積體電路偏壓和主動負載 電晶體電流源 具主動負載之電路 小訊號分析 : 主動負載電路
電阻電路不適用於積體電路 電阻需要比電晶體相對較大的面積 電阻需要耦合和旁路電容 於 C 中, 幾乎不可能作出 μf 等級的電容 積體電路中, 可考慮電晶體電路作偏壓和負載元件
電晶體電流源 提供固定輸出電流之各式雙極性電晶體電路 提供固定輸出電流之各式場效電晶體電路 - 電路分析與特性了解 電晶體作負載元件 ( 主動負載 ) - 分析使用主動負載之放大器電路的直流特性 分析具主動負載之放大器電路的小訊號特性
雙極性電晶體電流源 (1/0) BJT 電晶體偏壓在主動順向區 一個線性放大元件 可以使用電流源提供偏壓電流 O 雙極性電晶體電流源 簡單的二顆電晶體電流源電路 二個改善的電流源電路 Widlar 電流源電路 多電晶體電流源電路
雙極性電晶體電流源 (/0) 二顆電晶體電流源電路 二顆電晶體電流鏡 電流源的基本設計區塊 包括二個 ( 理想化 ) 匹配的電晶體 基極端點和射極端是連接在一起» BE1 BE Q 1 被連接當成一個二極體»B-E 接面為順向偏壓» 當提供電壓時, 將提供一參考電流 REF» REF 是 BE1 ( BE, 產生 O REF ) 的一個函數 藉由連接一個電阻至 + 來建立 REF» BE C1 REF
雙極性電晶體電流源 (3/0) 電流關係 在理想電晶體時 BE1 BE B1 B C1 C Q 被偏壓在順向主動區» REF C1 + B1 + B C1 B C C 1+ REF O β + (1 + ) β
雙極性電晶體電流源 (4/0) 例題 10.1: 電路組態被設計成如圖 10.(b) 所示, 假設使用匹配的電晶體且其參數 BE (on) 0.6, β 100, 且 A 輸出的電流 O 被設計為 00 μa, 而偏壓的電壓分別為 + 5 和 - 0 解答 : REF O (1+/β)00(1+/100)04 μa R 1 ( + - BE ) / REF (5-0.6)/0.04 1.6 kω 建議 : O REF R 1 BE 0.6 需要去決定 BE 符合於一個特別的集極電流 β100 參考和負載電流 在 % 內在大部分電路應用中 使用趨近 O REF
雙極性電晶體電流源 (5/0) 輸出電阻 在一個定電流源中產生一負載電流的穩定度 從輸出電晶體回看進去的一個輸出電阻之函數 如果 的值改變» BEo 本質上是一常數» CE 改變 Early 效應, O 變化»» β A CE1 BE 且令 BE << A» CE O REF BEo 1 (1 + ) C α F S exp( BE / T )(1 + (1 + (1 + CE CE1 do REF 1 1 O 1 d CE A CE1 ( 1+ ) (1 + ) A ro β A ) ) A CE A )
雙極性電晶體電流源 (6/0) 例題 10.: 在一個電路架構如圖 10.3 所示的電晶體電流源中, 該電路參數為 + 5 - -5 和 R 1 9.3kΩ 假設電晶體參數是 β50 BE (on) 0.7, 且 A 80; 請求出當 CE 從 0.7 變到 5 時, 0 的變化 解答 : 參考電流 + BE on 5 0.7 5 REF 1.0mA R1 9.3 當 CE 0.7, 電晶體 Q 1 和 Q 都相等地偏壓在 0 β 小訊號輸出電阻 ( ) ( ) 1.0 REF 0.96mA 1+ 1+ 50 r 0 80 A 83.kΩ 0.96 0
雙極性電晶體電流源 (7/0) 負載電流的變化可決定於 d d 0 1 r CE 0 或 1 1 d d ( 5 0.7) 0.05mA 83. 0 CE r0 輸出電流的百分變化量 d0 0.05 0.054 5.4% 0.96 0 建議 : REF O r o A / O d O r o d CE d O / O 負載電流的穩定度因 CE 的變化顯著地影響 電流源輸出電流的穩定度為電流源之小訊號輸出阻抗的函數
Figure shows a basic twotransistor pnp current source. The transistor parameters are EB (on)0.7, β50, and A. Design the circuit such that o0.30ma.
