共源级放大电路的偏置设计 共源级放大电路的小信号分析
前几期的内容介绍了mosfet的结构、电学特性、电路模型，这些都是分析mosfet放大电路的基础。介绍了mosfet放大器一般有三种类型即三种拓扑结构，从本期开始我将详细介绍每一种mosfet放大电路的特性。
本期内容：
共源级放大电路的偏置设计
共源级放大电路的小信号分析
1、共源级放大器的偏置电路设计
fig. 1
一个合适的偏置电路设计是放大器工作的前提，偏置电路需要使mosfet工作在饱和区。如图fig. 1，这是一个前几期讲过的mosfet放大器的最基本电路。
① 电阻分压偏置电路
fig. 2是一个最简单常见的偏置电路的设计，对比fig. 1有很多不用，首先栅极没有了偏置直流电源，多了好几个电阻，多了一个电容，这些器件都有什么用呢?
fig. 2
fig. 1中的供电设计是复杂的，需要两种电源才能使放大器工作，这个是我们不希望的，所以fig. 2中利用电阻的分压电路，使vdd分一部分电压给栅极提供偏置电压，大小为vdd*r2/(r1+r2)。这样整个系统就可以只用一个供电单元来提供电压，简化了设计。所以r1，r2的作用是分压，为mosfet提供栅极开启电压。fig. 2 中的r0为小信号源的内阻，这个内阻在实际电路设计中是必须要考虑的，比如要放大的信号时麦克风信号，那r0就表示麦克风的内阻。fig. 2 中的c0为一个隔直电容，作用是防止前级直流信号对后级偏置电压的影响。只有交流信号能够通过后级电路进行放大。但是电容对于mosfet器件来说是一个非常大的器件，增加一个电容会占用芯片很大一块位置，所以尽量避免使用电容，如图fig. 3有两级放大电路，如果前一级的输出vx的直流部分正好可以作为后级的直流偏置，则不需要加电容和分压电阻。
fig. 3
选择合适的r0，r1，rd才能使mosfet工作在饱和区，使其具有放大作用。下期讲介绍一个实际的例子来说明这些电阻应该如何选取，大概的量级是多少。
② 自偏置电路
fig. 4是一个自偏置电路的设计，此时，通过rf的电流为零，rf两边的电压相等，mosfet的漏极电压和栅极电压相等，都等于vdd-i_d * r_d。
fig. 4
自偏置电路的好处是它对mosfet的截止电压的敏感性弱，因为工艺的公差会导致两片晶圆片的阈值电压不可能完全相等，比如晶圆片a的阈值电压为v_th，a，晶圆片b的阈值电压为v_th，b，如下图fig. 5，如果用电阻分压方法来提供栅极的偏置电压，则相同的v_gs在两个晶圆片上得到的漏极电流是不同的，这就会导致两片晶圆片做出来的放大器的放大倍数不相同。
fig. 5
但如果用fig. 4的自偏压电路，v_th上升会导致i_d下降，i_d下降会导致v_{gs}上升，v_{gs}上升又会导致i_d上升，这个电路有个自反馈的过程在，所以他对v_th的变化敏感性不高，在一定程度上晶圆片的公差不过过大的影响放大器的性能。
共源级放大电路的偏置部分就介绍这两种，其他种类的偏置电路大同小异。
2、共源级放大电路的小信号分析
放大电路的小信号分析主要考虑三个参数，放大倍数、输入阻抗和输出阻抗，这三个参数直接影响实际电路中的小信号放大倍数。我们以电阻分压偏置电路fig. 2为例进行计算这三个参数。这里主要运用mosfet的小信号电路模型和输入阻抗和输出阻抗的概念。
fig. 6
如图fig. 6，为电阻分压偏置电路的小信号电路模型，这里只是将lec 9 中的模型替换了mosfet器件，是不是超级简单。通过这个电路图可以求出：
从这个式子可以看出要使放大倍数提高，需要r1||r2远大于r0。这也是偏置电路设计时需要注意的一点。
总结一下：偏置电路是设计是为了放大器能够正常工作，使mosfet工作在饱和区，同时引入的器件如电阻也会影响mosfet的放大倍数。然后利用小信号模型求出具体的放大倍数，输入输出阻抗这三个变量。
下期讲介绍一个实际的例子，一起感受下mosfet放大电路中每个器件的值大概在什么量级。
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本期内容：
共源级放大电路的偏置设计
共源级放大电路的小信号分析
1、共源级放大器的偏置电路设计
fig. 1
一个合适的偏置电路设计是放大器工作的前提，偏置电路需要使mosfet工作在饱和区。如图fig. 1，这是一个前几期讲过的mosfet放大器的最基本电路。
① 电阻分压偏置电路
fig. 2是一个最简单常见的偏置电路的设计，对比fig. 1有很多不用，首先栅极没有了偏置直流电源，多了好几个电阻，多了一个电容，这些器件都有什么用呢?
