Basic FET Amplifier (1/2)

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Basic FET Amplifier (1/2)Basic FET Amplifier (1/2)

PreviewPreviewThe MOSFET AmplifierThe MOSFET AmplifierBasic Transistor Amplifier ConfigurationsBasic Transistor Amplifier ConfigurationsThe Common-Source AmplifierThe Common-Source AmplifierThe Source-Follower AmplifierThe Source-Follower AmplifierThe Common-Gate ConfigurationThe Common-Gate Configuration

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Basic FET Amplifier (2/2)Basic FET Amplifier (2/2)

The Three Basic Amplifier Configuration: The Three Basic Amplifier Configuration: Summary and ComparisonSummary and Comparison

Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Single-Stage Integrated Circuit MOSFET AmplifierAmplifier

Multistage AmplifiersMultistage AmplifiersBasic JEFT AmplifiersBasic JEFT Amplifiers

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PreviewPreview

考慮線性放大器考慮線性放大器雖雖 MOSFETMOSFET 以數位應用為主以數位應用為主三種單級三種單級 (( 單電晶體單電晶體 )FET)FET 放大器組態放大器組態

共源極、源極隨耦器、共閘極共源極、源極隨耦器、共閘極MOSFET ICMOSFET IC 放大器一般使用放大器一般使用 MOSFETMOSFET 負載元件負載元件 (( 增增強型或空乏型強型或空乏型 )) 取代電阻取代電阻

ICIC 中放大器常是串聯或串疊形成多級組態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合

簡短討論簡短討論 JFETJFET

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The MOSFET Amplifier (1/8)The MOSFET Amplifier (1/8)

前言前言小訊號：可線性化小訊號：可線性化 acac 等效電路等效電路

因而可使用重疊定理，所以可分開因而可使用重疊定理，所以可分開 dcdc 與與 acac 分析分析本節使用圖解技巧：本節使用圖解技巧： dcdc 負載線、負載線、 acac 負載線負載線發展線性電路的各種小訊號參數及相關的等發展線性電路的各種小訊號參數及相關的等效電路效電路

四種等效電路中最常用的是轉導放大器四種等效電路中最常用的是轉導放大器輸入電壓，輸出為電流輸入電壓，輸出為電流

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Graphical analysis, Load lines, and Small-siGraphical analysis, Load lines, and Small-signal parametersgnal parameters共源極及其特性曲線、負載線共源極及其特性曲線、負載線

負載線及負載線及 QQ 點與點與 vvGSGS 、、 VVDDDD 、、 RRDD 及及電晶體參數有關電晶體參數有關

為使輸出電壓為輸入之線性函數，為使輸出電壓為輸入之線性函數，電晶體需偏壓在飽和區電晶體需偏壓在飽和區

輸入弦波使輸入弦波使 vvGSGS 、、 iiDD 及及 vvDSDS 改變改變 vvii 往正往正 (( 負負 )) 增加增加 vvGSGS 增加增加 (( 減小減小 )) ，， QQ

點沿負載線上點沿負載線上 (( 下下 )) 移移較大較大 (( 小小 )i)iDD 及較及較小小 (( 大大 )v)vDSDS

一旦一旦 QQ 點建立則可發展點建立則可發展 vvgsgs 、、 iidd 及及 vvdsds 的的小訊號數學模型小訊號數學模型

為使為使 FETFET 當成線性放大器，電晶體需偏當成線性放大器，電晶體需偏壓在飽和區，即瞬間壓在飽和區，即瞬間 iiDD 及及 vvDSDS 需在飽和區需在飽和區

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Transistor parametersTransistor parameters

第一項為直流第一項為直流 (( 靜態靜態 )D)D 極電流極電流 IIDQDQ

第二項為時變第二項為時變 DD 極電流與訊號極電流與訊號 vvgsgs 線性相關線性相關第三項與訊號平方正比為不需要之諧波第三項與訊號平方正比為不需要之諧波 (( 非線性非線性 )) 失真失真

» 為使這些諧波最小，需，則第三項為使這些諧波最小，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，可分開小訊號則可忽略，因而具有線性，可分開 dcdc 及及 acac 小訊號小訊號 DD 極極 (( 輸出輸出 )) 電流與電流與 G-S(G-S( 輸入輸入 )) 電壓關係為轉導電壓關係為轉導 ggmm ，可視為，可視為電晶體之增益電晶體之增益

22

222

)(2)(])[(][)(

gsngsTNGSQnTNGSQn

gsTNGSQnTNgsGSQnTNGSnDgsi

vKvVVKVVKvVVKVvVKVvKivv

)(2 TNGSQgs VVv

gsmgsTNGSQnddDQD vgvVVKiiIi )(2,

2gsv

DQnTNGSQn

VvGS

D

gs

dm IKVVK

v

i

v

ig

GSQGS

2)(2const.