10.8 Figure P10.8 shows a basic twotransistor pnp current source. The transistor parameters are EB (on)0.7, β40, and A. Design the circuit such that o0.0ma and determine the value of REF.
10.10 Consider the pnp current source in Figure P10.10, with transistor parameters β, A, and EB (on)0.7. (a) Design the circuit such that REF 1mA. (b) What is the value of o? (c) What is the maximum value of R C such that Q remains biased in the forward-active mode?
雙極性電晶體電流源 (8/0) 改良型電流源電路 電流源電路的重要特性 輸出電流伴隨著 β 的改變而變化 輸出電流伴隨著輸出電晶體的電壓 C 改變而變化 基本的三顆電晶體電流源 改良輸出電流伴隨著 β 的改變 Q 1 和 Q 匹配, BE1 BE B1 B 與 C1 C Q 3 提供 Q 1 和 Q 的基極電流 基極電流 B1 和 B 與參考電流 REF 較無關係
如果在 Q 3 的電流增益是少於 Q 和 Q 1 定義 Q 1 和 Q 的電流增益為 β 1 β β, 且 Q 3 的電流增益是 β 3» O REF»» 小訊號輸出電阻 ( 與二顆電晶體相同 )» 與 - 電晶體相同» 若 Q 1 和 Q 不匹配, 造成偏壓電流偏離理想雙極性電晶體電流源 (9/0) ] ) (1 [1 ) ( ) (1 ) ( ) (1 ) (1 3 3 1 3 3 3 3 β β β β β β β β β β + + + + + REF O C C REF C REF B E B O C Q 1 1 3 R R BE BE BE REF + + o CE O r d d 1 ) ( 1 S S REF O
雙極性電晶體電流源 (10/0) 例題 10.3 二和三顆電晶體電流源 PSpice
雙極性電晶體電流源 (11/0) Wilson 電流源 三顆電晶體電流源的其它組態 具較大的小訊號輸出電阻 假設 B1 B 和 C1 C, 且分析» 在三個電晶體的電流層次幾近相同» 可假定電流增益是相等的 輸出電流 β β ( + ) β 1+ β 1+ β 1+ β β» E3 B1 C O C3 ( + 1) C1 β + β + O ( REF B3) ( REF ) 1+ β 1+ β β REF 1 O REF ( ) 1 1+ β ( + ) 1+ β β + β( + β)
雙極性電晶體電流源 (1/0) Wilson 的 R O REF 並非連接 B-C 而成一個二極體 Q 1 的 B 不是訊號地 左邊是原始小訊號等效電路 右邊是簡化小訊號等效電路» 考慮 : 忽視 r o1 和 r o»i b1 i b 1 i b3 -β x β+ β ro3 x -(-β ) β R o x / x ( ro3 r o3 + i b r π )/ x (β r o3 )/(β)βr o3 / 18/9
雙極性電晶體電流源 (13/0) 介於兩個具有三個電晶體電流源電路的不同處是輸出電阻 Wilson 電流源 R o βr o3 /» 趨近因子 β/ > 任一個 - 電晶體源極或基本 3- 電晶體源極» 意味著改變輸出集極電壓伴隨著偏壓電流 o 變化是較小的 輸出電壓變動 圖 10.3, 在 O 的最大可能變動是一個最小 CE 可能的函數 CE(min) CE(sat) 在 0.1-0.3
雙極性電晶體電流源 (14/0) 對於 wilson 電流源 最小輸出電壓» 在負功率之上 BE + CE(sat)» 可能在 0.7-0.9 尺度間 如果電路被偏壓在 ±5 最小電壓可能不是一連串的問題 在低功率電路的電壓» 此最小電壓效應可能變成更重要 嚴重
