同样增大，这导致了在 $R_s$ 上的电压降增大，因此源极电压增大 $V_{gs}$ 减小，导致漏极电流减小，形成负反馈回路。