MOSFET理解與應用:Lec 6—放大器電路模型I

先說幾句廢話

前幾期講的MOSFET的物理結構、電學特性是我們研究MOSFET的基礎，只掌握這些在實際電路中是沒法用的，今天講的內容才是我們在電路設計中所用到的，但是前幾期的內容都是廢話嗎？當然不是，只有知道了那些基礎，再看到電路模型的時候才不會感覺奇怪，才會把MOSFET的電路模型深入到自己的潛意識中。好，切人正題~~~

本期內容

如何構造一個放大器？NMOS放大器電路模型（PMOS道理是一樣的，這裡不再贅述）——————————————————————————————————

1、如何構造一個放大器？

有一個小信號Vin=1mV，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一個壓控電流源。就是一個隨Vin的變化而變化的電流源。你是不是要問為什麼是電流源，不是電壓源呢？因為我們的MOS管就是一個壓控的電流源。

Fig. 1 構造一個放大器

看下圖Fig.1，只要kR_L的值等於10或20，我們就可以放大相應的倍數。

2、NMOS放大器電路模型

① NOMS工作在飽和區時為一個壓控電流源

在MOSFET理解與應用：Lec 3—你真的理解夾斷效應嗎？中我講過，當NMOS工作在飽和區（V_DS>V_GS-V_TH）時，流過溝道的電流I_D與(V_GS-V_TH)^2成正比，與V_DS無關，此時，MOS管可以看成是一個受V_GS控制的電流源。如下圖。記住，NMOS作為放大器時一定是工作在飽和區的。

Fig. 2

所以，工作在飽和區的NMOS的等效電路為：

Fig. 3

利用NOMS的等效電路構建我們的放大電路，如圖Fig. 4，其中，MOS管的柵極為信號V_in的輸入端，MOS管的漏極作為信號V_out輸出端；VCC為供電電源，作用是為了滿足V_DS>V_GS-V_TH這個飽和區工作條件；R_L的作用和Fig.1中的R_L作用一樣，是為了將電流轉換正電壓輸出。

Fig. 4

② NMOS不是一個線性的受控電流源，放大信號會失真，怎麼辦？

Fig.1 中的壓控電流源電流為kV_1，這才是一個線性受控源。而NMOS的電流I_D與(V_GS-V_TH)^2成正比，如圖Fig. 4。這就導致當輸入信號較大時，放大倍數大，當輸入信號小時，放大倍數小。信號波形放大後就會失真。

Fig. 4

那我們怎麼辦呢？其實到目前為止，我們沒有什麼很好的辦法，只能約束輸入條件，只有當輸入的信號足夠小時，才能認為這個放大器是線性放大。

Fig.5

如圖Fig. 5，當Vin的範圍非常小時，V-I曲線可以看成是直線。我們可以根據之前得到的I_D和V_GS的表達式，求導就可以求出曲線的斜率g_m。

Fig. 6

所以，如圖Fig. 6，V_in = V_0+v_in，其中，V_0為一個直流偏壓，v_in為我們的小信號輸入，當它特別小時，I_D = I_D0+g_m * v_in，g_m為V-I曲線的斜率，和放大倍數直接相關，具體什麼關係呢？我們下期講解小信號電路模型的時候詳細介紹。

③ 為什麼要有直流偏置呢？

第一，因為V_GS需要大於V_TH，NMOS才能正常工作。第二，因為V-I曲線的斜率g_m和V_GS成正比，當V_GS比較小時，g_m非常小，不能得到很好的放大倍數。V_GS越大，g_m越大，放大倍數越大，那是不是V_GS越大越好呢？當然也不是，首先，因為要想NMOS工作在飽和區，需要滿足V_DS>V_GS-V_TH，當V_GS越大時，V_DS就得越大，這個功耗就越大。第二，V_GS、V_DS得控制在NMOS的承受範圍，如果加的過大，會破會MOS管，導致無法工作。所以選擇一個正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個關鍵因素。

例子：當直流偏置V_0很小，接近V_TH時，Fig.6中曲線的斜率g_m是一個非常小的量，得到的I_D也是一個特別小的量，要想實現V_out的放大，則Fig. 4中的R_L就必須是一個非常非常大的值，可能是幾千萬歐姆，這種電阻現實生活中是很難實現的。所以再強調一便，選擇一個正確的直流偏置是NMOS放大電路的一個關鍵因素。

總結

① 設計一個放大器需要壓控電流源。

② NMOS在工作在飽和區時是一個非線性壓控電流源，小信號時可以看成是線性的。

③ 放大倍數與偏置有關。

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本期內容可以看出當我們在NMOS柵極輸入大信號時，NMOS放大電路是非線性的，但當柵極輸入小信號時，NMOS放大電路可以認為是線性的。大信號模型我們主要用來計算偏置，小信號模型我們用來計算信號的放大倍數。

下期我們想想講解NMOS的大信號模型和小信號模型。關注我吧！！！

MOSFET理解與應用（Lec 1）

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