雙極性電晶體電流源 (15/0) 多電晶體電流鏡 產生多負載電流 - 電晶體的電流源 應用偏壓電壓»Q 1 處在順向偏壓» 一旦 BE 被建立 電壓被應用給 Q 的 B-E 接面 開啟 Q 且產生負載電流 Q 1 的 BE 電壓 應用至增加的電晶體» 產生多負載電流
雙極性電晶體電流源 (16/0) Q R 連接至一個二極體» 藉由建立 REF 來得到 BE» 應用至 N 輸出電晶體, 得到 N 電流 load 假設所有電晶體皆匹配且 A» 1 1+ REF O 1 O L ON + N β 多個輸出電晶體之集極可以連接在一起, 可改變 load 對 REF 的關係
雙極性電晶體電流源 (17/0) 三個輸出電晶體可以連接在一起, 可改變 load 對 REF 的關係» 假設所有電晶體皆匹配 > 如果電流增益非常大 BN 可以被忽略 1 3 REF 且 O 3 REF» 此過程對於離散元件並不推薦 > 元件之間不匹配 通常造成一個元件承載比其它元件更多的電流
雙極性電晶體電流源 (18/0) 連接電晶體並聯 元件的有效 B-E 面積 在真實的 C 製程中»B-E 面積可以二倍或三倍大用來提供 load 是 REF 的二倍或三倍大 等效的電路符號
雙極性電晶體電流源 (19/0) 一個普遍的電流鏡 參考電流建立在每個電路的分枝 有二極體連接電晶體 Q R1 和 Q R, R 1 和偏壓電壓 REF + EB ( Q R1 ) BE ( QR) 如果每個電晶體的 β 很大» 基極電流效應可以被忽略» 所有電晶體爾利電壓 A» 所有負載電晶體皆偏壓在它們的順向主動區» Q1 REF 相同地 Q3 REF»Q 是有效地二個電晶體並聯 Q REF»Q 4 是有效地三個電晶體並聯 Q4 3 REF R 1
雙極性電晶體電流源 (0/0) 例題 10.7 電路架構組態如圖 10.15 所示, 偏壓電壓為 + 5 和 - - 5, 忽略基極電流且假設 BE EB 0.6 決定電路使得 O 400 μa, 且求出其它電流和對 R 1 之其值 解答 : 當 O 400 μa; REF O1 O3 00 μa ; O4 600 μa 電阻 R 1 {[ + - EB (Q R1 )- BE (Q R )- - ] / REF } [5-0.6-0.6-(-5)] / 0. 44kΩ 建議 : 從 C 的觀點» 調整電晶體 B-E 面積使得滿足特定電流甚至於 Widlar 電流源使用外加的電阻 證明多基極電流 由單一參考電流產生的
All transistors in the N10 output mirror are matched with β30 and A. f the circuit parameters are + 5, - 0, and BE (Q R ) BE (Q S ) 0.7, determine R 1 such that each load current is 1mA.
10.15 All transistors in the N output mirror in Figure P10.15 are matched, with a finite β and A. (a) Derive the expression for each load current in terms of REF and β. (b) f the circuit parameters are + 5 and - -5, and the transistor parameter is β50, determine R 1 such that each load current is 0.5mA for N5. Assume that BE (Q R ) BE (Q S )0.7.
1.0 Consider the Wilson current source shown in Figure 10.8. Assume the reference current is 0.5mA and assume transistor parameters of BE (on)0.7, β100, and A 100. (a) Determine the output resistance looking into the collector of Q 3. (b) What is the change in O as the output voltage changes by +5?
