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Basic FET Amplifier (1/2)

Basic FET Amplifier (1/2). Preview The MOSFET Amplifier Basic Transistor Amplifier Configurations The Common-Source Amplifier The Source-Follower Amplifier The Common-Gate Configuration. Basic FET Amplifier (2/2). The Three Basic Amplifier Configuration: Summary and Comparison

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Basic FET Amplifier (1/2)

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Presentation Transcript

  1. Basic FET Amplifier (1/2) • Preview • The MOSFET Amplifier • Basic Transistor Amplifier Configurations • The Common-Source Amplifier • The Source-Follower Amplifier • The Common-Gate Configuration

  2. Basic FET Amplifier (2/2) • The Three Basic Amplifier Configuration: Summary and Comparison • Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier • Multistage Amplifiers • Basic JEFT Amplifiers

  3. Preview • 考慮線性放大器 • 雖MOSFET以數位應用為主 • 三種單級(單電晶體)FET放大器組態 • 共源極、源極隨耦器、共閘極 • MOSFET IC放大器一般使用MOSFET負載元件(增強型或空乏型)取代電阻 • IC中放大器常是串聯或串疊形成多級組態 • 增加整體電壓增益或提供特定電壓增益與輸出電阻之組合 • 簡短討論JFET

  4. The MOSFET Amplifier (1/8) • 前言 • 小訊號：可線性化ac等效電路 • 因而可使用重疊定理，所以可分開dc與ac分析 • 本節使用圖解技巧：dc負載線、ac負載線 • 發展線性電路的各種小訊號參數及相關的等效電路 • 四種等效電路中最常用的是轉導放大器 • 輸入電壓，輸出為電流

  5. The MOSFET Amplifier (2/8) • Graphical analysis, Load lines, and Small-signal parameters • 共源極及其特性曲線、負載線 • 負載線及Q點與vGS、VDD、RD及電晶體參數有關 • 為使輸出電壓為輸入之線性函數，電晶體需偏壓在飽和區 • 輸入弦波使vGS、iD及vDS改變 • vi往正(負)增加vGS增加(減小)，Q點沿負載線上(下)移較大(小)iD及較小(大)vDS • 一旦Q點建立則可發展vgs、id及vds的小訊號數學模型 • 為使FET當成線性放大器，電晶體需偏壓在飽和區，即瞬間iD及vDS需在飽和區

  6. The MOSFET Amplifier (3/8) • Transistor parameters • 第一項為直流(靜態)D極電流IDQ • 第二項為時變D極電流與訊號vgs線性相關 • 第三項與訊號平方正比為不需要之諧波(非線性)失真 • 為使這些諧波最小，需 ，則第三項遠小於第二項，此為滿足線性放大器之小訊號條件 • 小訊號則可忽略 ，因而具有線性，可分開dc及ac • 小訊號D極(輸出)電流與G-S(輸入)電壓關係為轉導gm，可視為電晶體之增益

  7. The MOSFET Amplifier (4/8) • 飽和區D極電流對G-S電壓的關係如圖 • 轉導即為斜率，當vgs夠小，gm為固定值 • Q在飽和區，電晶體為vgs線性控制之電流源 • Q點移至非飽和區時則不再是線性控制之電流源 • 轉導直接正比於導電參數Kn，所以為W/L之函數，即增加電晶體寬度則增加轉導或增益 • Example 6.1：求轉導 • 由公式先求Kngm • 轉導(即增益)比BJT來的小，但MOSFET有較高輸入阻抗、尺寸小及低功率消耗之優點 • AC equivalent circuit • 輸出電壓

  8. The MOSFET Amplifier (5/8) • 時變訊號之關係整理 • ac等效電路 • Small-signal equivalent circuit • 假設訊號頻率夠低使得閘極電容可忽略，則閘極為開路，再利用轉導可得小訊號等效電路 • 若偏壓在飽和區，考慮有限的輸出電阻 • 則iD對vDS之斜率非零，關係為 • 稱為通道常數調變參數是正值 • 小訊號輸出阻抗ro亦為Q點參數之函數

