实验二，三种MOS单管放大器

2.1 实验背景

三种电路电阻负载下的信号增益（\(A_v\)），输入阻抗（\(R_{i}\)），输出阻抗（\(R_o\)），假定\(r_o >> R_D\)，\(g_{mb}=0\)

	信号增益\(A_v\)	输入电阻\(R_{i}\)	输出电阻\(R_o\)
共源极	\(-g_mR_D\)	\(\approx \infin\)	\(R_D\)
共栅极	\(g_mR_D\)	\(1/g_m\)	\(R_D\)
共漏极	\(\frac{g_mR_S}{g_mR_S+1}\)	\(\approx \infin\)	\(R_s//\frac{1}{g_m}\)

2.2 实验内容

1. 根据单个MOS管的三种基本放大阻态（共源、共栅、共漏）（电流负载），完成电路设计与仿真验证。
2. 设计MOS管三种基本组态放大电路的主要参数，包括电路的直流工作点、MOS管的宽长比、主要的电阻值等，使电路能够正常稳定的工作。
3. 测量电路的交流增益，输入输出阻抗，与理论结果比较。

2.3 实验过程

1. 连接共源极放大器电路如下

2. 进行直流仿真，计算电路直流工作点，激励，仿真条件设置如下

3. 选择晶体管栅极，源极，漏极作为Output

4. 运行直流仿真，得到晶体管直流工作点参数

5. 设置瞬态仿真条件（激励GND和VDD设置与直流仿真一致）

6. 选择IN，OUT端口作为Output

7. 运行瞬态仿真，得到IN和OUT端口的信号波形

8. 连接共栅极放大器电路如下

9. 和共源极放大器电路采用类似的方法，设置激励后进行直流工作点的仿真和信号放大的交流仿真

10. 连接共漏极放大器电路如下

11. 设置激励后进行直流工作点的仿真和信号放大的交流仿真

2.4 实验分析

本次实验的三个单管放大器均使用NMOS，其工艺参数如下

	\(μC_{ox}(μA/V^2)\)	\(V_{TH}(mV)\)	\(\lambda(V^{-1})\)
NMOS	235	410	0.126

为了简化计算，我们忽略沟道调制效应，假定漏源电流计算公式为

\[I_{DS}=\frac{1}{2}μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2 \]

则跨导\(g_m\)可以通过计算得到

\[g_m=\frac{\partial I_{DS}}{\partial V_{DS}} = μ_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH}) \]

对于本次实验涉及的所有放大器，其设计分析过程如下。第一步根据需要的指标要求估算参数，第二步进行直流仿真，根据仿真结果修改参数，直到符合要求，第三步进行交流仿真，根据仿真结果修改参数，直到符合要求。需要首先进行直流工作点的仿真的原因是，为了保证放大器能够正常工作，NMOS需要工作在饱和区下，即需要满足\(V_{GS}>V_{TH}\)以及\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)。

这里以共源极放大器的分析为例，详细描述分析与设计的过程：

1. 估算参数

假定目标增益\(|A_v|>1\)，共源极放大器的放大倍数为\(A_v = -g_mR_D\)，因此需要确定的参数为\(\frac{W}{L}\)，\(V_{GS}\)和\(R_D\)，\(V_{GS}\)需要大于\(V_{TH}\)，因此必须大于\(410mV\)，但同时由于饱和区要求\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{GS}\)不能选取过大，因为\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\) ，而\(I_{DS}\)也收到\(V_{GS}\)的控制，如果\(V_{GS}\)过大必定会导致NMOS管无法工作在饱和区，这里先选定\(V_{GS}=1\)。进一步选定\(\frac{W}{L}=\frac{220}{180}\)的情况下，可以计算出\(I_{DS}=50μA\)，\(g_m=169.5μS\)。在\(V_{GS}-V_{TH}<V_{DS}\)，\(V_{DS}=V_{DD}-I_{DS}R_D\)，\(A_v = -g_mR_D\)，\(|A_v|>1\)的约束下，选定\(R_D=10kΩ\)。

估算参数列表如下：

晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)）	晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)）	负载电阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(1V\)	\(10kΩ\)

根据以上参数计算得到直流工作点：

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(50μA\)	\(1.3V\)

根据以上参数计算得到交流放大参数：

信号增益\(A_v\)
\(-1.695\)

2. 进行直流仿真

将估算结果与直流仿真结果比较，与估算的结果基本一致，可以确定晶体管工作在饱和区：

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(53.6μA\)	\(1.26V\)

3. 进行交流仿真

进一步进行交流仿真，可以很明显的看出共源极放大器的反相放大特性，使用放大后的信号峰峰值和输入信号峰峰值之比得到增益：

信号增益\(A_v\)
\(\approx -1.5\)

实际仿真得到的交流信号增益略小于估算结果，这是因为\(A_v=-g_mR_D\)实际上是忽略了晶体管\(r_o\)的影响，假定\(r_o >> R_D\)而得到的。如果使用\(r_o\approx\frac{1}{\lambda I_{DS}}\)，\(A_v=-g_m(R_D//r_o)\)重新进行计算，可以得到：

晶体管输出电阻（\(r_o\)）	信号增益\(A_v\)
\(148kΩ\)	\(-1.58\)

使用相似的方法对共栅极和共漏极电路进行分析和设计：

共栅极放大电路设计参数：

晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)）	晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)）	负载电阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(0.8V\)	\(10kΩ\)

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(21.8μA\)	\(0.582V\)

信号增益\(A_v\)
\(1.12\)

共栅极放大电路仿真结果：

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(24.2μA\)	\(0.558V\)

信号增益\(A_v\)
\(1.04\)

共漏极放大电路设计参数：

晶体管宽长比（\(\frac{W}{L}\)）	晶体管栅源电压（\(V_{GS}\)）	负载电阻（\(R_D\)）
\(220/180\)	\(1V\)	\(10kΩ\)

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(50μA\)	\(1.3V\)

信号增益\(A_v\)
\(0.63\)

共漏极放大电路仿真结果：

源漏电流（\(I_{DS}\)）	源漏电压（\(V_{DS}\)）
\(51.5μA\)	\(1.285V\)

信号增益\(A_v\)
\(0.58\)

从实验中可以总结出三个单管放大器各自的特性：

共源极放大器：反相放大器，输入电阻大，适合作为电压放大器的输入级

共栅极放大器：同相放大器，输入电阻小，可用作电流放大，可以与共源极放大器组合形成共源共栅放大器结构（Cascode），进一步扩大增益

共漏极放大器：同相放大器，增益小于1，满足\(g_m>>\frac{1}{R_S}\)时趋近于1，由于输出电阻小适合作为电压放大器的输出级，起跟随器作用

更复杂的放大器的本质上也是由单管组成的，掌握单管的性质有助于设计后续的复杂放大器电路。此外，读者可以自行调整参数，实现更大增益倍数的单管放大器，以及通过输入端/输出端断路的方式，进行电路输入输出电阻和理论值的比较验证。