\第 4 章 二極體電路 講義與作業
一、n-MOSFET 放大器
可使用重疊定理,所以可分開 dc 與 ac 分析
轉導放大器:輸入電壓,輸出為電流
一旦 Q 點建立則可發展 v
gs、i
d及 v
ds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 i
D及 v
DS需在飽和區
電晶體之增益轉導 gm
(1) I
DQ愈大Îg
m愈大
(2) 若 Vds 大於 Vds,sat Î 飽和區 I
DQ固定Îg
m固定 (3) 若 Vds 小於 Vds,sat Î 線性區 I
DQ不固定Îg
m∞Kn
例 4.1:n-MOSFET 之參數為 V
TN= 1V,(1/2)μ
nC
ox= 20μA/V
2及 W/L = 40。設汲極電流 I
D= 1mA。求 gm
解:
MOSFET 轉導(即增益)比 BJT 來的小,
但有較高輸入阻抗、尺寸小及低功率消耗之優點
交流等效電路(
低頻小訊號等效電路 (Cgs ~ 0)
考慮飽和區 iDS非定值,因存在一通道常數調變參數 λ
則
則,輸出阻抗不再是無窮大而是一有限值 ro
則,n 通道之延伸小訊號等效電路
例 4.2:
假設電晶體偏壓於飽和區。
偏壓參數為 VGSQ = 2.12V,VDD = 5V,及 RD = 2.5kΩ。
電晶體參數 VTN = 1V, Kn = 0.80mA/V2,及λ= 0.02V-1。 解:
(靜態偏壓值):
因此
符合飽和區之假設。
(交流分析) 轉導為
輸出電阻
進而,可推導 輸出電壓
小信號增益 (Vgs=Vi)
MOSFET 之轉導小,所以增益小,增益為負
( )( )
5 1 2.5 2.5
DSQ DD DQ D
V = V − I R = − = V
( )
2.5 1.82 1 0.82
DSQ DS GS TN
V = V > V sat = V − V = − = V
二、p
-MOSFET 放大器
直流分析:
VDD 接在 S 極,在 MOSFET VDD 表電源供應器
與 n 通道電晶體來看,電流方向與電壓極性相反
交流分析:
若將小訊號 G-S 極性反轉且 Id 電流亦反轉 而得與 n 通道相同之小訊號等效電路
本體效應的模型
當 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
簡化之 I-V 關係及其門檻電壓
vSB≥0,等於 0 即無本體效應
B-G 間之轉導
本書一般忽略本體效應
共源極放大器
n-MOS
¾ 由 R1 與 R2 所形成的電壓分配,使元件能偏壓於飽和區工作
¾ 可忽略的電容阻抗
Cc=10 μF,f=2 kHz Î|Zc|≅8 Ω
︱ZC|<<在電容端所見的戴維尼等效電阻
當交流訊號頻率大於 2 kHz,可假設 CC 為短路
小訊號等效電路
¾ 一般而言, RSi <<Ri = R1∥R2
直流偏壓
¾ 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
¾ 輸入夠小使輸出入關係保持線性
例 4.3:如圖 4.14
電晶體參數 VTN = 1.5V, Kn = 0.5mA/V2,andλ= 0.01V-1。
解:直流計算:
交流(小訊號)計算:
小信號轉導
小信號輸出阻抗 r0
輸入電阻為
小信號電壓增益
輸出電阻為
輸入電阻為
討論
(1) Q 點落在負載線的中心(VDSQ=5=VDD/2)而非在飽和區的中心點。
因此,此電路並非具有最大對稱輸出電壓擺幅 (2) Rsi 的影響
Vgs 只佔 Vi 的 84%!
例 4.4:
電晶體參數 VTN=1V, Kn = 1mA/V2, λ= 0.015V-1。設 Ri = R1∥R2 = 100kΩ,設計電路 IDQ = 2mA 及 Q 點在飽和區中間。
解:直流分析
觀察 data sheet 的 ID-VDS 曲線,
VDD=12, IDQ=2mA 時,負載線與 ID=4mA 交叉處,VDS,sat~2V Q 點才會接近飽合區中點!
對 ID-Vgs 曲線,當 ID=4mA 時,
扣掉 VDST,
若 Q 點在飽和區之中間,則 VDSQ=7V,可以得到 10V 峰對峰值的對稱 輸出電壓
[交流分析]
小信號轉導
小信號輸出阻抗 r0
電壓增益
討論
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