FET 電流源 (1/18) 前言 FET C 如同使用雙極性電晶體當電流源偏壓 決定 -MOSFET 電流源和多 -MOSFET 電流源 電路的 REF 和 load 關係 ; 與 電路的輸出阻抗
FET 電流源 (/18) 基本二電晶體 MOSFET 電流源 電流關係 M 1 的 D 和 S 端連接在一起 幾乎都偏壓在飽和區 令 λ0 REF 使 M 飽和區 n1 ( GS TN1) K + GS TN1 K REF n1 O K REF n ( GS TN ) Kn( + TN1 TN ) Kn 1
FET 電流源 (3/18) 如果 M 1 和 M 是相同 ( 匹配 ) 的電晶體 TN1 TN 和 K n1 K n O REF ( 沒有閘極電流 ) 如果 M 1 和 M 是不匹配的電晶體 寬對長的比或二電晶體形狀比例改變 ( 對於 K n1 K n )» load 與 REF 相關的變化 ( W / L) O REF ( W / L)» 給設計者有較寬的設計彈性 1
輸出電阻 負載電流 是 DS 的函數 它的穩定性 十分重要 計算電晶體的有限輸出電阻 > O REF K K FET 電流源 (4/18) ( GS TN ) (1 + λ ) n DS ( GS TN1) (1 + λ1 1) n1 DS > 在積體電路中之電晶體電流鏡的製程是相同的
FET 電流源 (5/18) 所有的物理量參數如 TN μ n C ox 和 λ 都相同所以 O ( W / L) (1 + λds ) ( W / L) (1 + λ ) REF 負載電流的穩定度 可描述與輸出電阻相關 > 給定參考電流 > DS1 GS1 常數 > (W/L) (W/L) 1 且 λ DS1 λ GS1 << 1 關於改變 DS 而使得偏壓電流 的變化量為 1 R O d d 1 DS1 O DS λ»mosfet 提供一個很大的電阻在輸出端且有非常好的穩定度 REF 1 r o
參考電流 ( 一般藉由建立電壓和電阻來得到 REF 於雙極性電流源中 ) MOSFETs 可建構成似一個電阻的動作特性 REF 在 MOSFETs 電流鏡 使用增加電晶體來建立 M3 和 M1 為了 REF 而串聯 λ0 且物理參數全都相同 GS3 GS1 REF ; GS ( GS1 ) O Kn 1( GS 1 TN 1) D 1 D3 REF Kn3( GS 3 TN 3) ( Q ) TN1 TN 3 TN FET 電流源 (6/18) GS 3 GS1 ( W / L) ( W / L) 3 (1 ) ( W / L) ( W / L) 3 1 1 TN
FET 電流源 (7/18) K ( ) K ( ) ( Q ) n1 GS1 TN1 D1 D3 REF n3 GS 3 TN 3 TN1 TN 3 TN GS 3 GS1 ( W / L) ( W / L) 3 (1 ) ( W / L) ( W / L) 3 1 TN ( W / L) 1 3 GS1 (1 ) TN ( W / L) 1 GS 3 GS1 GS1 + + + ( W / L) 3 ( W / L) 1 ( W / L) 3 (1 ) TN 1 ( W / L) 1 GS1(1 + ) ( W / L) 3 ( W / L) 3 ( W / L) ( W / L) 1 1 ( W / L) 3 ( W / L) 3 (1 ) TN + ( W / L) 1 ( W / L) 1 GS GS1 [( ) + ]( ) ( W / L) 3 ( W / L) 3 1+ ( W / L) ( W / L) 1 1
FET 電流源 (8/18) 例題 10.8 設計一個 MOSFET 電流源電路來滿足一些特定的規範, 而設計的電路組態如圖 10.17 所示, 且偏壓電壓為 + +5 和 - 0 至於提供的電晶體參數是 k n 40 μa/ TN 1 λ0, 請設計該電路使得 REF 0.5mA 0 0.10mA DS (sat) 0.85 解答 : DS (sat)0.85 GS -1 GS 1.85 W 0 0.10 ' 6.9 L k n ( ) ( 0.0)( 0.85 1) GS TN 參考電流 ' kn W» REF ( GS 1 TN ) L 1 GS1 GS» W 0.5 17.3 REF ' L 1 k n ( GS TN ) ( 0.0)( 1.85 1)
