模擬ic設計第一彈 拉扎維第三章 阻抗分析

2022-09-08 19:54:12 字數 2750 閱讀 9266

該系列為模擬ic設計學習筆記,會不定期更新內容。

由於筆者水平有限,文中難免存在一些不足和錯誤之處,誠請各位批評指正。

mos的兩種分析思路

例題:先不考慮rd,求電路的輸出阻抗(考慮體效應和溝道長度調製效應等二級效應)

(1)小訊號電路分析 

把mos管的模型看作如下:

可以直接列等式求出rout(vin接地,輸出端加乙個電壓源vx,流出電流為ix)

代入小訊號模型即為

則求解為

(2)阻抗分析法

注意:此法只能分析漏端變化電壓v,求源端電壓的變化。不能求解電流關係(原因見下文)

從圖(a)開始:在漏端有乙個電壓變化△v,產生電流變化為△i。最後用△v除以△i得到輸出阻抗rout

對mos管的理解如下:把mos看成理想mos管與ro的併聯,其中理想mos的電流受到電壓vgs的控制,與漏端電壓的變化無關。也就是說,對於圖(a)中的m1而言(已經看成理想mos管),從漏端往源端看阻抗為無窮大,而從源端往漏端看阻抗為1/(gm+gmb)。

從漏端往源端看阻抗為無窮大說明此處是斷路,而源端往漏端看是有限阻抗,說明有電流從漏端到源端(這樣電流就不連續,因此不能求解電流關係)。此處對mos管進行分析,它可以看成理想受控電流源,電流受vgs控制,此時柵極接地,因此電流只受源端電壓控制。只受一端電壓控制的受控電流源可以看作為接地的電阻,此處阻值為1/gm。

對圖(b)分析,它將v的影響拆成兩條支路,其中mos管一端的電流變化為0(因id與vd無關),右邊支路則是ro與 rs和m1源端看進去的阻抗的併聯 進行串聯,其結果可以等效為圖(c)。此時,可以求解漏端電壓的變化量:

得到漏端電壓變化量之後,不能直接在圖(c)中求△i(再次注意此法只能求源端電壓的變化)

要求出i,需要回到圖(a),即電阻上產生vrs的電壓變化,則

因此,輸出阻抗為

注意,此處求出的輸出阻抗與用小訊號電路的求出的結果完全一致(意思是並不是估算,而是十分精確的結果)

(3)兩種方法的討論

疑問一:方法二中的電流都不連續了,為何能得到與方法一同樣的結果

疑問二:兩種方法看似比較矛盾,如何統一?

先看兩個電路:

我們可以想辦法將圖一的電路在一定條件下直接等效到圖二的電路:

仔細分析圖一,假設rs上的電壓為vs。看受控源gmv1,它的電流值實際上不受vx的影響,而是與v1有關,即與vs有關。由於柵極接地,受控源只受電壓vs控制,因此兩個電流源均可以看成一端接vs,另一端接地的電阻,且是併聯關係。這樣就變成圖二(c)的電路。這樣就實現了兩種方法的統一。

其次,需要分析等效的過程中什麼改變了,什麼沒變。很明顯的一點是改變了電路的電流關係,這才是方法二不能用來求解電流關係的根本原因。回到mos管的基本工作原理,mos管是由柵源電壓控制溝道電流的跨導器件,而溝道電流是由漏端流向源端,此電流與漏端電壓無關卻是從漏端流出的。而受控源等效為接地電阻改變了電流關係。

更重要的一點是找出什麼量沒變,那就是m1源端電壓的變化量沒變,分析圖一中的受控源可以發現,兩個受控源的電流方向實際上是朝上的,換句話說,從節點vs看,兩個受控源與rs一樣電流都是流出節點的(注意,此處認為受控源實際電流方向是流出節點的,至於流向哪兒可以認為是地,通過等效為接地電阻來看,此處不要糾結電流流向哪兒,因為等效本身就改變了電流關係),這也再次等效成圖二(c)。因此兩個電路的串並聯關係實際上是相同的,因此可以得到相同的分壓關係,源端電壓的變化量就是相同的了。

此處說明,在漏端有乙個電壓變化量,求源端的電壓變化量用方法二更加合適。

此時又引入乙個新的問題,為何小訊號電路是對的?即圖一所示的電路為何沒問題?

方法二是從阻抗的角度進行分析(從漏端往源端看阻抗為無窮大,而從源端往漏端看阻抗為1/(gm+gmb)),因此稱為阻抗分析法。而小訊號電路實際上是從電流關係入手,通過kcl方程聯絡起各個關係量。回到方法一的推導上:

因為受控源電流gmvgs,即溝道電流,認定的方向是從漏端流向源端(實際方向與vgs的正負有關),因此通過節點電流方程可以的得到vx與ix的關係式。

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