模拟电子地电路第4章

1、 第四章第四章 MOSMOS模拟集成电路的基本单元电路模拟集成电路的基本单元电路 MOS场效应管的特点场效应管的特点 MOS场效应管的模场效应管的模型型 MOS管有源负载管有源负载 MOS场效应管的三种基本放大电路场效应管的三种基本放大电路 MOS管电流源管电流源 MOS管单级放大电路管单级放大电路 MOS管差分放大电路管差分放大电路 MOS管功率输出单元电路管功率输出单元电路 MOS管开关电容电路管开关电容电路 第一节第一节 MOSMOS场效应管的特点场效应管的特点（1）MOS场效应管是一种电压控制器件；场效应管是一种电压控制器件；iD受受uGS的控制。的控制。（2）MOS场效应管是单极型器

2、件，温度稳定性好，抗辐射能场效应管是单极型器件，温度稳定性好，抗辐射能力强。力强。（3）输入电阻极高，一般高达输入电阻极高，一般高达109 1012 。（4）MOS场效应管所占芯片面积小、功耗很小，且制造工艺场效应管所占芯片面积小、功耗很小，且制造工艺简单，因此便于集成。简单，因此便于集成。（5）因）因MOS场效应管既有场效应管既有N沟道和沟道和P沟道器件之分，又有增强沟道器件之分，又有增强型和耗尽型之别，它们对偏压极性有不同要求。型和耗尽型之别，它们对偏压极性有不同要求。（6）MOS场效应管跨导场效应管跨导gm较低（约为双极型晶体管的较低（约为双极型晶体管的1/40），），所以为了提高增益，

3、减小芯片面积，常采用有源负载。所以为了提高增益，减小芯片面积，常采用有源负载。（7）MOS场效应管存在背栅效应（也称衬调效应），为了减小场效应管存在背栅效应（也称衬调效应），为了减小栅源电压对漏极电流的影响，要保证衬底与沟道间的栅源电压对漏极电流的影响，要保证衬底与沟道间的PN结始终处结始终处于反偏。于反偏。（8） MOS场效应管的不足之处场效应管的不足之处除了跨导除了跨导gm较低以外，还有其较低以外，还有其工艺一致性较差、输入失调电压大、工作频率偏低，低频噪声较工艺一致性较差、输入失调电压大、工作频率偏低，低频噪声较大等。大等。MOSMOS场效应管的特点场效应管的特点 第二节第二节 MOSM

4、OS场效应管的模型场效应管的模型1.1.简化的低频交流小信号模型简化的低频交流小信号模型简化的低频小信号模型简化的低频小信号模型 Id G D gmUgs S UdS + + rds Ugs ),(dsgsduufi 求全微分得求全微分得dsdsdgsgsddduuiduuidi正弦信号下正弦信号下dsdsgsmdUrUgI1 考虑到考虑到MOS管的输入电阻极高，管的输入电阻极高，(RGS可认为无穷大）。可认为无穷大）。若源、衬极相连，若源、衬极相连，uBS=0,则则可得简化的低频小信号模型可得简化的低频小信号模型如图。如图。UgsUdsId+- 第二节第二节 MOSMOS场效应管的模型场效应

5、管的模型2.2.高频交流小信号模型高频交流小信号模型MOS管完整的交流小信号模型如图。管完整的交流小信号模型如图。 G D B Ugs Cgs Cbs gmUgs Cgd gmbUbs Cbd Cgb S UbS + + rds 完整的交流小信号模型模型 G D S Ugs Cgs+ Cgb Cds= Cbd gmUgs Cgd UdS + + rds 如果如果MOS管的源极与衬底相连，管的源极与衬底相连，uBS=0,则它的高频小信号模型可以则它的高频小信号模型可以得到简化。得到简化。 简化高频小信号模型简化高频小信号模型 低频情况下，极间电容均可视低频情况下，极间电容均可视为开路，这样也可得

