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Microelectronics微電子概論與新進(jìn)展模擬集成電路篇目錄123章節(jié)介紹放大器基礎(chǔ)場效應(yīng)管放大器4雙極晶體管放大器v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景3章節(jié)解析一、章節(jié)介紹MOSFET放大器放大器基礎(chǔ)BJT放大器放大器基礎(chǔ)基本概念四種放大器類型MOSFET基礎(chǔ)放大分析方法三種基礎(chǔ)放大器BJT基礎(chǔ)放大分析方法三種基礎(chǔ)放大器MOSFET放大器BJT放大器掌握知識：放大器的概念、原理和重要參數(shù)掌握知識：MOSFET大信號和小信號特性，共源/共柵/共漏放大器分析掌握知識：BJT大信號和小信號特性，共射/共集/共基放大器分析目錄123章節(jié)介紹放大器基礎(chǔ)場效應(yīng)管放大器4雙極晶體管放大器v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景5放大器基本概念二、放大器基礎(chǔ)放大器：是一種電路，其核心功能是接收一個微弱的輸入信號（電壓、電流或功率），并產(chǎn)生一個與輸入信號波形相同但幅度顯著增大的輸出信號放大器包含如下條件：要有控制原件：晶體管或場效應(yīng)管要有電源：提供能量偏置工作在放大區(qū)：待放大信號一定加在發(fā)射結(jié)（柵源結(jié)），不能加到集電結(jié)（漏極）；信號可從集電極或發(fā)射極輸出，不可走基極或柵極輸出存在負(fù)載：將變化電流轉(zhuǎn)化成變化電壓放大器核心參數(shù)：增益（放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景6四種放大器二、放大器基礎(chǔ)電壓放大器電流放大器互阻放大器互導(dǎo)放大器目錄123章節(jié)介紹放大器基礎(chǔ)場效應(yīng)管放大器4雙極晶體管放大器v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景8大信號輸出特性三、場效應(yīng)管放大器N溝道增強型MOSFET與輸出特性MOSFET工作在三個區(qū)：截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)截止區(qū)：vGS<VTN，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0可變電阻區(qū)：vDS<(vGS-VTN)，此時由于此時VDS較小，因此此時rds為柵控可變電阻飽和區(qū)（恒流區(qū)、放大區(qū)）：vDS≥(vGS-VTN)，此時有

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Microelectronics一、技術(shù)背景9基本共源放大電路三、場效應(yīng)管放大器vi為柵極輸入信號，v0（vDS）為漏極輸出信號，因此放大電路共源，各部分元件作用如下：信號源VGG：提供柵壓，使vGS>VTN信號源VDD和電阻Rd：提供合適源漏電壓，使vDS≥(vGS-VTN)信號傳遞過程如下，在飽和區(qū)有vi

vGS

iD

vDS(=vo)因此

增益為靜態(tài)工作狀態(tài)（直流工作狀態(tài)）：輸入信號為0時，放大電路的工作狀態(tài)，此時N溝道增強MOSFET的三個直流量ID，VGS和VDS能夠在輸出特性曲線上表示為一個確定的點，稱為靜態(tài)工作點Q，常寫成IDQ，VGSQ和VDSQ動態(tài)工作狀態(tài)（交流工作狀態(tài)）：輸入信號不為0時，放大電路的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移曲線與基本共源放大電路v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景10直流/交流工作狀態(tài)三、場效應(yīng)管放大器直流工作狀態(tài)：VGSQ=VGG，

，VDSQ=VDD-IDQRd

，計算Q點參數(shù)后，必須檢驗是否滿足飽和區(qū)工作條件基本共源放大電路直流工作狀態(tài)交流工作狀態(tài)在靜態(tài)基礎(chǔ)上加小信號vi，此時總電壓和電流為，可見交流小信號是在Q點附近波動vGS=