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The MOSFET Amplifier (4/8)The MOSFET Amplifier (4/8)飽和區飽和區 DD 極電流對極電流對 G-SG-S 電壓的關係如圖電壓的關係如圖

轉導即為斜率，當轉導即為斜率，當 vvgsgs 夠小，夠小， ggmm 為固定值為固定值QQ 在飽和區，電晶體為在飽和區，電晶體為 vvgsgs 線性控制之電流源線性控制之電流源QQ 點移至非飽和區時則不再是線性控制之電流源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轉導直接正比於導電參數 KKnn ，所以為，所以為 W/LW/L 之之函數，即增加電晶體寬度則增加轉導或增益函數，即增加電晶體寬度則增加轉導或增益

Example 6.1Example 6.1 ：求轉導：求轉導由公式先求由公式先求 KKnnggmm

轉導轉導 (( 即增益即增益 )) 比比 BJTBJT 來的小，但來的小，但 MOSFETMOSFET 有較高輸有較高輸入阻抗、尺寸小及低功率消耗之優點入阻抗、尺寸小及低功率消耗之優點

AC equivalent circuitAC equivalent circuit輸出電壓輸出電壓

DdDDQDDDdDQDDDDDDODS RiRIVRiIVRiVvv )()(

Dddso Rivv

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Small-signal equivalent circuitSmall-signal equivalent circuit假設訊號頻率夠低使得閘極電容可忽略，則閘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若偏壓在飽和區，考慮有限的輸出電阻

則則 iiDD 對對 vvDSDS 之斜率非零，關係為之斜率非零，關係為

)( ),( ),( DddsDddsgsmdgsmdigsigs RIVRivVgIvgiVVvv

)1()( 2DSTNGSnD vVvKi

112

const.

1

][])([

DQTNGSQn

VvDS

Do IVVK

v

ir

GSQGS

時變訊號之關係整理時變訊號之關係整理

acac 等效電路等效電路

稱為通道常數調變參數是正值稱為通道常數調變參數是正值»小訊號輸出阻抗小訊號輸出阻抗 rroo 亦為亦為 QQ 點參數之函數點參數之函數

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The MOSFET Amplifier (6/8)The MOSFET Amplifier (6/8)nn 通道之延伸小訊號等效電路通道之延伸小訊號等效電路

為轉導放大器為轉導放大器輸入為電壓、輸出為電流輸入為電壓、輸出為電流

將放大器等效電路放入電路中將放大器等效電路放入電路中Example 6.2Example 6.2 ：電壓增益：電壓增益

求求 QQ 點點 (( 約略不考慮約略不考慮及驗證及驗證 )) 小訊號參數小訊號參數 (g(gmm 、、 rroo) ) 逆推得逆推得 AAvv

MOSFETMOSFET 之轉導小，所以增益小。增益為負之轉導小，所以增益小。增益為負解題技巧：解題技巧： MOSFET ACMOSFET AC 分析分析

分析分析 dcdc ，將，將 acac 移去，線性放大需在飽和區移去，線性放大需在飽和區使用訊號模型畫出小訊號等效電路使用訊號模型畫出小訊號等效電路分析分析 acac ，將，將 dcdc 移去移去

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pp 通道電晶體：與通道電晶體：與 nn 通道類似通道類似VVDDDD 接在接在 SS 極，在極，在 MOSFET VMOSFET VDDDD 表電源表電源極性與極性與 nn 通道不同，所以符號亦異通道不同，所以符號亦異，增，增益亦為負益亦為負

若將小訊號若將小訊號 G-SG-S 極性反轉則電流亦反轉極性反轉則電流亦反轉而得與而得與 nn 通道相同之小訊號等效電路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但本書保留與電晶體電壓電流之相同極性

)||( , Domi

ovisg RrgV

VAVV

Modeling the body effectModeling the body effect本體效應發生在本體效應發生在 SS 極未接至基板極未接至基板 (( 本體本體 ))

NMOSNMOS 之本體接至電路之最負電位為訊號接地之本體接至電路之最負電位為訊號接地

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dc


簡化之簡化之 I-VI-V 關係及其門檻電壓關係及其門檻電壓

vvSBSB00 ，等於，等於 00 即無本體效應即無本體效應S-BS-B 若有若有 acac 成份則引發門檻電壓之成份則引發門檻電壓之 acac 成份而導致成份而導致 DD 極電流之極電流之 acac成份，所以有成份，所以有 B-GB-G 間之轉導間之轉導