6、到简化低频小为开路，这样也可得到简化低频小信号模型。信号模型。 Id G D gmUgs S UdS + + rds Ugs 一、场效应管的直流偏置电路一、场效应管的直流偏置电路（一）（一）自偏压电路自偏压电路(1) UGS = 0时时, IS = IDRS两端电压为：两端电压为：US = IS RS(2) 由于由于 IG=0; UG =0: UGS = UG -IS RS = -IS RS = -ID RS 由此构成直流偏压，称为由此构成直流偏压，称为自偏压电路自偏压电路，这种偏压方式只适这种偏压方式只适 合耗尽型合耗尽型FET。基本型自给偏置电路基本型自给偏置电路第三节第三节 场效应管的基

7、本放大电路场效应管的基本放大电路场效应管式电压控制器件，需要合适的栅极电压。场效应管式电压控制器件，需要合适的栅极电压。上述电路中上述电路中RS起直流反馈作用起直流反馈作用，RS大，大，Q稳定；稳定； 但但RS大大Q点低。点低。问题：问题：Q点低不仅使点低不仅使A ，且由于接近夹断，非线性失真加大。，且由于接近夹断，非线性失真加大。由由R1 、 R2分压，给分压，给RG一个固定偏压。一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。很大以减小对输入电阻的影响。(1) 对于耗尽型对于耗尽型FET： UGS = UDDR2 /(R1 + R2) -ID RS 此时：此时： RS大大Q点不会低点不会低。

8、可以改进自偏置电路可以改进自偏置电路RS对对Q点的影响。点的影响。显然对于显然对于JFET,当当|US | |UG|时，放大器才具有正确的偏压。时，放大器才具有正确的偏压。分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路ID= IDSS1(UGS /UGS.off)2（二）（二）分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路(2)对增强型对增强型MOSFET:UGS = UDDR2 /(R1 + R2)RG很大以减小对输入电阻的很大以减小对输入电阻的影响。影响。改进后：（改进后：（如图）如图）UGS = UDDR2 /(R1 + R2) -ID RS对增强型对增强型MOSFET,须保证须保证 |UG | |US|时

9、，放大器才具有时，放大器才具有正确的偏压。正确的偏压。分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路由此构成直流偏压，称为由此构成直流偏压，称为分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路，这种偏压方这种偏压方 式即适合耗尽型式即适合耗尽型FET又适合增强型又适合增强型FET。改进前改进前：（自偏压电路）：（自偏压电路）UG=UDDR2/(R1+R2)UGS= UGUS= UGIDRS ID= IDSS1(UGS /UGS.off)2 UDS= UDDID(Rd+RS) 共源基本放大共源基本放大 电路直流通路电路直流通路根据图可写出下列方程：根据图可写出下列方程：由上式可以解出由上式可以解出UGSQ、IDQ 和

10、和UDSQ。二、三种基本放大电路二、三种基本放大电路（一）共源基本放大电路（一）共源基本放大电路(1)(1)直流分析直流分析电压增益为电压增益为1. 未接未接CS时时:等效电路如图等效电路如图:一般一般 rds RD RL RS;rds可忽略。可忽略。;1smLmsgsmgsLgsmioURgRgRUgURUgUUA（一）（一） 共源基本放大电路共源基本放大电路二、三种基本放大电路二、三种基本放大电路rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRiRo+-RL=RD/RL一般负载比一般负载比rds小很多，故此时可认为小很多，故此时可认为rds开路。开路。放大电路的输入电阻为放大电路的

11、输入电阻为放大电路的输出电阻为放大电路的输出电阻为Ri=RG+(R1/ R2) RGRo RD2 . 接入接入CS时时:AU - gm RLRi=RG+(R1/ R2) RGRo =RD / rds RDrdsRDRLR2R1RGgmUgsUgsUiUoRiRo+-rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRiRo+-共漏放大电路共漏放大电路电压增益为电压增益为1LgsmgsLgsmioURUgURUgUUA（二）（二） 共漏基本放大电路共漏基本放大电路Ri= RG输入电阻为输入电阻为式中式中:RL=rds/Rs / RL Rs / RL T RG Rs RL C1 C2 Ui U