VGSQ+

viiD

=

IDQ+

idvDS=

vDSQ+

vdsv西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景11圖解法三、場效應(yīng)管放大器共源放大電路靜態(tài)工作點（圖解法）由于vDS=VDD-iDRd，可以將vds和id置0分別求出與輸出曲線iD-vDS的截距，在兩者相交處，找到vGS=VGG點，即可確定Q值vds和vi的相位相反可以確定最大不失真輸出幅度（右下角為截止失真，左上角為飽和失真）v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景12小信號模型三、場效應(yīng)管放大器小信號模型：在特定條件下將非線性器件做線性化近似處理，從而簡化由其構(gòu)成的放大電路的分析和設(shè)計考慮到vgs<<2(VGSQ-VT)，忽略最后一項，因此iD=IDQ+gmvgs=IDQ+id，考慮小信號時，id=gmvgs根據(jù)諾頓等效，輸出端存在電阻rds，N溝道增強型MOSFET交流小信號模型gmvgs是電壓vgs控制電流源電流方向與電壓極性關(guān)聯(lián)gm低頻互導(dǎo)的物理意義是轉(zhuǎn)移曲線上Q點的切線斜率rds輸出電阻的物理意義是Q點切線斜率的倒數(shù)v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景13電流鏡三、場效應(yīng)管放大器電流鏡：一種模擬電路，用于復(fù)制或“鏡像”輸入電流，并在輸出端產(chǎn)生一個與輸入電流成固定比例的電流右圖所示，兩個MOS管柵極相連，接在Q1的漏極，Q1漏極接參考電流源IREF，Q2漏極輸出IoutQ1和Q2工作在飽和區(qū)，有理想情況，假設(shè)兩個MOS管具有相同的μn和Cox，則上式兩邊相比可得

，這就是電流的復(fù)制（鏡像）簡單的CMOS電流鏡實際上需要考慮MOS管的有限輸出阻抗rout，將一個信號源Vx放置于輸出節(jié)點，那么左圖為單個MOS管Q1的小信號模型，其中考慮到輸出阻抗中，rDS1>>1/gm1,所以輸出阻抗可以近似為1/gm1，這種單一的等效小信號模型如右圖所示IREFv西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景14電流鏡與放大器三、場效應(yīng)管放大器使用簡化模型后，整個電流鏡的小信號模型如下圖所示，VGS2通過一個電阻值為1/gm1的電阻接地考慮Q1電阻沒有電流流過，VGS2=0，此外考慮低頻狀態(tài)，gm2VGS2為0，電路被簡化為右圖小信號模型，模型輸出阻抗等于rDS2MOS放大電路共源放大器共漏放大器共柵放大器共源放大器：一種以MOSFET的源極（Source）作為交流信號公共端的單級放大器，有源負(fù)載通常由CMOS電流鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)電阻負(fù)載共漏放大器：又稱源極跟隨器，漏極直接或者間接通過電流源接電源共柵放大器：柵極接固定偏置電壓v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景15共源放大器三、場效應(yīng)管放大器右圖共源放大器由兩部分構(gòu)成：放大管（NMOS）和有源負(fù)載（PMOS電流鏡）放大管：采用NMOS晶體管作為共源放大器的核心，輸入信號加在柵極，輸出從漏極取出有源負(fù)載：用PMOS晶體管構(gòu)成的電流鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻負(fù)載，為放大管提供靜態(tài)工作電流并實現(xiàn)高增益共源放大器與小信號模型該共源放大器工作原理如下：電流鏡：PMOS電流鏡將參考電流IREF鏡像到放大管的漏極，形成穩(wěn)定的靜態(tài)工作點信號放大：輸入信號Vin調(diào)制NMOS管的柵極電壓，改變其漏極電流ID，由于PMOS電流鏡的等效輸出阻抗很高，電流變化會轉(zhuǎn)化為較大的輸出電壓變化Vout，實現(xiàn)電壓放大高增益：PMOS電流鏡的高輸出阻抗rDS2和NMOS管的高輸出阻抗rDS1并聯(lián)，總阻抗較高，增益-gm（rDS1||rDS2）顯著提升，在0.18μmCMOS工藝下，單級增益通常在20-40dB（10-100倍）v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景16共漏放大器（源極跟隨器）三、場效應(yīng)管放大器右圖共包括放大管（NMOS）和有源負(fù)載（NMOS電流鏡）有源負(fù)載：由兩個NMOS管Q2和Q3構(gòu)成，提供恒定的偏置電流，使Q1工作在飽和區(qū)放大管：輸入信號Vin加在柵極，輸出為輸入電壓和柵源電壓之差，Vout=Vin-Vgs1源極跟隨器小信號模型如右圖，其中對Vout寫節(jié)點方程，由于Vgs1=Vin-Vout，可得

其中，GS1=1/RS1因此可以計算出增益

該值約等于0.8~0.95源極跟隨器與小信號模型v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景17共柵放大器三、場效應(yīng)管放大器共柵放大器采用有源負(fù)載時，其結(jié)構(gòu)如下：放大管（NMOS）：源極輸入Vin，柵極接固定電壓Vbias，漏極輸出Vout有源負(fù)載（PMOS電流鏡）：由兩個PMOS管構(gòu)成，提供穩(wěn)定的偏置電流作為高阻負(fù)載共柵放大器與小信號模型小信號模型如右圖所示，輸入阻抗低頻下為ro1||1/gm1≈1/gm1在Vout處節(jié)點可得重新排列可計算增益為：