考慮本體效應後之小訊號等效電路考慮本體效應後之小訊號等效電路小訊號小訊號 S-BS-B 間之極性間之極性

vvbsbs>0 >0 vvSBSB 下降下降 VVTNTN 下降下降 iiDD 增加增加即電流與電壓極性一致即電流與電壓極性一致

本書一般忽略本體效應本書一般忽略本體效應

]22[,)( 2fSBfTNOTNTNGSnD vVVVvKi

ac

ptQSB

D

ptQBS

Dmb v

i

v

ig

mm

SBf

TNGSn

ptQSB

TN

TN

D ggv

VvKv

V

V

i

)(]22

)][(2[

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Basic Transistor Amplifier Basic Transistor Amplifier ConfigurationsConfigurations

MOSFETMOSFET 的三種組態相對於的三種組態相對於 BJTBJT 的三種的三種共源極、共汲極共源極、共汲極 (( 源極隨耦器源極隨耦器 )) 及共閘級及共閘級

對應共射極、共集極對應共射極、共集極 ((射極隨耦器射極隨耦器 )) 及共基級及共基級輸入及輸出電阻特性對負載效應相當重要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，何種放大器較有用放大器較有用

起初討論以離散設計為主，以了解起初討論以離散設計為主，以了解 MOSFETMOSFET 之設之設計及特性。後面才考慮積體電路設計，其中牽涉計及特性。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到全電晶體電路及定電流源

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The Common-Source The Common-Source Amplifier(1/4)Amplifier(1/4)

A basic common-source configurationA basic common-source configuration假設飽和且訊號頻率夠高使耦合電容為短路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為了最大的輸出電壓擺幅及偏壓在飽和區QQ 點儘量近飽和區中間點儘量近飽和區中間輸入夠小使電晶體保持線性輸入夠小使電晶體保持線性

輸入阻抗及輸出阻抗輸入阻抗及輸出阻抗低頻時看入低頻時看入 GG 之輸入電阻無限大，之輸入電阻無限大，所以輸入電阻為偏壓電阻之函數所以輸入電阻為偏壓電阻之函數

輸出阻抗由設定輸出阻抗由設定 VVii(V(Vgsgs)=0)=0 求得求得 (( 或直觀或直觀 ))

))(||(

))(||(

)||(

Sii

iDom

i

iSii

iDom

i

Dogsm

i

ov

RR

RRrg

V

VRRR

Rrg

V

RrVg

V

VA

21 || RRRi oDo rRR ||

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Example 6.3Example 6.3 ：增益及阻抗：增益及阻抗DCDC 分析驗證分析驗證等效電路、等效電路、 ggmm 及及 rroo輸入及輸出阻抗輸入及輸出阻抗逆推得增益逆推得增益

QQ 點在負載線中間，非在飽和區中間，點在負載線中間，非在飽和區中間，未得最大擺幅未得最大擺幅

Example 6.4Example 6.4 ：使：使 QQ 點在飽和區中間點在飽和區中間IIDQDQ過渡點電流過渡點電流 VVGStGStVVDStDSt

VVDSQDSQ=(V=(VDStDSt+V+VDDDD)/2)/2RRDD；；IIDQDQVVGSQGSQ(R(Rii))RR11RR22；；IIDQDQ g gmm 及及 rrooAAvv

若電路含旁路或負載電容則若電路含旁路或負載電容則acac 負載線會疊在負載線會疊在 QQ 點上，此時點上，此時QQ 點在飽和區中間並非可得點在飽和區中間並非可得最大對稱擺幅最大對稱擺幅

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Common-source amplifier with source resistorCommon-source amplifier with source resistor與與 BJTBJT 類似，類似， RRSS 可穩定可穩定 QQ 點以對抗電點以對抗電晶體參數之變化，但也降低增益晶體參數之變化，但也降低增益

如圖電路，一般本體會接至最低電如圖電路，一般本體會接至最低電壓壓 -5 V-5 V 而產生本體效應，但在此忽略而產生本體效應，但在此忽略

Example 6.5Example 6.5 ：增益：增益DCDC 分析分析小訊號參數及模型小訊號參數及模型逆推逆推

因因 ggmm 不大，所以上式之近似誤差大不大，所以上式之近似誤差大KKnn 改變改變 20%20% ，， ggmm明顯改變，明顯改變， AAvv 改變改變 9.5%(9.5%( 不小了不小了 )) S

D

Sm

Dm

i

Sm

iDm

i

Dgsm

i

ov

Sm

igsSgsmgsi R

R

Rg

Rg

V

RgV

Rg

V

RVg

V

VA

Rg

VVRVgVV

1

)1

(

1

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Common-source circuit with Common-source circuit with source bypass capacitorsource bypass capacitor源極旁路電容可最小化電壓增益源極旁路電容可最小化電壓增益的損失且仍保持的損失且仍保持 QQ 點的穩定點的穩定使用定電流源取代源極電阻可進一步穩定使用定電流源取代源極電阻可進一步穩定 QQ 點點若訊號頻率夠高則旁路電容本質上為短路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源極保持在訊號接地Example 6.6Example 6.6 ：增益：增益