FET 電流源 (9/18) + 其值為 GS 3 GS1 5 1.85 3.15 REF K n3 ( GS3 - TN )» ( ) W REF 0.5.70 ' L ( ) ( )( ) 3 k n 0.0 3.15 1 GS 3 TN 建議 DS > DS ( sat) GS TN 1.85 1 0.85 分析和參考部分電路來求得 GS 這些 GS 決定 REF 可換算的偏壓電流 找尋電流源電路的輸出電阻» 設置一測試電壓在輸出結點並且分析該小訊號等效電路» 記住 REF 常數, 這可能使得有些 GS 是常數或是在 AC 地端
FET 電流源 (10/18) 多 -MOSFET 電流源電路 疊接電流鏡 使用 MOSFET 電流源電路 穩定度 輸出電阻» 關於輸出電壓的變化 M 3 在電流鏡參考團中 可以作成基本二電晶體電流鏡 建立 REF 增加輸出的電阻 假設所有電晶體皆一致» O REF
小訊號等效電路 R O 畫在 M4 處 REF 常數 g 在 M 1 M 3 與 M M 4 都是常數 相等於一個 AC 短路 M 的 G 和 S 端 地端 M 的輸出電阻 ( 從 D 端 ) r o 寫出 KCL 方程式 ( ) ( r ) g g r x gs4 x x o x m gs4 + m( x o) + ro4 ro4 g m r o4 >> 1 FET 電流源 (11/18) R r + r (1 + g r ) x o o4 o m o4 x R O 處於疊接 > R O 在基本二電晶體電流源
FET 電流源 (1/18) 例題 10.9 考慮如圖 10.17 之二電晶體電流源和圖的疊接電流源 10.18, 且假設在雙電路中 REF O 100 μa, 對於所有電晶體 λ0.01-1 和 g m 0.5 ma/ 解答 : 二電晶體電流源的輸出電阻 r O (1/λ REF )(1/0.01 0.1) 1MΩ r O r O4 1MΩ, 疊接電路的輸出電阻»R O r O4 +r O (1+g m r O4 ) 1+1[1+(0.5 10-3)(106)]50 MΩ 建議 疊接電流源的 R o 本質上是大於基本二電晶體電路的 R o d O 1/R o» 在疊接電路中的 load 對於輸出電壓的變化較穩定
Wilson 電流鏡 二個外加多 -MOSFET 電流源 Wilson 電流源» λ 0 且 DS1 DS O / REF 形狀比例 修改 Wilson 電流源包括 M 4» 對於一固定 REF 時解之前提及的問題 > DS1 DS DS4» 補充 REF Kn4( DS 4 TN 4) (1 + λ4ds 4) REF 固定 DS4 固定 當 M 4, O REF 固定 DS 固定且 GS3 固定 G4 DS + GS3 固定 DS1 G4 - DS4 固定 這些電路的主要優點» 輸出電阻 穩定 load FET 電流源 (13/18)
寬擺幅電流鏡 疊接電流鏡 決定 D4 的最小值» 在負載電路已偏壓時影響電壓最大對稱變動 D4(min) G4 GS4 + DS4 當匹配時 考慮簡單 - 電晶體電流鏡» (min) ( + + ) + (sat) GS1 GS 3 GS 4 DS 4 GS1 GS GS 4 GS (min) + + D4 GS DS4 (min) + O FET 電流源 (14/18) DS (sat) (sat)
FET 電流源 (15/18) 一個電流鏡無法限制輸出電壓如疊接電路劇烈地變動, 但可維持如圖的高 R O 電晶體對 M 3 和 M 4 如一個單獨二極體連接至創造 G3 之電晶體» 如果只有 M 3 被連接到二極體 DS3 GS3 GS 包含 M 4, DS3 被減少和匹配至 GS» 使用 M 3 和 M 4 來連接二極體 > DS3 < DS3 + DS4 GS3 > DS3» O REF > GS1 GS GS3 GS4 DS3 G4 - GS4 G1 - GS1 DS