近似等于v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景18三種放大電路對比三、場效應(yīng)管放大器參數(shù)共源放大器CS共漏放大器CD共柵放大器CG輸入信號位置柵極柵極源極輸出信號位置漏極源極漏極柵極交流狀態(tài)輸入輸入接地電壓增益-gm（rDS1||rDS2）≈1gm（rDS1||rDS2）典型增益范圍30~60dB0.85~0.9520~50dB輸入阻抗極高（柵極絕緣）極高（柵極絕緣）1/gm1輸出阻抗高（rDS1||rDS2）低（1/gm||r0）高（rDS1||rDS2）主要應(yīng)用場景高增益放大緩沖、電平位移射頻、電流模式關(guān)鍵優(yōu)缺點高增益、低帶寬低輸出阻抗、增益≈1寬帶寬、輸入阻抗低需要高增益，選擇共源放大器（注意帶寬限制）需要阻抗匹配/緩沖，選擇共漏放大器（如驅(qū)動低阻負(fù)載）需要寬帶寬/低輸入阻抗，選擇共柵放大器（如射頻前端）目錄123章節(jié)介紹放大器基礎(chǔ)場效應(yīng)管放大器4雙極晶體管放大器v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景20晶體管電流關(guān)系四、雙極晶體管放大器共射極直流放大倍數(shù)共基極直流放大倍數(shù)電流之間關(guān)系如下：晶體管放大條件：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)摻雜濃度，且基區(qū)很薄外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏iC=f(vCE)

iB=const截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏，iC接近0飽和區(qū)：iC受vCE控制，一般vCE<0.7VVBEVBC0放大模式：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏飽和模式：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏截止模式：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏反向放大模式：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景21特性曲線與靜態(tài)工作點四、雙極晶體管放大器晶體管電流方程當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓uBEon時，晶體管導(dǎo)通，即處于放大或者飽和狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下，uBE≈uBEon，轉(zhuǎn)移特性曲線類似于PN結(jié)二極管輸入特性曲線為iB和uBE關(guān)系，由于iB=iC/β，所以輸入特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線類似右圖為共射極放大電路及直流通路，基極輸入vS，集電極輸出vCEv西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景22圖解法四、雙極晶體管放大器將

曲線和輸出曲線iC-vCE相交可以得到Q點，分別為ICQ、VCEQ、IBQ根據(jù)輸入信號vS的波形，可以畫出vBE和iB的波形v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景23圖解法四、雙極晶體管放大器同理，根據(jù)iB變化，可以畫出vBE和iC波形同理，靜態(tài)工作點太高會出現(xiàn)飽和失真，太低會出現(xiàn)截止失真飽和失真截止失真v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景24小信號模型四、雙極晶體管放大器輸入信號源ube的變化，引起ib的變化，體現(xiàn)為輸入電阻：由于

因此，由于

，因此可以計算re為輸出端，表現(xiàn)為受ib控制的電流源iC和輸出電阻rce并聯(lián)，其中UA：厄利電壓v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景25小信號模型分析四、雙極晶體管放大器放大器分析遵循線性疊加原則，分別分析直流和交流通路：分析直流通路：直流工作點Q主要參數(shù)IBQ、ICQ、UCEQ分析交流通路：計算交流指標(biāo)Au、Ri、Ro分析直流通路時，交流信號短路，電容斷路，RE用于負(fù)反饋抑制溫漂溫度升高，IC升高，IE增大，發(fā)射極電位增加，UBE減小，IB減小，IC減小戴維南等效：電壓源短路v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景26交流特性分析四、雙極晶體管放大器交流小信號時，直流電源接地，電容短路，BJT變成be端電阻rbe，ce端受控電流源βIb和rce串聯(lián)電壓放大倍數(shù)：輸入電阻：輸出電阻：v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景27共集電極放大電路四、雙極晶體管放大器共集電極放大器（射級跟隨器），遵循線性疊加原則，分別分析直流和交流通路：直流通路：交流信號源短路，電容斷開直流通路交流通路交流通路：直流源接地，電容短路，BJT變成be端電阻rbe，ce端受控電流源βib，rce電阻過大被忽略掉v西工大微電子學(xué)院School

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Microelectronics一、技術(shù)背景28動態(tài)分析四、雙極晶體管放大器電壓增益