模拟电子地电路第4章-

第四章MOS模拟集成电路的基本单元电路

MOS场效应管的特点

MOS场效应管的模型

MOS管有源负载

MOS场效应管的三种基本放大电路

MOS管电流源

MOS管单级放大电路

MOS管差分放大电路

MOS管功率输出单元电路

MOS管开关电容电路

第一节MOS场效应管的特点（1）MOS场效应管是一种电压控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS场效应管是单极型器件，温度稳定性好，抗辐射能力强。（3）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，且制造工艺简单，因此便于集成。（5）因MOS场效应管既有N沟道和P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。（6）MOS场效应管跨导gm较低（约为双极型晶体管的1/40），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结始终处于反偏。（8）MOS场效应管的不足之处除了跨导gm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，低频噪声较大等。MOS场效应管的特点

第二节MOS场效应管的模型1.简化的低频交流小信号模型简化的低频小信号模型求全微分得正弦信号下考虑到MOS管的输入电阻极高，(RGS可认为无穷大）。若源、衬极相连，uBS=0,则可得简化的低频小信号模型如图。UgsUdsId++--

第二节MOS场效应管的模型2.高频交流小信号模型MOS管完整的交流小信号模型如图。如果MOS管的源极与衬底相连，uBS=0,则它的高频小信号模型可以得到简化。

简化高频小信号模型低频情况下，极间电容均可视为开路，这样也可得到简化低频小信号模型。一、场效应管的直流偏置电路（一）自偏压电路(1)UGS=

0时,IS=IDRS两端电压为：US=ISRS(2)由于IG=0;UG=0:

UGS=UG-ISRS=-ISRS=-IDRS由此构成直流偏压，称为自偏压电路，这种偏压方式只适合耗尽型FET。基本型自给偏置电路第三节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。上述电路中RS起直流反馈作用，RS大，Q稳定；但RS大Q点低。问题：Q点低不仅使A，且由于接近夹断，非线性失真加大。由R1、R2分压，给RG一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。(1)对于耗尽型FET：

UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS此时：RS大Q点不会低。可以改进自偏置电路RS对Q点的影响。显然对于JFET,当|US|>|UG|时，放大器才具有正确的偏压。分压器式自偏压电路ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2（二）分压器式自偏压电路(2)对增强型MOSFET:UGS=UDDR2/(R1+

R2)RG很大以减小对输入电阻的影响。改进后：（如图）UGS=UDDR2/(R1+

R2)-IDRS对增强型MOSFET,须保证|UG|>|US|时，放大器才具有正确的偏压。分压器式自偏压电路由此构成直流偏压，称为分压器式自偏压电路，这种偏压方式即适合耗尽型FET又适合增强型FET。改进前：（自偏压电路）UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UG－US=UG－IDRS

ID=IDSS[1－(UGS/UGS.off)]2UDS=UDD－ID(Rd+RS)共源基本放大电路直流通路根据图可写出下列方程：由上式可以解出UGSQ、IDQ

和UDSQ。二、三种基本放大电路（一）共源基本放大电路(1)直流分析电压增益为1.未接CS时:等效电路如图:一般

rds

>>

RDRL>>RS;rds可忽略。（一）共源基本放大电路二、三种基本放大电路rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---RL’=RD//RL一般负载比rds小很多，故此时可认为rds开路。放大电路的输入电阻为放大电路的输出电阻为Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’RD2.接入CS时:AU

-gmRL’Ri’=RG+(R1//R2)RGRo’=RD//rds

RDrdsRDRLR2R1RGgmUgsUgsUiUoRi’Ro’+++---rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRi’Ro’+++---共漏放大电路电压增益为（二）共漏基本放大电路Ri’=

RG输入电阻为式中:RL’=rds//Rs

//RLRs//RL交流等效电路求输出电阻1.求输出电阻的等效电路如图所示2.求输出电阻:Ugs=-UotIot=Uot

/Rs-gm

Ugs

=Uot

(1/Rs+gm)根据输出电阻的定义：Ro'

=Uot

/Iot

=1/

(1/Rs+gm)=Rs//

（1/

gm）与射极跟随器类似输出阻抗低电压增益近似为1（二）共漏基本放大电路（三）共栅基本放大电路与共基放大器类似输入阻抗低输出阻抗高电压增益高共栅放大器典型电路所以，电压增益为:式中:RL’=RD//RL共栅放大器等效电路由电路方程：输入电阻为:Ri=

Ui

/Id1/gm当rds

>>RL’,gm

rds

>>1时：所以：Ri’R1//（1/gm）输出电阻为:Ro’rds//RDRD由Ro’MOS管三种组态基本放大电路的基本特性电路组态共源（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）有源负载将D、G短接（N沟道），电路如图：R0R0显然：适当减小gm(或)

可提高R0。第四节MOS管恒流源负载gmb

背栅跨导（二）耗尽型（单管）有源负载将G、S短接（n沟道），电路如图:R0R0显然，与增强型MOS有源负载相比，它具有更高的R0。G,S间电压为0此时G,S间没有电流源第五节MOS管电流源一、MOS电流源（一）MOS镜像电流源（电路如图）T1、T2均工作在恒流区因为UGS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0所以2211021LWLWRDDIIII==若T1、T2结构对称：则沟道的宽长比=1，得Io=IR，成镜像关系。（二）具有多路输出的几何比例电流源若T1、T2结构不对称：则I02与IR成比例，比例系数为沟道的宽长比之比。设TR、T2、T3管的沟道宽长比分别为STR、ST1、ST2，则有:由MOS镜像电流源工作原理可知:同时也有第六节MOS单级放大电路有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：1.E/E型NMOS放大器：放大管和负载管均为N沟道增强型（E型）的共源放大器。2.