FET 電流源 (16/18) M 5 是 M 1 --M 4 的 1/4 大小尺寸且所有電流都相等 ( GS5 TN ) ( GSi TN ) D 1(min) G 1 GS1+ DS1(sat) GS 5 GS1+ ( GS 1 TN ) ( ) (sat) 補充 GS 5 TN GSi TN DSi 呈現在右圖中電流源對輸出電壓的影響 在電流源中 O > 在電流源中 + 和輸出電壓的差 > 電晶體最大輸出擺幅也跟著縮小
偏壓獨立的電流源 FET 電流源 (17/18) 提供的電壓與 load 無相關 REF 與 load 為偏壓的函數 --- 之前討論 PMOS 元件都匹配, D1 D K ( ) n1 GS1 TN D1 D3 D4 D K ( ) K ( R ) n GS TN n GS1 D TN 電阻值 K R n1 D1 1 (1 n1 )( GS1 TN ) D Kn 1 ( W / L) K ( W / L) 1 (1 ) 建立 D1 D GS1 與 SG3 O1 和 O
FET 電流源 (18/18) M 和 M 3 都處在飽和區 D1 D 與提供的電壓 + 和 - 是獨立關係 ( D1 D 不同於 GS1 和 GS 與電阻 ) ( + - - )» DS SD3» 電流 常數 負載電流» 與提供電壓沒有關係 也設計與雙極性偏壓獨立電流鏡類似
具主動負載之放大電路 (1/13) 具電阻負載之放大電路 BJT 放大器之小訊號電壓增益 -g m R C R C > 增益 維持相同的偏壓 ( CQ 和 CEQ ) > 需要 CC CQ CQ CC CC A v g m R 需要一個負載元件 C T R C 在 CC 和 CQ 固定, 但增加負載的電阻值 此元件可以是一電晶體» 在積體電路中佔據較少的面積» 主動負載元件較離散 R C 產生較大的小訊號增益 T ( CQ ) T
具主動負載之電路 (/13) 具主動負載 (BJT) 之放大電路 > R 1 Q 1 和 Q 形成 - 電晶體的 pnp 形式電流源 提供驅動電晶體 Q 0 的偏壓電流 ( C0 ) 提供驅動電晶體 Q 0 的主動負載 (Q )
具主動負載之電路 (3/13) 直流分析 ( O vs. ) Q 0 Q 1 和 Q 偏壓在主動順向區 / 0 0 0 [ T ](1 CE C S e + ) e + i C0 i C 可表示成 REF AN EB / T EC C S [ ](1 ) AP e + EB1 / T EC1 REF C1 S1[ ](1 ) AP
具主動負載之電路 (4/13) EC1 EB1 EB, 且在 Q 1 與 Q 是相同»pnp 的 S1 S 和 AP 是相等的 EB / T EC C S [ e ](1 + ) AP e + EB1 / T EC1 REF C1 S1[ ](1 ) AP C0 C EC EC1 (1 + ) /(1 + ) REF REF AP AP + 1+ + + + + AP O EB1 O AP EB1 AP EB1 REF (1 + + EB 1 + AP EB1 O ) C 0 S 0 [ e / T ](1 + O AN )
具主動負載之電路 (5/13) + EB1 O / T O REF (1 + ) C0 S 0[ e ](1 + AP + EB 1 AN / T / T + EB 1 S0e 1 S0e 1 ( ) + + + + AP EB1 REF AP EB1 REF AN / / / REF S1 S C C0 S0 Q e e e BE1 T BE T T Q << ; << ; + CE AN EC AP AP EB1 AP e 1 + ( + ) / T + S 0 EB1 1 1 O REF AP AP AN / T + APAN S 0e AN ( EB 1 [ 1 ] ) O + AP + AN REF AP + AN 只要 Q 0 和 Q 在主動區都是有效的» O 的範圍 + sat) < < ( CE 0( O EC ) O (sat))