12、o UDD + + RG rds RL Ui Uo + + gmUgs Rs Ugs + Ri Ro 交流等效电路交流等效电路求输出电阻求输出电阻1.求输出电阻的等效电路如图所示求输出电阻的等效电路如图所示2.求输出电阻求输出电阻:Ugs= - UotIot= Uot /Rs- gm Ugs = Uot (1/ Rs + gm)根据输出电阻的定义：根据输出电阻的定义：Ro = Uot / Iot =1 / (1/ Rs + gm)= Rs / （1/ gm ）与射极跟随器类似与射极跟随器类似输出阻抗低输出阻抗低电压增益近似为电压增益近似为1（二）（二） 共漏基本放大电路共漏基本放大电路 Uot

13、 + gmUgs Rs Ugs + Ro Iot （三）（三） 共栅基本放大电路共栅基本放大电路与共基放大器类似与共基放大器类似输入阻抗低输入阻抗低输出阻抗高输出阻抗高电压增益高电压增益高共栅放大器共栅放大器典型电路典型电路所以，电压增益为所以，电压增益为:idsmiUrgU 式中式中:RL=RD / RL共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路:LmULdsRgARr则时当由电路方程：由电路方程：oLdURI)1 (LdsLdsmioURrRrgUUA T US + Rs R1 RD RL C2 C1 Uo + UDD US + Rs R1 rds RL Uo + -gmUgs= gmUi )

14、(LdsdRrI输入电阻为输入电阻为:Ri= Ui / Id 1/ gm当当rds RL , gm rds 1时：时：所以：所以：Ri R1 /（1/ gm）输出电阻为输出电阻为:Ro rds/RD RD由) (LdsdidsmiRrIUrgURoMOSMOS管三种组态基本放大电路的基本特性管三种组态基本放大电路的基本特性ioUUUA)/(LdsDLLmRrRRRg)/(1LdssLLmLmRrRRRgRg)/(/ 1)/1(LdsDLdsLLdsmRrRRrRRrgmg/1dsDrR/dssmrRg/1dsDrR/电路组态共源（CS）共漏(CD)共栅(CG)电压增益输入电阻Ri很高很高输出电

15、阻Ro基本特点电压增益高,输入输出电压反相,输入电阻高,输出电阻主要取决于RD。电压增益小于1,但接近于1,输入输出电压同相,输入电阻高,输出电阻低。电压增益高,输入输出电压同相,输入电阻低,输出电阻主要取决于RD。性能特点（一）增强型（单管）有源负载（一）增强型（单管）有源负载将将D、G短接（短接（N沟道），电路如图：沟道），电路如图：R0R000000UgUgUgUIUdSbSmbGSmRmmbmdSmbmgggggg1111显然：适当减小显然：适当减小gm(或或 ) 可提高可提高R0 。第四节 MOS管恒流源负载 D UDD G S B gds gmUGS gmbUBS D G S B

16、Uo + Io gmb 背栅跨导（二）耗尽型（二）耗尽型 （单管）有源负载（单管）有源负载将将G、S短接（短接（n沟道），电路如图沟道），电路如图:R0R000000UgUgUIUdSbSmbRmbdSmbggg11显然，与增强型显然，与增强型MOS有源负载有源负载 相比，它具有更高的相比，它具有更高的R0。G,S间间电压为电压为 0此时此时G,S间间没有电流源没有电流源 gds gmbUbs D G S B Uo + Io 第五节 MOS管电流源一、一、MOS 电流源电流源（一）（一） MOS镜像电流源（电路如图）镜像电流源（电路如图）T1、T2均工作在恒流区均工作在恒流区22,22222t