fig. 2
fig. 1中的供电设计是复杂的，需要两种电源才能使放大器工作，这个是我们不希望的，所以fig. 2中利用电阻的分压电路，使vdd分一部分电压给栅极提供偏置电压，大小为vdd*r2/(r1+r2)。这样整个系统就可以只用一个供电单元来提供电压，简化了设计。所以r1，r2的作用是分压，为mosfet提供栅极开启电压。fig. 2 中的r0为小信号源的内阻，这个内阻在实际电路设计中是必须要考虑的，比如要放大的信号时麦克风信号，那r0就表示麦克风的内阻。fig. 2 中的c0为一个隔直电容，作用是防止前级直流信号对后级偏置电压的影响。只有交流信号能够通过后级电路进行放大。但是电容对于mosfet器件来说是一个非常大的器件，增加一个电容会占用芯片很大一块位置，所以尽量避免使用电容，如图fig. 3有两级放大电路，如果前一级的输出vx的直流部分正好可以作为后级的直流偏置，则不需要加电容和分压电阻。
fig. 3
选择合适的r0，r1，rd才能使mosfet工作在饱和区，使其具有放大作用。下期讲介绍一个实际的例子来说明这些电阻应该如何选取，大概的量级是多少。
② 自偏置电路
fig. 4是一个自偏置电路的设计，此时，通过rf的电流为零，rf两边的电压相等，mosfet的漏极电压和栅极电压相等，都等于vdd-i_d * r_d。
fig. 4
自偏置电路的好处是它对mosfet的截止电压的敏感性弱，因为工艺的公差会导致两片晶圆片的阈值电压不可能完全相等，比如晶圆片a的阈值电压为v_th，a，晶圆片b的阈值电压为v_th，b，如下图fig. 5，如果用电阻分压方法来提供栅极的偏置电压，则相同的v_gs在两个晶圆片上得到的漏极电流是不同的，这就会导致两片晶圆片做出来的放大器的放大倍数不相同。
fig. 5
但如果用fig. 4的自偏压电路，v_th上升会导致i_d下降，i_d下降会导致v_{gs}上升，v_{gs}上升又会导致i_d上升，这个电路有个自反馈的过程在，所以他对v_th的变化敏感性不高，在一定程度上晶圆片的公差不过过大的影响放大器的性能。
共源级放大电路的偏置部分就介绍这两种，其他种类的偏置电路大同小异。
2、共源级放大电路的小信号分析
放大电路的小信号分析主要考虑三个参数，放大倍数、输入阻抗和输出阻抗，这三个参数直接影响实际电路中的小信号放大倍数。我们以电阻分压偏置电路fig. 2为例进行计算这三个参数。这里主要运用mosfet的小信号电路模型和输入阻抗和输出阻抗的概念。
fig. 6
如图fig. 6，为电阻分压偏置电路的小信号电路模型，这里只是将lec 9 中的模型替换了mosfet器件，是不是超级简单。通过这个电路图可以求出：
从这个式子可以看出要使放大倍数提高，需要r1||r2远大于r0。这也是偏置电路设计时需要注意的一点。
总结一下：偏置电路是设计是为了放大器能够正常工作，使mosfet工作在饱和区，同时引入的器件如电阻也会影响mosfet的放大倍数。然后利用小信号模型求出具体的放大倍数，输入输出阻抗这三个变量。
下期讲介绍一个实际的例子，一起感受下mosfet放大电路中每个器件的值大概在什么量级。
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