具主動負載之電路 (6/13) 轉換曲線 ( O vs. ) 介於 H 和 L» 當 至 Q 0 動作至飽和» 當 至 1 Q 動作至飽和 在維持 Q 0 和 Q 在順向主動 的範圍是非常小的» 小範圍的輸入 大範圍的輸出 弦波輸入 弦波輸出» 輸入訊號範圍是非常小 1. 指數可使用 Taylor 展開式. 只維持線性項 3. 輸入與輸出關係是線性項 最大對稱變» 在線性區的中央
AP 具主動負載之電路 (7/13) 電壓增益 : BJT 主動負載 小訊號電壓增益 在電壓轉換曲線上之 Q 點斜率 O AP AP + AN AN do APAN Av d AP + AN 1/ T 1/ + 1/ / T + S 0 AN EB1 [ 1 ] + AN e e ( / C REF / T S 0 AP AN )( ) ( ) REF AP C / + T C ( + 1 T / 此電壓增益是開路狀況 負載連接至輸出 增益將減少 AP AN AN 1 AP + AN T gm g 1/ r + 1/ r op ) on m ( ( r AP on r op AN ) ) / T
具主動負載之電路 (8/13) 例題 10.11: 計算一個具主動負載之簡單 BJT 放大器之開路電壓增益, 考慮電路如圖 10.9, 該電晶體參數為 AN 10 和 AP 80 且令 T 0.06 解答 : 1 1/ 0.06 A T -1846 1/ 1/ 1 1 AP + AN + 10 80 具主動負載電路的 A >> 具離散電阻電路之 A 如模擬結果, 它很難去應用輸入電壓來偏壓令 Q 0 和 Q 在主動區
具主動負載之電路 (9/13) MOSFET 主動負載電路 電壓轉換函數 電晶體 M 1 和 M 形成一 PMOS 主動負載 3 個電晶體的電流 K O n( GS TN) (1 + λn DS0) K ( + ) (1 + λ ) p SG TP SD K ( + ) (1 + λ ) REF p1 SG TP1 1 SD1 假設 M 1 和 M 是相同的» λ λ λ 1 TP1 TP TP K K K p1 p p p
REF 1 SD1 p SG + 1 + λp( O) [ ] REF O Kn( TN ) (1 λno ) 1+ λpsg + λ 1 pref + λp [ λnkn ( TN ) ] O [ ] REF Kn( TN ) 1+ λpsg 1+ λpsg + 1 + λpsg + λp( SG) REF Kn TN Q λpsg 1+ λpsg + + [ ] ( ), 1>> 1+ λ 1, K ( ) 最後 具主動負載之電路 (10/13) p SG n TN REF + 1+ λ p ( SG )] O λn + λ p»m 0 和 M 偏壓在它們的飽和區 + 1 ( ) 1+ λ + λ SD p O 1+ λ 1+ λ + ( λ + λ ) [1 + λ ( )] K ( ) n p REF O p SG REF n TN [ Kn( TN ) ( λ + λ ) n p REF
具主動負載之電路 (11/13) 轉換曲線 ( O vs. ) 介於 H 和 L» 當 至 M 0 動作至非飽和區» 當 至 1 M 動作至非飽和區 M 0 和 M 二個都偏壓在它們的飽和區, 且 的範圍很狹窄 弦波輸入具有弦波輸出
具主動負載之電路 (1/13) 電壓增益 : MOSFET 主動負載電路 在電壓轉換函數曲線上之 Q 點斜率 A v d d O O + [ 1+ λ p ( SG )] Kn( TN ) Kn( ( λ + λ ) n λ + λ n p TN p REF ) gm ( λ + λ ) n ( λ + λ ) n p 0 p REF gm 1/ r + 1/ r on op g m ( r on r op ) MOSFET g m 的 <BJT 的 g m MOSFET 放大器的電壓增益 < BJT 放大器的電壓增益 主動負載仍可產生一個顯著的電壓增益
具主動負載之電路 (13/13) 討論 BJT 和 MOSFET 電路都具主動負載 對於偏壓電晶體的正確傳輸寬度 非常窄 主動負載幾乎不可能在離散電路 一個主動負載需依賴使用大範圍的匹配電晶體 匹配電晶體 滿足於 C