17、hGSGSLWCDUUIoxn21,12111thGSGSLWCDUUIoxn T1 T2 IG UDD Io IR 因为因为UGS1=UGS2, UGS,th1=UGS,th2, IG=0所以所以2211021LWLWRDDIIII 若若T1、T2结构对称：则沟道的宽长比结构对称：则沟道的宽长比=1，得，得Io=IR ，成镜像关系。，成镜像关系。（二）具有多路输出的几何比例电流源（二）具有多路输出的几何比例电流源若若T1、T2结构不对称：结构不对称：则则I02与与IR成比例，比例系数成比例，比例系数为沟道的宽长比之比。为沟道的宽长比之比。设设TR、T2、T3管的沟道宽长管的沟道宽长 比分别为

18、比分别为STR、ST1、ST2，则有则有:RSSIITRT101RSSIITRT202由由MOS镜像电流源工作原理可知镜像电流源工作原理可知: TR T1 T2 IR Io1 Io2 同时也有同时也有010212IITTSS第六节 MOSMOS单级放大电路单级放大电路有源负载的共源有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：放大器常见的电路形式有：1. E/E型型NMOS放大器放大器：放大管和负载管均为放大管和负载管均为N沟道增强型沟道增强型 （E型）的共源放大器。型）的共源放大器。2. E/D型型NMOS放大器放大器：放大管用增强型（放大管用增强型（E型）型） ，负载管，负载管 用耗尽型（用

19、耗尽型（D型），两管均为型），两管均为N沟的共源放大器。沟的共源放大器。3. CMOS有源负载放大器：有源负载放大器：是由增强型是由增强型NMOS管（放大），管（放大）， 和增强型和增强型PMOS （有源负载）组成的放大器。（有源负载）组成的放大器。4. CMOS互补放大电路互补放大电路：采用极性不同（采用极性不同（P、N沟道）的两沟道）的两 只只MOS管构成互补电路。管构成互补电路。（一）（一）E/E型型NMOS单级放大电路单级放大电路E/E型型NMOS放大电路实质放大管和有源负放大电路实质放大管和有源负 载管均采用增强型载管均采用增强型MOS管（称为管（称为E管），其管），其 中，中，VT

20、1为放大管，为放大管，VT2为负载管。为负载管。（RO2=1/(gm2+gmb2)为为T2管的等效电阻管的等效电阻）。）。电压增益电压增益:21221121mmmbmmgggggOmUERgA21211TTSS此时衬底接地此时衬底接地不考虑衬底效应不考虑衬底效应 T1 T2 Ui Uo UDD rds1 RO2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Ui + + + Ro 特点：特点：1. 由于由于ST1、ST2受工艺限制不能随意增加，受工艺限制不能随意增加，AUE只能达到只能达到 5-10倍（较小）。倍（较小）。2. 输入电阻决定于输入电阻决定于VT1管的栅绝缘电阻，阻值很高，一管的栅绝缘电阻，阻

21、值很高，一 般可达般可达1010 。输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds/RO22211mg2121211TTTTSSSSUEA rds1 Ro2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Uo + + + Ro （二）（二）E/D型型NMOS单级放大电路单级放大电路 E/D型型NMOS放大电路是指放大管放大电路是指放大管 采用增强型采用增强型MOS管，有源负载采管，有源负载采 用耗尽型用耗尽型MOS管（称为管（称为D管），其管），其 中，中，VT1为放大管，为放大管，VT2为负载管。为负载管。（RO2=1/gmb2为为T2管的等效电阻）管的等效电阻）电压增益电压增益:21

22、222121121TTmmmbmSSggggOmUDRgA T1 Ui Uo UDD T2 rds1 Ro2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Ui + + + Ro 输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds/Ro2特点：特点：1.增益高，增益高，因因 2为为0.1左右，故左右，故AUD比比AUE高一个数量级。（常用）高一个数量级。（常用）222111mbmbdsdsgggg2. 输入电阻为输入电阻为T1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010 。3. 输出电阻比输出电阻比E/E型放大器高。型放大器高。21212UESSUDAATT2211m