  9. The MOSFET Amplifier (6/8) • n通道之延伸小訊號等效電路 • 為轉導放大器 • 輸入為電壓、輸出為電流 • 將放大器等效電路放入電路中 • Example 6.2：電壓增益 • 求Q點(約略不考慮及驗證)小訊號參數(gm、ro) 逆推得Av • MOSFET之轉導小，所以增益小。增益為負 • 解題技巧：MOSFET AC分析 • 分析dc，將ac移去，線性放大需在飽和區 • 使用訊號模型畫出小訊號等效電路 • 分析ac，將dc移去

  10. The MOSFET Amplifier (7/8) • p通道電晶體：與n通道類似 • VDD接在S極，在MOSFET VDD表電源 • 極性與n通道不同，所以符號亦異 • ，增益亦為負 • 若將小訊號G-S極性反轉則電流亦反轉而得與n通道相同之小訊號等效電路 • 但本書保留與電晶體電壓電流之相同極性 • Modeling the body effect • 本體效應發生在S極未接至基板(本體) • NMOS之本體接至電路之最負電位為訊號接地

  11. dc ac The MOSFET Amplifier (8/8) • 簡化之I-V關係及其門檻電壓 • vSB0，等於0即無本體效應 • S-B若有ac成份則引發門檻電壓之ac成份而導致D極電流之ac成份，所以有B-G間之轉導 • 考慮本體效應後之小訊號等效電路 • 小訊號S-B間之極性 • vbs>0 vSB下降VTN下降iD增加即電流與電壓極性一致 • 本書一般忽略本體效應

  12. Basic Transistor Amplifier Configurations • MOSFET的三種組態相對於BJT的三種 • 共源極、共汲極(源極隨耦器)及共閘級 • 對應共射極、共集極(射極隨耦器)及共基級 • 輸入及輸出電阻特性對負載效應相當重要 • 三種組態的這些參數及增益將被探討 • 三種放大器的特性讓吾人了解，在何種情況下，何種放大器較有用 • 起初討論以離散設計為主，以了解MOSFET之設計及特性。後面才考慮積體電路設計，其中牽涉到全電晶體電路及定電流源

  13. The Common-Source Amplifier(1/4) • A basic common-source configuration • 假設飽和且訊號頻率夠高使耦合電容為短路 • 為了最大的輸出電壓擺幅及偏壓在飽和區 • Q點儘量近飽和區中間 • 輸入夠小使電晶體保持線性 • 輸入阻抗 及輸出阻抗 • 低頻時看入G之輸入電阻無限大，所以輸入電阻為偏壓電阻之函數 • 輸出阻抗由設定Vi(Vgs)=0求得(或直觀)

  14. The Common-Source Amplifier(2/4) • Example 6.3：增益及阻抗 • DC分析驗證等效電路、gm及ro輸入及輸出阻抗逆推得增益 • Q點在負載線中間，非在飽和區中間，未得最大擺幅 • Example 6.4：使Q點在飽和區中間 • IDQ過渡點電流VGStVDStVDSQ=(VDSt+VDD)/2RD；IDQVGSQ(Ri)R1R2；IDQ gm及roAv • 若電路含旁路或負載電容則ac負載線會疊在Q點上，此時Q點在飽和區中間並非可得最大對稱擺幅

  15. The Common-Source Amplifier(3/4) • Common-source amplifier with source resistor • 與BJT類似，RS可穩定Q點以對抗電晶體參數之變化，但也降低增益 • 如圖電路，一般本體會接至最低電壓-5 V而產生本體效應，但在此忽略 • Example 6.5：增益 • DC分析小訊號參數及模型逆推 • 因gm不大，所以上式之近似誤差大 • Kn改變20%，gm明顯改變，Av改變9.5%(不小了)