DCDC 分析驗證分析驗證小訊號參數模型小訊號參數模型

因有源極旁路電容，所以增益增加因有源極旁路電容，所以增益增加

Dmi

Dgsm

i

ov Rg

V

RVg

V

VA

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The Source-Follower The Source-Follower Amplifier(1/3)Amplifier(1/3)

共汲極又稱源極隨耦器共汲極又稱源極隨耦器輸出在輸出在 SS ，， DD 接接 VVDDDD 為訊號接地為訊號接地

Small-signal voltage gainSmall-signal voltage gain小訊號等效電路小訊號等效電路 ((口訣：左進右出口訣：左進右出 comcom 在下在下 ))

VVinin 與與 VVgsgs 的關係的關係» 明心見性求分壓明心見性求分壓 VVgsgs ：電流源：電流源開路，開路， G-SG-S 有有 ((虛虛 )) 電阻電阻 1/g1/gmm ，，整理後整理後 VVgsgs 分分 11 份，份， VVoo 分分ggmm(R(RSS||r||roo)) 份，因從圖上亦可看份，因從圖上亦可看出出 VVoo= g= gmm(R(RSS||r||roo)V)Vgsgs

電壓增益小於電壓增益小於 11 ，類似，類似 BJTBJT射極隨耦器射極隨耦器

iSi

i

oSm

oSm

i

iRRR

rRgoSm

i

inrRgoSm

i

oSgsm

i

ov

RR

R

rRg

rRg

V

VrRg

V

VrRg

V

rRVg

V

VA

iSi

i

oSm

oSm

)||(1

)||()||(

)||()||(

)||(11

)||(11

)||( oSgsmgsin rRVgVV

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Example 6.7Example 6.7 ：增益：增益DCDC 分析分析小訊號參數模型小訊號參數模型 RRii 逆推逆推 AAvv

增益為正且略小於增益為正且略小於 11 ，所以稱為源極隨耦器，所以稱為源極隨耦器增益公式同增益公式同 BJTBJT射極隨耦器，但射極隨耦器，但 BJTBJT 的轉導較的轉導較 MOSFETMOSFET 大，所以大，所以 BJTBJT 較接較接近近 11

雖增益小於雖增益小於 11 ，但因輸出阻抗比共源極小可當理想，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電壓源，在驅動負載電路時可免負載效應

Example 6.8Example 6.8 ：設計：設計 pp 通道增強型通道增強型歐姆定律歐姆定律 RRSS；； AAvvggmmKKppW/LW/L；；繼續繼續 dcdc 分析分析 (( 電流公式電流公式 ))VVSGQSGQVVGG(R(Rii))RR11RR22

需大轉導則需大電晶體，若負載效應降低需大轉導則需大電晶體，若負載效應降低 (( 即大即大 RRii)) ，則，則 ggmm 可降低可降低((見見 AAvv)) ，即可降低需求尺寸可降低，即可降低需求尺寸可降低

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Input and output impedanceInput and output impedance輸入阻抗同共源極輸入阻抗同共源極輸出阻抗輸出阻抗

KCLKCL ( ( 因無輸入電流，所以輸入端無壓降則因無輸入電流，所以輸入端無壓降則 )) VVgsgs跨在跨在 ggmmVVgsgs(( 即有此電流即有此電流 )) ，所以得有效電阻，所以得有效電阻 1/g1/gmm

明心見性：電流源開路，明心見性：電流源開路， SS看到看到 SS 對地電阻對地電阻 1/g1/gmm ，所以輸出電，所以輸出電阻為三個電阻並聯阻為三個電阻並聯

Example 6.9Example 6.9 ：輸出電阻：輸出電阻明心見性：眼觀鼻、鼻觀心、心觀一切明心見性：眼觀鼻、鼻觀心、心觀一切輸出電阻由轉導參數所主導輸出電阻由轉導參數所主導

oSgo rRRm

||||1

o

x

S

xgsmx r

V

R

VVgI

)11

(oS

mxx rRgVI xgs VV oSgo rRR

m||||1

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The Common-Gate The Common-Gate Configuration (1/2)Configuration (1/2)

Small-signal voltage and current gainsSmall-signal voltage and current gains輸入在輸入在 SS ，， GG 為訊號接地為訊號接地