小訊號分析 : 主動負載電路 (1/8) 小訊號分析 正確的偏壓範圍 狹窄 BJT 需操作在主動區 MOSFET 需操作在飽和區 否則, 小訊號並不正確 Q 1 部分 不具獨立交流電源 π1 π 0 與電源相關是開路
小訊號分析 : 主動負載電路 (/8) 小訊號分析 : BJT 主動負載電路 從主動負載的集極看入且找電阻 R o r o 補充 : 地端連接在一起 R o 是 r o 與相依電流源並聯» 對於電壓的觀點與 π 並不相關» 相依電流源 開路
小訊號分析 : 主動負載電路 (3/8) 電壓增益 O m π1 o L o m i o L o g A g ( r R r ) m 1/ ro + 1/ RL + 1/ ro gm ( C0 / T) g + g + g / + 1/ R + / v m o L o o L o C0 AN L C0 AP 開路電壓增益 :R L 1/ A T v 1/ AP + 1/ AN 當負載 開路» 當 DC 分析時的小訊號增益 如果沒有開路» 負載效應» 小訊號電壓增益 減少 g ( r R r ) g ( r R r )
小訊號分析 : 主動負載電路 (4/8) 例題 10.1 在圖 10.37(a) 中的電路, 電晶體的參數是 AN 10 且 AP 80 令 T 0.6 和 Co 1mA, 當負載電阻為 R L 100kΩ 或 10kΩ 時, 請決定小訊號電壓增益 解答 : 當 R L, 小訊號電壓增益 A {-(1/ T ) / [(1/ AN )+(1/ AP )]} {-(1/0.06) / [(1/10)+(1/80)]} -1846 當 R L 100kΩ, 小訊號電壓增益 A {-(1/0.06) / [(1/10)+(1/100)+( 1/80)]} -147 當 R L 10kΩ, 小訊號電壓增益 A {-(1/0.06) / [(1/10)+(1/10)+( 1/80)]} -318 建議 R L, 負載效應變得重要» 下一級的電阻必須很大 為了去減少負載效應
小訊號分析 : 主動負載電路 (5/8) 小訊號分析 : MOSFET 主動負載 電壓增益 主動負載電阻 R o r o 沒有相依交流源去刺激電路» sg1 sg 0 相依電流源是打開的 電壓的觀點與 sg 並不相關 相依電流源 g m sg 是開路 電端是連接在一起 R o 是 r o 與相依電流源並聯
小訊號分析 : 主動負載電路 (6/8) 電壓增益 就像是 BJT 放大器 主動負載造成增益 O gmgs( ro RL ro) gmi( ro RL ro) A / g ( r R r ) g /( g + g + g ) v O i m o L o m o L o g 0 和 g 0 是 M 0 與 M 的輸出電導 g L 是輸出電導 負載效應電壓增益 減少 輸出可能連接另一個 MOSFET 的閘極且效應的 R L 非常大
小訊號分析 : 主動負載電路 (7/8) 例題 10.13: 在圖 10.40(a) 中所示的放大器, 其電晶體參數為 λ n λ p 0.01-1 TN 1 K n 1mA/, 假設 M 1 及 M 是匹配且 REF 0.5mA 對於負載電阻 R L 或 100kΩ 時, 請計算小訊號電壓增益 解答 : M 1 和 M 匹配 O REF 與轉導»g m (K n REF ) 0.5 (1.5) 0.5 1.41 ma/ 小訊號電晶體電導»g o g o λ REF 0.01 0.5 0.005 ma/ 當 R L, 電壓增益»A v [-g m /(g o + g o )] [-1.41/(0.005+ 0.005)] -141 當 R L 100kΩ, 電壓增益»A v [-g m /(g o + g L +g o )] [-1.41/(0.005+0.01+ 0.005)] -70.5
小訊號分析 : 主動負載電路 (8/8) 建議 找出每個電晶體的電感 MOSEFT 具主動負載的放大器的 A > MOSFET 具電阻性負載的放大器的 A MOSFET 的 A < BJT 的 A» 對於 MOSFET 的電感較小