共源級放大器的偏置電路設計
一個合適的偏置電路設計是放大器工作的前提,偏置電路需要使MOSFET工作在飽和區(qū)。如圖圖1,這是一個MOSFET放大器的最基本電路。
① 電阻分壓偏置電路
圖2是一個最簡單常見的偏置電路的設計,對比圖1有很多不用,首先柵極沒有了偏置直流電源,多了好幾個電阻,多了一個電容,這些器件都有什么用呢?
圖1中的供電設計是復雜的,需要兩種電源才能使放大器工作,這個是我們不希望的,所以圖2中利用電阻的分壓電路,使VDD分一部分電壓給柵極提供偏置電壓,大小為VDD*R2/(R1+R2)。這樣整個系統(tǒng)就可以只用一個供電單元來提供電壓,簡化了設計。所以R1,R2的作用是分壓,為MOSFET提供柵極開啟電壓。
圖2 中的R0為小信號源的內阻,這個內阻在實際電路設計中是必須要考慮的,比如要放大的信號時麥克風信號,那R0就表示麥克風的內阻。圖2 中的C0為一個隔直電容,作用是防止前級直流信號對后級偏置電壓的影響。只有交流信號能夠通過后級電路進行放大。
但是電容對于MOSFET器件來說是一個非常大的器件,增加一個電容會占用芯片很大一塊位置,所以盡量避免使用電容,如圖圖3有兩級放大電路,如果前一級的輸出Vx的直流部分正好可以作為后級的直流偏置,則不需要加電容和分壓電阻。
選擇合適的R0,R1,RD才能使MOSFET工作在飽和區(qū),使其具有放大作用。下期講介紹一個實際的例子來說明這些電阻應該如何選取,大概的量級是多少。
② 自偏置電路
圖4是一個自偏置電路的設計,此時,通過RF的電流為零,RF兩邊的電壓相等,MOSFET的漏極電壓和柵極電壓相等,都等于VDD-I_D * R_D。
自偏置電路的好處是它對MOSFET的截止電壓的敏感性弱,因為工藝的公差會導致兩片晶圓片的閾值電壓不可能完全相等,比如晶圓片A的閾值電壓為V_TH,A,晶圓片B的閾值電壓為V_TH,B;
如下圖圖5,如果用電阻分壓方法來提供柵極的偏置電壓,則相同的V_GS在兩個晶圓片上得到的漏極電流是不同的,這就會導致兩片晶圓片做出來的放大器的放大倍數(shù)不相同。
但如果用圖4的自偏壓電路,V_TH上升會導致I_D下降,I_D下降會導致V_{GS}上升,V_{GS}上升又會導致I_D上升,這個電路有個自反饋的過程在,所以他對V_TH的變化敏感性不高,在一定程度上晶圓片的公差不過過大的影響放大器的性能。
共源級放大電路的偏置部分就介紹這兩種,其他種類的偏置電路大同小異。
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