談?wù)凪OSFET的小信號(hào)特性在模擬IC設(shè)計(jì)的作用

MOSFET 對(duì)于現(xiàn)代模擬 IC 設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而，該文章主要關(guān)注 MOSFET 的大信號(hào)行為。模擬 IC 通常使用 MOSFET 進(jìn)行小信號(hào)放大和濾波。為了充分理解和分析 MOS 電路，我們需要定義 MOSFET 的小信號(hào)行為。

什么是小信號(hào)分析？

當(dāng)我們說(shuō)“小信號(hào)”時(shí)，我們到底是什么意思？為了定義這一點(diǎn)，讓我們參考圖 1，它顯示了逆變器的輸出傳輸特性。

（圖 1.逆變器的傳輸特性）

假設(shè)：

VIN和VOUT都是直流電壓。

VIN的值表示我們?cè)谄命c(diǎn)（標(biāo)記為紅色）進(jìn)行操作。

在小信號(hào)分析中，我們?cè)谥绷髌秒妷褐鲜┘右粋€(gè)非常小的交流信號(hào)（ΔVIN）?；谄命c(diǎn)處傳輸特性的斜率（–AV）來(lái)放大產(chǎn)生的輸出交流電壓：

（方程式1）

請(qǐng)注意，由于坡度的方向，AV僅為負(fù)值。我們將在文章后面回到AV。目前，重要的結(jié)論是偏置點(diǎn)（大信號(hào)行為）影響輸出信號(hào)接收的增益量（小信號(hào)行為）。

小信號(hào)參數(shù)

在我們對(duì)電路的行為建模之前，我們需要定義我們的參數(shù)。MOSFET的主要小信號(hào)參數(shù)為：

跨導(dǎo)（gm）

輸出電阻（ro）

固有增益（AV）

體效應(yīng)跨導(dǎo)（gmb）

單位增益頻率（fT）

除了fT，我們?cè)趧?chuàng)建高頻MOSFET模型之前不會(huì)討論它，我們將在接下來(lái)的章節(jié)中定義和推導(dǎo)上述每個(gè)術(shù)語(yǔ)。我們將從I-V特性，跨導(dǎo)開(kāi)始。

跨導(dǎo)

正如我們已經(jīng)知道的，MOSFET將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流。小信號(hào)輸出電流與小信號(hào)輸入電壓的比率被稱為跨導(dǎo)（gm）。我們還可以將跨導(dǎo)視為輸出電流對(duì)柵極-源極電壓的導(dǎo)數(shù)。

可以將線性區(qū)域的跨導(dǎo)定義為：

（方程式2）

對(duì)于飽和區(qū)域，為：

（方程式3）

那里：

ID是漏極電流

VGS是柵極到源極的電壓

VDS是漏極到源極電壓

Vth是閾值電壓

μ是晶體管遷移率

Cox是柵極氧化物電容

W是晶體管的寬度

L是晶體管的長(zhǎng)度。

這兩個(gè)方程引出了幾個(gè)有趣的點(diǎn)：

當(dāng)處于線性區(qū)域時(shí)，晶體管的電流增益取決于輸出電壓。它完全不依賴于輸入信號(hào)。這在實(shí)踐中并不理想，因?yàn)樵鲆嬖诓僮鞣秶鷥?nèi)會(huì)發(fā)生巨大變化。

在飽和時(shí)，跨導(dǎo)僅取決于輸入電壓。

對(duì)于給定的輸入偏置電壓，短而寬的器件使電流增益最大化。

輸出電阻

下一個(gè)感興趣的參數(shù)是輸出電阻（ro）。這被定義為晶體管的漏極到源極電壓相對(duì)于漏極電流的變化。我們可以通過(guò)繪制漏極電流與VDS的關(guān)系來(lái)找到輸出電阻。結(jié)果線的斜率等于ro的倒數(shù)。

讓我們來(lái)看看圖2中的圖。我們?cè)谏弦黄P(guān)于MOSFET結(jié)構(gòu)和操作的文章中首次看到了這個(gè)數(shù)字，它幫助我們比較了NMOS和PMOS晶體管的漏極電流。