以定電流源偏壓，以定電流源偏壓， RRGG避免閘極避免閘極靜電荷纍積，靜電荷纍積， CCGG確保閘極在訊號接地確保閘極在訊號接地

小訊號等效電路小訊號等效電路口訣：左進右出口訣：左進右出 comcom 在下在下

» VVii 與與 VVgsgs 的關係的關係» 明心見性：電流源開路，明心見性：電流源開路， SS看到看到 SS 對地電阻對地電阻 1/g1/gmm ，再求分壓，再求分壓» 增益為正，所以輸出輸入同相增益為正，所以輸出輸入同相

Sim

LDm

i

RgiLDm

i

LDgsm

i

ov Rg

RRg

V

VRRg

V

RRVg

V

VA Sim

1

)||())()(||()||( 11

gsSigsmgsSiii VRVgVRIV

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The Common-Gate The Common-Gate Configuration (2/2)Configuration (2/2)

電流增益：輸入為諾頓等效電路電流增益：輸入為諾頓等效電路 (( 下圖下圖 ))

IIii 與與 VVgsgs 的關係：由的關係：由 KCLKCL» 明心見性：電流源開路，明心見性：電流源開路， SS看到看到 SS 對地電阻對地電阻 1/g1/gmm ，則，則

若若 RRDD>>R>>RLL 及及 ggmmRRSiSi>>1>>1 則電流增益為則電流增益為 11 ，同，同 BJTBJT 共基極電路共基極電路Input and output impedanceInput and output impedance

明心見性：明心見性： RRii= 1/g= 1/gmm；； RRoo=R=RDD

Example 6.10Example 6.10 ：輸入電流求輸出電壓：輸入電流求輸出電壓 ggmm 逆推或順推逆推或順推

)1

)((

)1

||)()(()(

Sim

Sim

LD

D

i

mSii

LD

Dm

i

LD

Dgsm

i

oi Rg

Rg

RR

R

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RRR

g

I

RRR

Vg

I

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0Si

gsgsmi R

VVgI

)1

||(m

Siisggs gRIVV

)||)(1

1

( LD

mSi

mio RR

gR

gIV

DQnm IKg 2

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The Three Basic Amp. Config.: SThe Three Basic Amp. Config.: Summary and Comparisonummary and Comparison

因共源極及源極隨耦器之輸入為閘極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，所以輸入電阻為閘極看入電阻無限大，所以輸入電阻為 RRTHTH反之，共閘極之輸入電阻就僅幾百歐姆反之，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源極隨耦器之輸出電阻僅幾百歐姆但共源極及共閘極但共源極及共閘極 (( 輸出在汲極輸出在汲極 )) 則受則受 RRDD主導主導

明心見性：電流源開路明心見性：電流源開路 (( 用在用在 VVgsgs 不為不為 00 時時 ))SS看入，看入， SS 對地有電阻對地有電阻 1/g1/gmm用在求電阻或分流用在求電阻或分流GG看入，看入， G-SG-S 有一虛電阻有一虛電阻 1/g1/gmm僅用在求分壓僅用在求分壓

VVgsgs 分到分到 11 份，另一部分份，另一部分 (( 其等效電阻其等效電阻 R)R) 分到分到 ggmmRR 份份

因 S看入得1/gm很小

因 S看入得1/gm很小

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Single-Stage Integrated Circuit Single-Stage Integrated Circuit MOSFET Amplifier (1/7)MOSFET Amplifier (1/7)

上一章三種全上一章三種全 MOSFETMOSFET 反相器反相器驅動器電晶體：驅動器電晶體： nn 通道增強型元件通道增強型元件負載元件稱為主動負載：負載元件稱為主動負載： nn 通道增強型元通道增強型元件、件、 nn 通道空乏型元件、通道空乏型元件、 pp 通道增強型元通道增強型元件件

NMOS amplifier with enhancement loadNMOS amplifier with enhancement loadNMOSNMOS 增強型負載電晶體增強型負載電晶體使用增強型負載使用增強型負載 NMOSNMOS 放大器放大器

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負載線為負載元件負載線為負載元件 i-vi-v 特性曲線之鏡像特性曲線之鏡像仍為非線性。交電壓軸於仍為非線性。交電壓軸於 VVDDDD-V-VTNLTNL ，此點增強型負載無電流，此點增強型負載無電流

電壓轉換特性電壓轉換特性增強型驅動器剛導通時在飽和區增強型驅動器剛導通時在飽和區

» 當放大器使用時，當放大器使用時， QQ 點需在此區點需在此區小訊號等效電路小訊號等效電路

負載電晶體負載電晶體DD 與與 GG 同點，同點， SS 接接 MMDD 之之 DDSS看入之等效電阻為看入之等效電阻為 S-DS-D 間之間之 rroo ，與取代電流源之，與取代電流源之 SS 對地電阻對地電阻 1/g1/gmm並聯，並聯，所以所以 MMLL 由此兩電阻組成由此兩電阻組成

