模擬集成電路實踐記錄_三種MOS單管放大器

實驗二，三種MOS單管放大器

2.1 實驗背景

三種電路電阻負載下的信號增益（\(A_v\)），輸入阻抗（\(R_{i}\)），輸出阻抗（\(R_o\)），假定\(r_o >> R_D\)，\(g_{mb}=0\)

	信號增益\(A_v\)	輸入電阻\(R_{i}\)	輸出電阻\(R_o\)
共源極	\(-g_mR_D\)	\(\approx \infin\)	\(R_D\)
共柵極	\(g_mR_D\)	\(1/g_m\)	\(R_D\)
共漏極	\(\frac{g_mR_S}{g_mR_S+1}\)	\(\approx \infin\)	\(R_s//\frac{1}{g_m}\)

2.2 實驗內容

1. 根據單個MOS管的三種基本放大阻態（共源、共柵、共漏）（電流負載），完成電路設計
2. 計算MOS管三種基本組態放大電路的主要參數，包括電路的直流工作點、MOS管的寬長比、主要的電阻值等，使電路能夠正常穩定的工作。
3. 仿真電路的直流工作點，以及信號增益，與理論結果比較。

2.3 實驗過程

1. 連接共源極放大器電路如下

2. 進行直流仿真，計算電路直流工作點，激勵，仿真條件設置如下

3. 選擇晶體管柵極，源極，漏極作為Output

4. 運行直流仿真，得到晶體管直流工作點參數

5. 設置瞬態仿真條件（激勵GND和VDD設置與直流仿真一致）

6. 選擇IN，OUT端口作為Output

7. 運行瞬態仿真，得到IN和OUT端口的信號波形

8. 連接共柵極放大器電路如下

9. 和共源極放大器電路采用類似的方法，設置激勵后進行直流工作點的仿真和信號放大的交流仿真

10. 連接共漏極放大器電路如下

11. 設置激勵后進行直流工作點的仿真和信號放大的交流仿真

2.4 實驗分析

本次實驗的三個單管放大器均使用NMOS，其工藝參數如下

	\(μC_{ox}(μA/V^2)\)	\(V_{TH}(mV)\)
NMOS	235	410

為了簡化計算，我們忽略溝道調制效應，假定漏源電流計算公式為

\[I_{DS}=\frac{1}{2}μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2 \]

則跨導\(g_m\)可以通過計算得到

\[g_m=\frac{\partial I_{DS}}{\partial V_{DS}} = μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH}) \]

對於本次實驗涉及的所有放大器，其設計分析過程如下。第一步根據需要的指標要求估算參數，第二步進行直流仿真，根據仿真結果修改參數，直到符合要求，第三步進行交流仿真，根據仿真結果修改參數，直到符合要求。需要首先進行直流工作點的仿真的原因是，為了保證放大器能夠正常工作，NMOS需要工作在飽和區下，即需要滿足\(V_{GS}>V_{TH}\)以及\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)。

這里以共源極放大器的分析為例，詳細描述分析與設計的過程：

1. 估算參數

假定目標增益\(|A_v|>1\)，共源極放大器的放大倍數為\(A_v = -g_mR_D\)，因此需要確定的參數為\(\frac{W}{L}\)，\(V_{GS}\)和\(R_D\)，\(V_{GS}\)需要大於\(V_{TH}\)，因此必須大於\(410mV\)，但同時由於飽和區要求\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{GS}\)不能選取過大，因為\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\) ，而\(I_{DS}\)也收到\(V_{GS}\)的控制，如果\(V_{GS}\)過大必定會導致NMOS管無法工作在飽和區，這里先選定\(V_{GS}=1\)。進一步選定\(\frac{W}{L}=\frac{220}{180}\)的情況下，可以計算出\(I_{DS}=50μA\)，\(g_m=169.5μS\)。在\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\)，\(A_v = -g_mR_D\)，\(|A_v|>1\)的約束下，選定\(R_D=10kΩ\)。

估算參數列表如下：

晶體管寬長比（\(\frac{W}{L}\)）	晶體管柵源電壓（\(V_{GS}\)）	負載電阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(1V\)	\(10kΩ\)

根據以上參數計算得到直流工作點：

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(50μA\)	\(1.3V\)

根據以上參數計算得到交流放大參數：

信號增益\(A_v\)

\(-1.695\)

2. 進行直流仿真

將估算結果與直流仿真結果比較，與估算的結果基本一致，可以確定晶體管工作在飽和區：

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(53.6μA\)	\(1.26V\)

3. 進行交流仿真

進一步進行交流仿真，可以很明顯的看出共源極放大器的反相放大特性，使用放大后的信號峰峰值和輸入信號峰峰值之比得到增益：

信號增益\(A_v\)

\(\approx -1.5\)

實際仿真得到的交流信號增益略小於估算結果，這是因為\(A_v=-g_mR_D\)實際上是忽略了晶體管\(r_o\)的影響，假定\(r_o >> R_D\)而得到的。如果使用\(r_o\approx\frac{1}{\lambda I_{DS}}\)，\(A_v=-g_m(R_D//r_o)\)重新進行計算，可以得到：

晶體管輸出電阻（\(r_o\)）	信號增益\(A_v\)
\(148kΩ\)	\(-1.58\)

使用相似的方法對共柵極和共漏極電路進行分析和設計：

共柵極放大電路設計參數：

晶體管寬長比（\(\frac{W}{L}\)）	晶體管柵源電壓（\(V_{GS}\)）	負載電阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(0.8V\)	\(10kΩ\)

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(21.8μA\)	\(0.582V\)

信號增益\(A_v\)

\(1.12\)

共柵極放大電路仿真結果：

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(24.2μA\)	\(0.558V\)

信號增益\(A_v\)

\(1.04\)

共漏極放大電路設計參數：

晶體管寬長比（\(\frac{W}{L}\)）	晶體管柵源電壓（\(V_{GS}\)）	負載電阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(1V\)	\(10kΩ\)

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(50μA\)	\(1.3V\)

信號增益\(A_v\)

\(0.63\)

共漏極放大電路仿真結果：

源漏電流（\(I_{DS}\)）	源漏電壓（\(V_{DS}\)）
\(51.5μA\)	\(1.285V\)

信號增益\(A_v\)

\(0.58\)

從實驗中可以總結出三個單管放大器各自的特性：

共源極放大器：反相放大器，輸入電阻大，適合作為電壓放大器的輸入級

共柵極放大器：同相放大器，輸入電阻小，可用作電流放大，可以與共源極放大器組合形成共源共柵放大器結構（Cascode），進一步擴大增益

共漏極放大器：同相放大器，增益小於1，滿足\(g_m>>\frac{1}{R_S}\)時趨近於1，由於輸出電阻小適合作為電壓放大器的輸出級，起跟隨器作用

更復雜的放大器的本質上也是由單管組成的，掌握單管的性質有助於設計后續的復雜放大器電路。此外，讀者可以自行調整參數，實現更大增益倍數的單管放大器，以及通過輸入端/輸出端斷路的方式，進行電路輸入輸出電阻和理論值的比較驗證。