  16. The Common-Source Amplifier(4/4) • Common-source circuit with source bypass capacitor • 源極旁路電容可最小化電壓增益的損失且仍保持Q點的穩定 • 使用定電流源取代源極電阻可進一步穩定Q點 • 若訊號頻率夠高則旁路電容本質上為短路 • 源極保持在訊號接地 • Example 6.6：增益 • DC分析驗證小訊號參數模型 • 因有源極旁路電容，所以增益增加

  17. The Source-Follower Amplifier(1/3) • 共汲極又稱源極隨耦器 • 輸出在S，D接VDD為訊號接地 • Small-signal voltage gain • 小訊號等效電路(口訣：左進右出com在下) • Vin與Vgs的關係 • 明心見性求分壓Vgs：電流源開路，G-S有(虛)電阻1/gm，整理後Vgs分1份，Vo分gm(RS||ro)份，因從圖上亦可看出Vo= gm(RS||ro)Vgs • 電壓增益小於1，類似BJT射極隨耦器

  18. The Source-Follower Amplifier(2/3) • Example 6.7：增益 • DC分析小訊號參數模型Ri逆推Av • 增益為正且略小於1，所以稱為源極隨耦器 • 增益公式同BJT射極隨耦器，但BJT的轉導較MOSFET大，所以BJT較接近1 • 雖增益小於1，但因輸出阻抗比共源極小可當理想電壓源，在驅動負載電路時可免負載效應 • Example 6.8：設計p通道增強型 • 歐姆定律RS；AvgmKpW/L；繼續dc分析(電流公式)VSGQVG(Ri)R1R2 • 需大轉導則需大電晶體，若負載效應降低(即大Ri)，則gm可降低(見Av)，即可降低需求尺寸可降低

  19. The Source-Follower Amplifier(3/3) • Input and output impedance • 輸入阻抗同共源極 • 輸出阻抗 • KCL (因無輸入電流，所以輸入端無壓降則 )  • Vgs跨在gmVgs(即有此電流)，所以得有效電阻1/gm • 明心見性：電流源開路，S看到S對地電阻1/gm，所以輸出電阻為三個電阻並聯 • Example 6.9：輸出電阻 • 明心見性：眼觀鼻、鼻觀心、心觀一切 • 輸出電阻由轉導參數所主導

  20. The Common-Gate Configuration (1/2) • Small-signal voltage and current gains • 輸入在S，G為訊號接地 • 以定電流源偏壓，RG避免閘極靜電荷纍積，CG確保閘極在訊號接地 • 小訊號等效電路 • 口訣：左進右出com在下 • Vi與Vgs的關係 • 明心見性：電流源開路， S看到S對地電阻1/gm，再求分壓 • 增益為正，所以輸出輸入同相

  21. The Common-Gate Configuration (2/2) • 電流增益：輸入為諾頓等效電路(下圖) • Ii與Vgs的關係：由KCL • 明心見性：電流源開路， S看到S對地電阻1/gm，則 • 若RD>>RL及gmRSi>>1則電流增益為1，同BJT共基極電路 • Input and output impedance • 明心見性：Ri= 1/gm；Ro=RD • Example 6.10：輸入電流求輸出電壓 • gm逆推或順推

  22. The Three Basic Amp. Config.: Summary and Comparison • 因共源極及源極隨耦器之輸入為閘極 • 無電流流入，所以無電流增益 • 閘極看入電阻無限大，所以輸入電阻為RTH • 反之，共閘極之輸入電阻就僅幾百歐姆 • 源極隨耦器之輸出電阻僅幾百歐姆 • 但共源極及共閘極(輸出在汲極)則受RD主導 • 明心見性：電流源開路(用在Vgs不為0時) • S看入，S對地有電阻1/gm用在求電阻或分流 • G看入，G-S有一虛電阻1/gm僅用在求分壓 • Vgs分到1份，另一部分(其等效電阻R)分到gmR份 因S看入得 1/gm很小 因S看入得 1/gm很小