電壓增益可直接看出電壓增益可直接看出

若若 1/g1/gmLmL<<r<<roLoL 及及 1/g1/gmDmD<<r<<roDoD 則近似得則近似得 )||1

||(

)||1

||(

oLmL

oDmDgs

oLmL

oDgsmD

i

ov r

grg

V

rg

rVg

V

VA

L

D

nL

nD

mL

mDv LW

LW

K

K

g

gA

)/(

)/(

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Example 6.11Example 6.11 ：設計具某增益之電晶體，：設計具某增益之電晶體，並使並使 QQ 點在飽和區中間點在飽和區中間由約略增益由約略增益 W/LW/L 比比 ((已知已知 (W/L)(W/L)LL)) (W/ (W/

L)L)DDKKnDnD 及及 KKnLnL

過渡點時過渡點時 VVDSDtDSDt=V=VGSDtGSDt-V-VTNDTND ，再利用飽和，再利用飽和 IIDD=I=ILLVVGSDtGSDtVVDSDtDSDt ，關閉時，關閉時 VVDD

SDoSDo

=V =VDDDD-V-VTNLTNLVVDSDQDSDQ=(V=(VDSDtDSDt+V+VGSDoGSDo)/2)/2NMOS amplifier with depletion loadNMOS amplifier with depletion loadVVTNLTNL 為負，則過渡點之為負，則過渡點之 vvDSDS 為正為正

因過渡點時因過渡點時 vvDSDS

=v=vDSDS(sat)=v(sat)=vGSGS-V-VTNLTNL

=0-V=0-VTNLTNL

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NMOSNMOS 空乏負載放大器空乏負載放大器負載線為負載元件負載線為負載元件 i-vi-v特性曲線之鏡像特性曲線之鏡像仍為非線性仍為非線性

AA 為為 MMDD 之過渡點，之過渡點，BB 為為 MMLL 之過渡點，之過渡點， QQ 點近兩過渡點中間點近兩過渡點中間

MMDD 及及 MMLL皆需偏壓在飽和區即在第皆需偏壓在飽和區即在第 IIIIII 區區VVGSDQGSDQ 偏壓偏壓 MMDD 在飽和區之在飽和區之 QQ 點，訊號點，訊號 vvii 重疊弦重疊弦波的波的 G-SG-S 電壓在電壓在 dcdc 上使偏壓點在上使偏壓點在 QQ 點附近沿負載線移動點附近沿負載線移動

)||( oLoDmDi

ov rrgV

VA

小訊號等效電路小訊號等效電路G-SG-S 短路即短路即 vvGSGS=0=0 所以相依電流為零所以相依電流為零

即開路，所以即開路，所以 SS 看入負載僅有看入負載僅有 rroo

»與兩電晶體之輸出電阻成正比與兩電晶體之輸出電阻成正比

6-27/36


Example 6.12Example 6.12 ：求增益：求增益由已知參數由已知參數小訊號參數小訊號參數 (g(gmDmD 、、 rroDoD 及及 rroLoL)) 及模型及模型逆推逆推得得 AAvv

增益明顯大於增強型負載增益明顯大於增強型負載因少並聯一個因少並聯一個 1/g1/gmm 之電阻，所以輸出電阻值較大之電阻，所以輸出電阻值較大

需兩電晶體偏壓在飽和區需兩電晶體偏壓在飽和區 (( 第第 IIIIII 區區 )) ，但因此區很陡，但因此區很陡(( 即兩過渡點很近即兩過渡點很近 )) ，所以適合用電流源偏壓，所以適合用電流源偏壓

NMOS amplifier with PMOS loadNMOS amplifier with PMOS loadCommon-source amplifierCommon-source amplifier

CMOSCMOS 放大器放大器nn 通道增強型驅動器及通道增強型驅動器及 pp 通道增強型主動負載通道增強型主動負載pp 通道主動負載通道主動負載 MM22 偏壓自偏壓自MM33 及及 IIBiasBias(( 因因 GG11 同同 GG22 、、 SS11 同同 SS22))

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MM22 的的 i-vi-v 曲線曲線 (D(D 未接未接 GG ，不一定飽和，不一定飽和 ))因因 MM33 之故，之故， vvSG2SG2=V=VSGSG 固定固定