（圖2:NMOS和PMOS晶體管的漏極電流與VDS的關(guān)系 W/L=10μm/2μm）

MOSFET在線性區(qū)域時(shí)具有小的輸出電阻，而在飽和區(qū)域時(shí)具有大的輸出電阻。在上圖中，NMOS和PMOS晶體管都在~1.5V時(shí)進(jìn)入飽和狀態(tài)。

因?yàn)椤缥覀冊(cè)诳鐚?dǎo)中看到的那樣——飽和區(qū)域提供了更好的小信號(hào)性能，所以我們只關(guān)心晶體管飽和時(shí)的輸出電阻。我們可以將其計(jì)算為：

（方程式4）

其中λ是信道長(zhǎng)度調(diào)制。

當(dāng)考慮到飽和時(shí)I-V曲線的斜率由通道長(zhǎng)度調(diào)制引起時(shí)，ro和λ之間的關(guān)系是有意義的。等式4還告訴我們：

? ro隨著漏極電流（ID）而減小。

?由于上述原因，ro隨著過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（VD，sat）而減小。

?ro隨著晶體管長(zhǎng)度（L）而增加。

固有增益

現(xiàn)在我們知道了晶體管的輸出電阻和電流增益，就可以計(jì)算出它的最大電壓增益。這也被稱為晶體管的固有增益（AV）。為了更好地理解本征增益的概念，讓我們檢查圖3中的共源放大器配置。

（圖3 NMOS晶體管，配置為公共源極放大器）

由于理想的電流源具有無(wú)限大的電阻，因此該電路的小信號(hào)輸出傳遞函數(shù)可以計(jì)算為：

（方程式5）

從方程3和4可以看出，gm和ro與漏極電流成反比。利用這些知識(shí)，我們可以找到漏極電流的最佳值，該值可以為單個(gè)晶體管產(chǎn)生盡可能大的增益—換句話說(shuō)，就是其固有增益。對(duì)于現(xiàn)代工藝，固有增益通常在5到10之間。

身體效應(yīng)跨導(dǎo)

我們需要推導(dǎo)的最后一個(gè)小信號(hào)參數(shù)是體效應(yīng)跨導(dǎo)（gmb），它描述了體效應(yīng)如何影響漏極電流。我們可以將其計(jì)算為：

（方程式6）

其中η是背柵跨導(dǎo)參數(shù)，其值通常在0到3之間。

低頻和高頻型號(hào)

既然我們已經(jīng)定義了參數(shù)，我們就可以建立一個(gè)電路模型來(lái)表示晶體管的小信號(hào)操作。圖4描述了MOSFET在低頻下的小信號(hào)行為。

（圖4 MOSFET小信號(hào)模型）

在更高的頻率下，我們需要包括MOSFET的寄生電容（圖5）。

（圖5 具有寄生電容的MOSFET結(jié)構(gòu)）

上述代表為：

?Cgs，柵極到源極電容。

?Cgd，柵極到漏極電容。

?Cgb，柵極到體電容。

?Csb，源-體電容。

?Cdb，漏極到體電容。

?圖6中的小信號(hào)晶體管模型包括除體電容之外的所有這些非理想性。

（圖6 帶電容的MOSFET小信號(hào)模型）

從圖6可以看出，圖3中MOSFET的本征增益具有單極低通傳遞函數(shù)。我們現(xiàn)在可以計(jì)算晶體管的帶寬，在這種情況下，它將是電壓增益等于1（0dB）的頻率。這被稱為單位增益頻率（fT）。

為了找到fT，我們將輸出短路到地，并計(jì)算圖6中的跨導(dǎo)。這樣做會(huì)得到以下等式：

（方程式7）

從方程4和7中，我們可以看出，為了增加增益，我們需要增加晶體管的長(zhǎng)度。然而，我們也看到，這會(huì)導(dǎo)致較低的帶寬。反之亦然：減小晶體管的長(zhǎng)度會(huì)得到更高的帶寬。

審核編輯：劉清