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MOS管是怎么慢慢形成那些电路的?

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(1) MOS管为啥是这个样子?

 

电容大家都是比较熟悉的,知道是两个导电板夹着个绝缘层。

巧了,想了解MOS管(以NMOS为例),也可以从电容开始。

假设有一个电容,一个导体板是良导体,还有一个导体板是半导体,也就是说,不是不导电,但是需要外界一点助力,才能导电,然后中间夹着绝缘层。

然后这个半导体,是一个P-Type Silicon,也就是说,是一种自由电子比较少的半导体,但是少不代表没有,还是有那么一点点。

接着,给良导体给正电压,如下图中A处,给P型半导体负电压,这样子,在良导体上产生正电荷,而对应的,在有一小撮自由电子,出现在P-type与绝缘体的接触面处。

然后又给这一小撮自由电子一点点电压,电子们就开始动起来,形成电流。

自由电子所在的那一部分区域,称之为channel,中文翻译过来是沟道。

但是,在晶圆加工的时候,得是个平面结构,就像我们的PCB板一样。也就是说,上面的示意图得变一下,除了上面的量导体和绝缘层不变外,沟道两边施加电压的地方,以及给p-type硅施加电压的地方,都要移动一下,形成一个平面结构,这样才方便加工。


 

(2)MOS管的放大特性

 

从上面可知,Q=CV,也就是说,形成沟道的自由电子的数量,可以由V1控制,V1大,自由电子的数量就多,电阻就小,形成的电流就大。

也就是MOS管有这样一种特性,当改变栅极电压的时候,源极和栅极之间的电流也会跟着发生改变。

因此,MOS管在某种工作状态下,可以作为放大器使用。


 

(3) MOS管的四种工作状态

 

当VGS小于VTH时,在绝缘层与半导体接触面上的自由电子还出现,沟道还没有形成,所以MOS管处于关断的状态。

当VGS大于VTH时,沟道开始形成,MOS管的工作状态主要取决于VDS。

当VDS<<2(VGS-VTH)时,MOS管处于deep triode region的状态,可以等效为一个线性电阻,而且阻值受VGS的控制,这个时候沟道是从S到D处。

当VDS一点点增加,但是仍然满足VDS<VGS-VTH时,MOS管处于triode region,这个时候,沟道仍然是从S到D处。

当VDS再增加,满足VDS>VGS-VTH时,MOS管处于saturation region。VDS>VGS-VTH,也就是说VGD<VTH,所以D处的压差不足,在D处没有自由电子出现,沟道截止了。

书中主要分析的是,MOS管工作在saturation region下的各种各样的电路。


 

(4) 怎么分析MOS管的那些电路

 

MOS管有大信号模型和小信号模型。

但是大信号模型用来分析电路的时候,困难重重。

所以就假设输入交流信号的幅度非常小,小到可以忽略它对偏置的影响,从而把大信号模型拆解成直流偏置+小信号交流来分析,

直流还是用大信号模型来分析,即还是使用ID与VGS的那个公式。

分析小信号的时候,则用小信号模型。

因此在分析电路的时候,大致的套路都是:

假设管子工作在饱和区,然后通过大信号模型的公式+KCL+KVL来一起计算直流偏置点,证明假设是吻合的;然后通过小信号模型+KCL+KVL来计算输出与输入之间的关系。


 

(5) MOS管的三种基本电路架构

 

MOS管有共源,共栅,共漏三种架构。

共源放大器是用的最多的,栅极输入,漏极输出;共栅放大器是源极输入,漏极输出;共漏放大器,也称源极跟随器,是栅极输入,源极输出。

各种放大器的变种,都是基于解决某一个问题出现的。

比如说,下面的共源放大器,Av=-gmRD,想提高增益吧,增加gm增益增加有限,增加RD可能会使电路进入triode region,所以就想到用CS stage with current source load。

电流源除了提供偏置外,也用它的内阻r0替代了RD,一下子把增益提高一个等级。

又比如说,共源放大器,虽然有Av=-gmRD,但是这个增益受很多因素的影响,工艺啊,温度啊,电压啊等等,所以就有了CS stage with diode-connected load。

这样的话,Av就变成了尺寸与尺寸之间的比值,工艺啊,温度啊,电压啊,都不再有影响了。

比如说,共源放大器,虽然可以看成一个恒电流源,但是讨厌的是,它不是一个理想的电流源,电流源的电阻不是无穷大,是r0,所以就有了degenerated CS stage。

这样的话,电流源的内阻就大了很多。


 

参考文献:

 

razavi, 微电子基础


 


每个分指标的计算后面,都跟着一个仿真验证。所有指标都分配完了以后,还会有一个整体链路的仿真。

整体链路仿真,还分单音时候的验证+调制信号的验证;ADS仿完,再用SystemVue走一遍。


来源:加油射频工程师
System电路半导体系统仿真电子ADS理论控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-08-25
最近编辑:2月前
加油射频工程师
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