AA 為為 MM11 之過渡點，之過渡點， BB 為為 MM22

之過渡點，建立放大器的之過渡點，建立放大器的 QQ 點近兩點近兩過渡點中間使過渡點中間使 MM22 及及 MM33皆在飽和區皆在飽和區

無本體效應：無本體效應： MM11 本體接地本體接地 (( 最低電壓最低電壓 )) 同同 SS

極，極， MM22 之本體接至之本體接至 VVDDDD(( 最高電壓最高電壓 ) ) 亦同亦同 SS 極極小訊號電壓增益小訊號電壓增益

電壓增益亦與兩電晶體之輸出電阻成正比電壓增益亦與兩電晶體之輸出電阻成正比因受因受MM33影響，影響， vvSG2SG2=v=vSG1SG1 為固定為固定 (( 因因 iiD3D3=I=Ibiasbias 為為定值定值 )) ，即，即 vvsg2sg2=0=0 ，所以由，所以由 MM22 之之 SS看入之電阻看入之電阻僅僅 rropop

除除 G-DG-D 相連的外，一般負載電晶體之電阻為相連的外，一般負載電晶體之電阻為 rroo


)||( oponmni

ov rrgV

VA

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Example 6.13Example 6.13作法同作法同 example 6.12example 6.12增益與使用空乏型負載之增益與使用空乏型負載之 NMOSNMOS 同級，同級，但但 CMOSCMOS 無本體效應無本體效應

MM11 之之 QQ 點不易建立，需使用電流源偏壓點不易建立，需使用電流源偏壓以後章節才介紹以後章節才介紹

CMOS source-follower and common-gate amplifiersCMOS source-follower and common-gate amplifiersCMOS source-follower(CCMOS source-follower(C 可能來自電流源可能來自電流源 ))

主動負載為主動負載為 nn 通道元件而非通道元件而非 pp 通道元件通道元件輸入在輸入在 MM11 之閘級，輸出在源極之閘級，輸出在源極

CMOSCMOS 共閘級放大器：主動負載為共閘級放大器：主動負載為 pp 通道通道元件。輸入在元件。輸入在 MM11 之之 SS 級，輸出在級，輸出在 DD 極極

此兩種電路皆需考慮本體效應因此兩種電路皆需考慮本體效應因 MM11 之之本體接至最負電壓與本體接至最負電壓與 SS 極不同電位極不同電位

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Multistage Amplifiers (1/4)Multistage Amplifiers (1/4)

前言前言很多應用非單一個電晶體放大器可以達到特定放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得到的

串接：可增加電壓增益或使輸出電阻很低但卻有串接：可增加電壓增益或使輸出電阻很低但卻有大於大於 11 之電壓增益之電壓增益整體電壓或電流增益一般整體電壓或電流增益一般非僅各別放大因素之乘積，非僅各別放大因素之乘積，即需考慮負載效應即需考慮負載效應

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Multistage Amplifiers (2/4)Multistage Amplifiers (2/4)

DC analysisDC analysis共源極串接源極隨耦器共源極串接源極隨耦器

共源極提供小訊號電壓增益共源極提供小訊號電壓增益源極隨耦器具有低輸出阻抗源極隨耦器具有低輸出阻抗

Example 6.14Example 6.14 ：設計使符合規格：設計使符合規格已知電晶體參數、已知電晶體參數、 QQ 點、點、 RRii 及及 RRSiSi(( 未用未用 ))

歐姆定律歐姆定律 RRS2S2 及及 VVS2S2；假設；假設 MM22 飽和飽和 VVGS2GS2VVD1D1=V=VG2G2VVS1S1((歐姆定律歐姆定律 ))RRD1D1 及及 RRS1S1；假設；假設 MM11 飽和飽和VVGS1GS1VVG1G1((配合配合 RRii))RR11 及及 RR22

兩電晶體皆需在飽和兩電晶體皆需在飽和 (( 在此未驗證在此未驗證 ))

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Multistage Amplifiers (3/4)Multistage Amplifiers (3/4)串疊串疊 nn 通道通道 MOSFETMOSFET

MM11 共源極，共源極， MM22 共閘極共閘極此電路具較高之頻率響應此電路具較高之頻率響應

Example 6.15Example 6.15 ：設計使符合規格：設計使符合規格已知電晶體參數、已知電晶體參數、 QQ 點、點、 RR11+R+R22+R+R33 及及 RRSS

兩電晶體相同且兩電晶體相同且 IIDD 相同，假設飽和相同，假設飽和 VVGSGS

RRSSVVS1S1VVG1G1 及及 VVD1D1=V=VS2S2RR33 、、 VVG2G2 及及 VVD2D2

RR22 及及 RRDDRR11

VVDSDS=2.5>V=2.5>VGSGS-V-VTNTN=0.71=0.71每個電晶體皆飽和每個電晶體皆飽和Small-signal analysisSmall-signal analysis假設所有外部電容為短路假設所有外部電容為短路

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Multistage Amplifiers (4/4)Multistage Amplifiers (4/4)Example 6.16Example 6.16 ：求增益：求增益 (( 先求兩轉導再逆推先求兩轉導再逆推 ))