  23. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (1/7) • 上一章三種全MOSFET反相器 • 驅動器電晶體：n通道增強型元件 • 負載元件稱為主動負載： n通道增強型元件、 n通道空乏型元件、p通道增強型元件 • NMOS amplifier with enhancement load • NMOS增強型負載電晶體 • 使用增強型負載NMOS放大器

  24. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (2/7) • 負載線為負載元件i-v特性曲線之鏡像 • 仍為非線性。交電壓軸於VDD-VTNL，此點增強型負載無電流 • 電壓轉換特性 • 增強型驅動器剛導通時在飽和區 • 當放大器使用時，Q點需在此區 • 小訊號等效電路 • 負載電晶體 • D與G同點，S接MD之D • S看入之等效電阻為S-D間之ro，與取代電流源之S對地電阻1/gm並聯，所以ML由此兩電阻組成 • 電壓增益可直接看出 • 若1/gmL<<roL及1/gmD<<roD則近似得

  25. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (3/7) • Example 6.11：設計具某增益之電晶體，並使Q點在飽和區中間 • 由約略增益W/L比(已知(W/L)L) (W/L)DKnD及KnL • 過渡點時VDSDt=VGSDt-VTND，再利用飽和ID=ILVGSDtVDSDt，關閉時VDSDo=VDD-VTNLVDSDQ=(VDSDt+VGSDo)/2 • NMOS amplifier with depletion load • VTNL為負，則過渡點之vDS為正 • 因過渡點時vDS=vDS(sat)=vGS-VTNL=0-VTNL

  26. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (4/7) • NMOS空乏負載放大器 • 負載線為負載元件i-v特性曲線之鏡像 • 仍為非線性 • A為MD之過渡點，B為ML之過渡點，Q點近兩過渡點中間 • MD及ML皆需偏壓在飽和區即在第III區 • VGSDQ偏壓MD在飽和區之Q點，訊號vi重疊弦波的G-S電壓在dc上使偏壓點在Q點附近沿負載線移動 • 小訊號等效電路 • G-S短路即vGS=0所以相依電流為零即開路，所以S看入負載僅有ro • 與兩電晶體之輸出電阻成正比

  27. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (5/7) • Example 6.12：求增益 • 由已知參數小訊號參數(gmD、roD及roL)及模型逆推得Av • 增益明顯大於增強型負載 • 因少並聯一個1/gm之電阻，所以輸出電阻值較大 • 需兩電晶體偏壓在飽和區(第III區)，但因此區很陡(即兩過渡點很近)，所以適合用電流源偏壓 • NMOS amplifier with PMOS load • Common-source amplifier • CMOS放大器 • n通道增強型驅動器及p通道增強型主動負載 • p通道主動負載M2偏壓自M3及IBias(因G1同G2、S1同S2)

  28. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (6/7) • M2的i-v曲線(D未接G，不一定飽和) • 因M3之故，vSG2=VSG固定 • A為M1之過渡點，B為M2之過渡點，建立放大器的Q點近兩過渡點中間使M2及M3皆在飽和區 • 無本體效應 ： M1本體接地(最低電壓)同S極， M2之本體接至VDD(最高電壓) 亦同S極 • 小訊號電壓增益 • 電壓增益亦與兩電晶體之輸出電阻成正比 • 因受M3影響，vSG2=vSG1為固定(因iD3=Ibias為定值)，即vsg2=0，所以由M2之S看入之電阻僅rop • 除G-D相連的外，一般負載電晶體之電阻為ro

  29. Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (7/7) • Example 6.13 • 作法同example 6.12 • 增益與使用空乏型負載之NMOS同級，但CMOS無本體效應 • M1之Q點不易建立，需使用電流源偏壓 • 以後章節才介紹 • CMOS source-follower and common-gate amplifiers • CMOS source-follower(C可能來自電流源) • 主動負載為n通道元件而非p通道元件 • 輸入在M1之閘級，輸出在源極 • CMOS共閘級放大器：主動負載為p通道元件。輸入在M1之S級，輸出在D極 • 此兩種電路皆需考慮本體效應因M1之本體接至最負電壓與S極不同電位

