标签：仿真 frac MOS 单管 源漏 增益 放大器 DS
实验二，三种MOS单管放大器
2.1 实验背景
三种电路电阻负载下的信号增益（\(A_v\)），输入阻抗（\(R_{i}\)），输出阻抗（\(R_o\)），假定\(r_o >> R_D\)，\(g_{mb}=0\)
| 信号增益\(A_v\) | 输入电阻\(R_{i}\) | 输出电阻\(R_o\) | |
|---|---|---|---|
| 共源极 | \(-g_mR_D\) | \(\approx \infin\) | \(R_D\) |
| 共栅极 | \(g_mR_D\) | \(1/g_m\) | \(R_D\) |
| 共漏极 | \(\frac{g_mR_S}{g_mR_S+1}\) | \(\approx \infin\) | \(R_s//\frac{1}{g_m}\) |
2.2 实验内容
- 根据单个MOS管的三种基本放大阻态（共源、共栅、共漏）（电流负载），完成电路设计与仿真验证。
- 设计MOS管三种基本组态放大电路的主要参数，包括电路的直流工作点、MOS管的宽长比、主要的电阻值等，使电路能够正常稳定的工作。
- 测量电路的交流增益，输入输出阻抗，与理论结果比较。
2.3 实验过程
- 连接共源极放大器电路如下
- 进行直流仿真，计算电路直流工作点，激励，仿真条件设置如下
- 选择晶体管栅极，源极，漏极作为Output
- 运行直流仿真，得到晶体管直流工作点参数
- 设置瞬态仿真条件（激励GND和VDD设置与直流仿真一致）
- 选择IN，OUT端口作为Output
- 运行瞬态仿真，得到IN和OUT端口的信号波形
- 连接共栅极放大器电路如下
- 和共源极放大器电路采用类似的方法，设置激励后进行直流工作点的仿真和信号放大的交流仿真
- 连接共漏极放大器电路如下
- 设置激励后进行直流工作点的仿真和信号放大的交流仿真
2.4 实验分析
本次实验的三个单管放大器均使用NMOS，其工艺参数如下
| \(μC_{ox}(μA/V^2)\) | \(V_{TH}(mV)\) | \(\lambda(V^{-1})\) | |
|---|---|---|---|
| NMOS | 235 | 410 | 0.126 |
为了简化计算，我们忽略沟道调制效应，假定漏源电流计算公式为
\[I_{DS}=\frac{1}{2}μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2 \]则跨导\(g_m\)可以通过计算得到
\[g_m=\frac{\partial I_{DS}}{\partial V_{DS}} = μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH}) \]对于本次实验涉及的所有放大器，其设计分析过程如下。第一步根据需要的指标要求估算参数，第二步进行直流仿真，根据仿真结果修改参数，直到符合要求，第三步进行交流仿真，根据仿真结果修改参数，直到符合要求。需要首先进行直流工作点的仿真的原因是，为了保证放大器能够正常工作，NMOS需要工作在饱和区下，即需要满足\(V_{GS}>V_{TH}\)以及\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)。
这里以共源极放大器的分析为例，详细描述分析与设计的过程：
- 估算参数
假定目标增益\(|A_v|>1\)，共源极放大器的放大倍数为\(A_v = -g_mR_D\)，因此需要确定的参数为\(\frac{W}{L}\)，\(V_{GS}\)和\(R_D\)，\(V_{GS}\)需要大于\(V_{TH}\)，因此必须大于\(410mV\)，但同时由于饱和区要求\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{GS}\)不能选取过大，因为\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\) ，而\(I_{DS}\)也收到\(V_{GS}\)的控制，如果\(V_{GS}\)过大必定会导致NMOS管无法工作在饱和区，这里先选定\(V_{GS}=1\)。进一步选定\(\frac{W}{L}=\frac{220}{180}\)的情况下，可以计算出\(I_{DS}=50μA\)，\(g_m=169.5μS\)。在\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\)，\(A_v = -g_mR_D\)，\(|A_v|>1\)的约束下，选定\(R_D=10kΩ\)。
估算参数列表如下：
| 晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)） | 晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)） | 负载电阻（\(R_D\)） |
|---|---|---|
| \(220/180\) | \(1V\) | \(10kΩ\) |
根据以上参数计算得到直流工作点：
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(50μA\) | \(1.3V\) |
根据以上参数计算得到交流放大参数：
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(-1.695\) |
- 进行直流仿真
将估算结果与直流仿真结果比较，与估算的结果基本一致，可以确定晶体管工作在饱和区：
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(53.6μA\) | \(1.26V\) |
- 进行交流仿真
进一步进行交流仿真，可以很明显的看出共源极放大器的反相放大特性，使用放大后的信号峰峰值和输入信号峰峰值之比得到增益：
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(\approx -1.5\) |
实际仿真得到的交流信号增益略小于估算结果，这是因为\(A_v=-g_mR_D\)实际上是忽略了晶体管\(r_o\)的影响，假定\(r_o >> R_D\)而得到的。如果使用\(r_o\approx\frac{1}{\lambda I_{DS}}\)，\(A_v=-g_m(R_D//r_o)\)重新进行计算，可以得到：
| 晶体管输出电阻（\(r_o\)） | 信号增益\(A_v\) |
|---|---|
| \(148kΩ\) | \(-1.58\) |
使用相似的方法对共栅极和共漏极电路进行分析和设计：
共栅极放大电路设计参数：
| 晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)） | 晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)） | 负载电阻（\(R_D\)） |
|---|---|---|
| \(220/180\) | \(0.8V\) | \(10kΩ\) |
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(21.8μA\) | \(0.582V\) |
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(1.12\) |
共栅极放大电路仿真结果：
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(24.2μA\) | \(0.558V\) |
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(1.04\) |
共漏极放大电路设计参数：
| 晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)） | 晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)） | 负载电阻（\(R_D\)） |
|---|---|---|
| \(220/180\) | \(1V\) | \(10kΩ\) |
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(50μA\) | \(1.3V\) |
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(0.63\) |
共漏极放大电路仿真结果：
| 源漏电流（\(I_{DS}\)） | 源漏电压（\(V_{DS}\)） |
|---|---|
| \(51.5μA\) | \(1.285V\) |
| 信号增益\(A_v\) |
|---|
| \(0.58\) |
从实验中可以总结出三个单管放大器各自的特性：
共源极放大器：反相放大器，输入电阻大，适合作为电压放大器的输入级
共栅极放大器：同相放大器，输入电阻小，可用作电流放大，可以与共源极放大器组合形成共源共栅放大器结构（Cascode），进一步扩大增益
共漏极放大器：同相放大器，增益小于1，满足\(g_m>>\frac{1}{R_S}\)时趋近于1，由于输出电阻小适合作为电压放大器的输出级，起跟随器作用
更复杂的放大器的本质上也是由单管组成的，掌握单管的性质有助于设计后续的复杂放大器电路。此外，读者可以自行调整参数，实现更大增益倍数的单管放大器，以及通过输入端/输出端断路的方式，进行电路输入输出电阻和理论值的比较验证。
标签：仿真,frac,MOS,单管,源漏,增益,放大器,DS 来源： https://www.cnblogs.com/sasasatori/p/15931144.html
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