源極隨耦器增益略小於源極隨耦器增益略小於 11 ，所以整體增益源於共源，所以整體增益源於共源極之輸入極極之輸入極

源極隨耦器輸出電阻小，源極隨耦器輸出電阻小，在很多應用上是需要的在很多應用上是需要的

21

21

22

1221

22

1221

11122

22

2222222

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RRR

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RR

R

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RRRgg

RVgRRg

RRg

RRgVRRgRRVgV

SiLSm

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i

ovi

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i

LSm

DLSmm

DgsmLSm

LSm

LSmRLSmLSgsmo D

Dmgs

Dgsm

i

ov Rg

V

RVg

V

VA 1

1

11

Example 6.17Example 6.17 ：求增益：求增益

MM22 當做一個電流隨耦器，將電流當做一個電流隨耦器，將電流傳至它的傳至它的 DD 極極

整體增益與單一級的共源極放大器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一樣，共閘極之加入主要增加頻寬 (( 下章討論下章討論 ))

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Basic JFET Amplifiers (1/3)Basic JFET Amplifiers (1/3)Small-signal equivalent circuitSmall-signal equivalent circuit

瞬間的瞬間的 G-SG-S 電壓電壓假設飽和假設飽和

第一項為直流第一項為直流 (( 靜態靜態 )D)D 極電流極電流 IIDQDQ

第二項為時變第二項為時變 DD 極電流與訊號極電流與訊號 vvgsgs 線性相關線性相關第三項與訊號平方正比第三項與訊號平方正比

» 同同 MOSFETMOSFET 在輸出電流產生非線性失真在輸出電流產生非線性失真» 為使失真最小，需加入之條件，為使失真最小，需加入之條件，此為滿足此為滿足 JFETJFET 放大器為線性之小訊號條件放大器為線性之小訊號條件

忽略，則忽略，則小訊號小訊號 DD 極電流對極電流對 G-SG-S 之電壓關係為轉導之電壓關係為轉導

» 不論不論 nn 通道或通道或 pp 通道通道» nn 通道通道 VVPP 為負，為負， ggmm 為正；為正； pp 通道通道 VVPP 為正，為正， ggmm 為負為負 (( 若表為若表為 iidd==

ggmmvvsgsg ，則，則 ggmm 為正為正 )) 。與。與 IIDSSDSS 成正比，所以為成正比，所以為 W/LW/L 之函數之函數

gsGSQiGSGS vVvVv 22

22

)())(1(2)1()()1(1P

gsDSS

P

gs

P

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P

GSDSS

P

gs

P

GSDSS

P

GSDSSD V

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V

V

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GSDSSdDQD vgi

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V

VI

V

VIiIi ))(1(2)1( 2

)1)(2

(P

GS

P

DSSm V

V

V

Ig

6-35/36

Basic JFET Amplifiers (2/3)Basic JFET Amplifiers (2/3)考慮飽和區考慮飽和區 JFETJFET 之有限輸出阻抗之有限輸出阻抗

nn 通道通道 JFETJFET 之小訊號等效電路之小訊號等效電路與與 nn 通道之通道之 MOSFETMOSFET 相同相同pp 通道通道 JFETJFET 與與 pp 通道之通道之 MOSFETMOSFET 相同相同

Small-signal analysisSmall-signal analysis與與 MOSFETMOSFET 之分析方式相同之分析方式相同Example 6.18Example 6.18 ：增益：增益

列等式，列等式， VVGSQGSQ=V=VGG-V-VSS ，， VVSS

表為表為 IIDQDQ I IDQDQVVGSQGSQ 小訊號小訊號等效電路及參數等效電路及參數逆推增益逆推增益

112

const.

1

2 ][])1([)1()1(

DQP

GSDSS

vDS

DoDS

P

GSDSSD I

V

VI

v

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V

VIi

GS

6-36/36

Basic JFET Amplifiers (3/3)Basic JFET Amplifiers (3/3)電壓增益大小與電壓增益大小與 MOSFETMOSFET 同一等級同一等級

Example 6.19Example 6.19 ：設計源極隨耦器：設計源極隨耦器已知電晶體參數、最小電壓增益及已知電晶體參數、最小電壓增益及

ggmm 求求 IIDQDQ 、、 RRSS 及及 rroo

由由 ggmmVVGSGSIIDQDQRRSS((歐姆定律歐姆定律 )) 及及 rroo

增益增益

代入數據得代入數據得 0.9020.902 合乎最小電壓增益之要求合乎最小電壓增益之要求在在 JFETJFET ，若把可得與，若把可得與 MOSFETMOSFET 相同之表示法相同之表示法

)||||(1

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oLSm

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Basic FET Amplifier (1/2)

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