  30. Multistage Amplifiers (1/4) • 前言 • 很多應用非單一個電晶體放大器可以達到特定放大因素、輸入電阻、輸出電阻之組合規格 • 例如：要求的電壓增益可能超出單一電晶體電路所能得到的 • 串接：可增加電壓增益或使輸出電阻很低但卻有大於1之電壓增益 • 整體電壓或電流增益一般非僅各別放大因素之乘積，即需考慮負載效應

  31. Multistage Amplifiers (2/4) • DC analysis • 共源極串接源極隨耦器 • 共源極提供小訊號電壓增益 • 源極隨耦器具有低輸出阻抗 • Example 6.14：設計使符合規格 • 已知電晶體參數、Q點、Ri及RSi(未用) • 歐姆定律RS2及VS2；假設M2飽和VGS2VD1=VG2VS1(歐姆定律)RD1及RS1；假設M1飽和VGS1VG1(配合Ri)R1及R2 • 兩電晶體皆需在飽和(在此未驗證)

  32. Multistage Amplifiers (3/4) • 串疊n通道MOSFET • M1共源極，M2共閘極 • 此電路具較高之頻率響應 • Example 6.15：設計使符合規格 • 已知電晶體參數、Q點、R1+R2+R3及RS • 兩電晶體相同且ID相同，假設飽和VGS • RSVS1VG1及VD1=VS2R3、VG2及VD2R2及RDR1 • VDS=2.5>VGS-VTN=0.71每個電晶體皆飽和 • Small-signal analysis • 假設所有外部電容為短路

  33. Multistage Amplifiers (4/4) • Example 6.16：求增益(先求兩轉導再逆推) • 源極隨耦器增益略小於1，所以整體增益源於共源極之輸入極 • 源極隨耦器輸出電阻小，在很多應用上是需要的 • Example 6.17：求增益 • M2當做一個電流隨耦器，將電流傳至它的D極 • 整體增益與單一級的共源極放大器一樣，共閘極之加入主要增加頻寬(下章討論)

  34. Basic JFET Amplifiers (1/3) • Small-signal equivalent circuit • 瞬間的G-S電壓 • 假設飽和 • 第一項為直流(靜態)D極電流IDQ • 第二項為時變D極電流與訊號vgs線性相關 • 第三項與訊號平方正比 • 同MOSFET在輸出電流產生非線性失真 • 為使失真最小，需加入 之條件，此為滿足JFET放大器為線性之小訊號條件 • 忽略 ，則 • 小訊號D極電流對G-S之電壓關係為轉導 • 不論n通道或p通道 • n通道VP為負，gm為正；p通道VP為正，gm為負(若表為id=gmvsg，則gm為正)。與IDSS成正比，所以為W/L之函數

  35. Basic JFET Amplifiers (2/3) • 考慮飽和區JFET之有限輸出阻抗 • n通道JFET之小訊號等效電路 • 與n通道之MOSFET相同 • p通道JFET與p通道之MOSFET相同 • Small-signal analysis • 與MOSFET之分析方式相同 • Example 6.18：增益 • 列等式，VGSQ=VG-VS，VS表為IDQ IDQVGSQ小訊號等效電路及參數逆推增益

  36. Basic JFET Amplifiers (3/3) • 電壓增益大小與MOSFET同一等級 • Example 6.19：設計源極隨耦器 • 已知電晶體參數、最小電壓增益及gm求IDQ、RS及ro • 由gmVGSIDQRS(歐姆定律)及ro • 增益 • 代入數據得0.902合乎最小電壓增益之要求 • 在JFET，若把 可得與MOSFET相同之表示法

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