23、goR rds1 Ro2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Ui + + + Ro （三）CMOS有源负载放大电路有源负载放大电路电路如图电路如图 : (B、S短接即短接即UBS=0;UGS=0)等效电路如图等效电路如图 : (T2管的等效负载管的等效负载Ro2=rds2)电压增益：电压增益： AU=-gm1(rds1/rds2) T1 Ui Uo UDD T2 -USS UG rds1 rds2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Ui + + + Ro 211dsdsmggg优点：优点： 1. 电压增益高电压增益高，g ds比比gm或或gmb小小12个数量级，故在个数量级，故在 同样工作电同样工

24、作电 流条件下，流条件下，AU远高于远高于AUE、AUD -几百倍乃至上千倍几百倍乃至上千倍。2.功耗小功耗小，在恒流区，在恒流区:输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：缺点：缺点： 输出电阻比输出电阻比E/E型和型和E/D型高，负载能力较型高，负载能力较E/E型和型和E/D型差。型差。 rds1 rds2 gm1Ugs1 Ugs1 Uo Ui + + + Ro 21211/dsdsdsdsoggrrRDDDDdsdsmUIkIIkIgggA1442121211可见，可见，在恒流区，在恒流区，ID越小，越小，AU越高越高。所以，。所以，CMOS放大器可在放大器可在较低的电流下工

25、作，有利于降低功耗。较低的电流下工作，有利于降低功耗。（四）CMOS互补放大电路互补放大电路电压增益：电压增益：输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：增益高增益高 ，是，是CMOS有源负载放大器的有源负载放大器的2倍。倍。 缺点：缺点：级联时电平匹配困难，因此一般作输出级。级联时电平匹配困难，因此一般作输出级。特点：特点： T1 Ui Uo UDD T1 -USS Id1 Id2 Io rds1 rds2 gm1Ugs1 Ugs1= Ugs2 Uo Ui + + + Ro gm2Ugs2 G1、G2 D1、D2 S1、S2 21212122)/)(dsdsmmdsdsmmUgg

26、ggrrggA21211/dsdsdsdsoggrrR四种常用四种常用MOSMOS单级放大器性能比较单级放大器性能比较ioUUUA221)1 (mmgg22)1 (1mg2121mmgg21mbg211dsdsmggg211dsdsgg电路类型电路类型增益增益表达式表达式A AU U典典型值型值输出电阻输出电阻R Ro o表达式表达式E/EE/E型型NMOSNMOS放大电路放大电路30dBCMOSCMOS有源负载有源负载放大电路放大电路3060dBCMOSCMOS互补互补放大电路放大电路3166dB211dsdsgg2112dsdsmgggE/DE/D型型NMOSNMOS放大电路放大电路第七节

27、第七节 MOSMOS管差分放大电路管差分放大电路MOS管差分放大电路的基本形式：管差分放大电路的基本形式：1.E/E型型NMOS差放电路差放电路2.E/D型型NMOS差放电路差放电路3. CMOS差放电路差放电路 T3 T5 T1 T4 T2 Uo UDD -USS Ui1 Ui2 UG + T5 T1 T2 Uo UDD -USS Ui1 Ui2 UG + T3 T4 T5 T1 T2 Uo UDD -USS Ui1 Ui2 UG T4 T3 CMOS差放电路差放电路E/D型型NMOS差放电路差放电路E/E型型NMOS差放电路差放电路MOSMOS管差分放大电路的分析管差分放大电路的分析利用分

28、析双极型差分放大电路相类似的方法利用分析双极型差分放大电路相类似的方法半边电路法。半边电路法。以以E/D型型NMOS差放电路为例差放电路为例 T5 T1 T2 Uo UDD -USS Ui1 Ui2 UG + T3 T4 E/D型型NMOS差放电路差放电路双端输出差模电压增益：双端输出差模电压增益：33113313/11LWLWggUUAmmidodUd 单端输出差模电压增益：单端输出差模电压增益： 单端输出共模电压增益单端输出共模电压增益：3132121)(mmUdUdggAA单335533221)(mdsdsmUCggrgA单共摸抑制比共摸抑制比: :51)(dsmUCUdCMRggAAK