E/D型NMOS放大器：放大管用增强型（E型），负载管用耗尽型（D型），两管均为N沟的共源放大器。3.CMOS有源负载放大器：是由增强型NMOS管（放大），和增强型PMOS（有源负载）组成的放大器。4.

CMOS互补放大电路：采用极性不同（P、N沟道）的两只MOS管构成互补电路。（一）E/E型NMOS单级放大电路E/E型NMOS放大电路实质放大管和有源负载管均采用增强型MOS管（称为E管），其中，VT1为放大管，VT2为负载管。（RO2=1/(gm2+gmb2)为T2管的等效电阻）。电压增益:此时衬底接地不考虑衬底效应特点：1.由于ST1、ST2受工艺限制不能随意增加，AUE只能达到

5-10倍（较小）。2.输入电阻决定于VT1管的栅绝缘电阻，阻值很高，一般可达1010。输入电阻：Ri>1010

输出电阻：Ro=rds//RO2（二）E/D型NMOS单级放大电路

E/D型NMOS放大电路是指放大管采用增强型MOS管，有源负载采用耗尽型MOS管（称为D管），其中，VT1为放大管，VT2为负载管。（RO2=1/gmb2为T2管的等效电阻）电压增益:输入电阻：Ri>1010输出电阻：Ro=rds//Ro2特点：1.增益高，因2为0.1左右，故AUD比AUE高一个数量级。（常用）2.输入电阻为T1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010。3.输出电阻比E/E型放大器高。E/E型（三）CMOS有源负载放大电路电路如图:(B、S短接即UBS=0;UGS=0)等效电路如图:(T2管的等效负载Ro2=rds2)电压增益：

AU=-gm1(rds1//rds2)优点：

1.电压增益高，gds比gm或gmb小1~2个数量级，故在同样工作电流条件下，AU远高于AUE、AUD--几百倍乃至上千倍。2.功耗小，在恒流区:输入电阻：Ri>1010输出电阻：缺点：输出电阻比E/E型和E/D型高，负载能力较E/E型和E/D型差。可见，在恒流区，ID越小，AU越高。所以，CMOS放大器可在较低的电流下工作，有利于降低功耗。（四）CMOS互补放大电路电压增益：输入电阻：Ri>1010

输出电阻：增益高，是CMOS有源负载放大器的2倍。

缺点：级联时电平匹配困难，因此一般作输出级。特点：四种常用MOS单级放大器性能比较电路类型增益表达式AU典型值输出电阻Ro表达式E/E型NMOS放大电路<20dB>30dBCMOS有源负载放大电路30～60dBCMOS互补放大电路31～66dBE/D型NMOS放大电路第七节MOS管差分放大电路MOS管差分放大电路的基本形式：1.E/E型NMOS差放电路2.E/D型NMOS差放电路3.CMOS差放电路CMOS差放电路E/D型NMOS差放电路E/E型NMOS差放电路MOS管差分放大电路的分析利用分析双极型差分放大电路相类似的方法－半边电路法。以E/D型NMOS差放电路为例E/D型NMOS差放电路双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：共摸抑制比:第八节CMOS管功率放大电路CMOS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工作原理。T1、T2为互补源极跟随器；T3、T4的栅源电压UGS为T1、T2提供直流偏压，使T1、T2两管工作在甲乙类状态；T5与T6组成CMOS推动电路，T5是放大管，T6是T5的有源负载。

第九节MOS模拟开关及开关电容电路在模拟集成电路中，MOS管可做为：

1.增益器件；

2.有源负载；

3.模拟开关(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：

1.器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。

2.控制端G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。从开关应用角度讲，NMOS优于PMOS，所以通常选用

NMOS管做模拟开关。一、单管MOS传输门模拟开关1.增强型单管MOS模拟开关电路UG<UGS,th时管子截止（Roff

）。UG>UGS,th时管子导通（Ron0）。

可近似等效为理想开关（如图）:(1)极间电容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在(2)Roff

,Ron0(2)UGSRon，但Cgs

、Cgd串扰，所以应适当选择UGSRon，但极间电容，所以应适当选择结论:(1)实际应用时，MOS管并非理想开关。实际等效电路如图:保证MOS模拟开关正常工作的条件MOS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。保证开关工作的条件为：开关工作频率>时钟控制频率二、开关电容电路（简称SC电路）开关电容电路的组成：由MOS模拟开关和MOS电容组成。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SC等效电阻电路。SC等效电阻电路，分为{（1）并联型SC等效电阻电路（2）串联型SC等效电阻电路在时钟信号的控制下完成电荷的存储和转移。（一）并联型SC等效电阻电路(2)工作原理当UG为高电平时，T1导通、T2截止，

电压U1向C充电至U1

，Q1=CU1。当UG为高电平时，T1截止、T2导通，

C通过输出端负载放电形成电压U2，

Q2