29、（单）单单 T1 T2 T3 Io T4 T5 -UCC UCC Ui Uo 第八节第八节 CMOSCMOS管功率放大电路管功率放大电路CMOS互补功率放大电路如图：互补功率放大电路如图：对比双极型甲乙类功放电路说明其对比双极型甲乙类功放电路说明其工作原理。工作原理。 T6 T5 T1 T2 T3 T4 Ui Uo UDD -USS UG T1、T2为互补源极跟随器；为互补源极跟随器；T3、T4的栅源电压的栅源电压UGS为为T1、T2提供直流偏压，使提供直流偏压，使T1、T2两管工两管工作在甲乙类状态；作在甲乙类状态；T5与与T6组成组成CMOS推动电路，推动电路，T5是放大管，是放大管，T6

30、是是T5的有源负载。的有源负载。 第九节第九节 MOSMOS模拟开关及开关电容电路模拟开关及开关电容电路在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，MOS管可做为：管可做为： 1.增益器件；增益器件； 2.有源负载；有源负载； 3.模拟开关模拟开关(接近于理想开关接近于理想开关)。做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性：做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性： 1.器件接通时器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。间不存在固有的直流漂移。 2.控制端控制端G与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路 之间无直流电流。之间无直流电流。从开关应用角度讲，从

31、开关应用角度讲，NMOS优于优于PMOS，所以通常选用，所以通常选用 NMOS管做模拟开关。管做模拟开关。一、单管一、单管 MOSMOS传输门模拟开关传输门模拟开关LW1.增强型单管增强型单管MOS模拟开关电路模拟开关电路UGUGS,th时管子导通（时管子导通（Ron 0）。）。 可近似等效为理想开关（如图）可近似等效为理想开关（如图）:(1)极间电容极间电容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在存在(2)Roff , Ron 0thGSGSLWoxnUUConR.1(2)UGS Ron ，但，但Cgs 、Cgd串扰串扰 ，所以应适当选择，所以应适当选择UGSRon ，但极间电容，但极间电容 ，所

32、以应适当选择，所以应适当选择结论结论: (1) RL UG Ui B + + Uo RL K Ui + + Uo 实际应用时，实际应用时，MOS管并非理想开关。管并非理想开关。 实际等效电路如图实际等效电路如图: S G Cdb Csb Ron Cgs Cgd D S B LW保证保证MOSMOS模拟开关正常工作的条件模拟开关正常工作的条件MOSMOS开关的正常工作受限于与开关连接的电容值，开关的正常工作受限于与开关连接的电容值， 时间常数是限制开关工作速度的重要因素。时间常数是限制开关工作速度的重要因素。保证开关工作的条件为：保证开关工作的条件为：开关工作频率开关工作频率 时钟控制频率时钟控

33、制频率二、开关电容电路（简称二、开关电容电路（简称SCSC电路）电路）开关电容电路的组成：开关电容电路的组成：由由MOS模拟开关和模拟开关和MOS电容组成。电容组成。开关电容电路的功能：开关电容电路的功能：当开关电容在集成电路中代替电阻时，又称为当开关电容在集成电路中代替电阻时，又称为SC等效电阻电路等效电阻电路。SC等效电阻电路，分为等效电阻电路，分为（1）并联型）并联型SC等效电阻电路等效电阻电路（2）串联型）串联型SC等效电阻电路等效电阻电路在时钟信号的控制下完成电荷的存储在时钟信号的控制下完成电荷的存储和转移。和转移。（一）并联型（一）并联型SC等效电阻电路等效电阻电路(2)工作原理工作原理当当UG为高电平时，为高电平时，T1导通导通、T2截止，截止， 电压电压U1向向C充电至充电至U1 ，Q1=CU1。当当UG为高电平时，为高