NMOS放大器电路模型详解(一)

先说几句废话

前几期讲的MOSFET的物理结构、电学特性是我们研究MOSFET的基础，只掌握这些在实际电路中是没法用的，今天讲的内容才是我们在电路设计中所用到的，但是前几期的内容都是废话吗？当然不是，只有知道了那些基础，再看到电路模型的时候才不会感觉奇怪，才会把MOSFET的电路模型深入到自己的潜意识中。

本期内容

如何构造一个放大器？

NMOS放大器电路模型（PMOS道理是一样的，这里不再赘述）

1、如何构造一个放大器？

有一个小信号Vin=1mV，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一个压控电流源。就是一个随Vin的变化而变化的电流源。你是不是要问为什么是电流源，不是电压源呢？因为我们的MOS管就是一个压控的电流源。

Fig. 1 构造一个放大器

看下图Fig.1，只要kR_L的值等于10或20，我们就可以放大相应的倍数。

2、NMOS放大器电路模型

① NOMS工作在饱和区时为一个压控电流源

在之前我讲过，当NMOS工作在饱和区（V_DS>V_GS-V_TH）时，流过沟道的电流I_D与(V_GS-V_TH)^2成正比，与V_DS无关，此时，MOS管可以看成是一个受V_GS控制的电流源。如下图。记住，NMOS作为放大器时一定是工作在饱和区的。

Fig. 2

所以，工作在饱和区的NMOS的等效电路为：

Fig. 3

利用NOMS的等效电路构建我们的放大电路，如图Fig. 4，其中，MOS管的栅极为信号V_in的输入端，MOS管的漏极作为信号V_out输出端；VCC为供电电源，作用是为了满足V_DS>V_GS-V_TH这个饱和区工作条件；R_L的作用和Fig.1中的R_L作用一样，是为了将电流转换正电压输出。

Fig. 4

② NMOS不是一个线性的受控电流源，放大信号会失真，怎么办？

Fig.1 中的压控电流源电流为kV_1，这才是一个线性受控源。而NMOS的电流I_D与(V_GS-V_TH)^2成正比，如图Fig. 4。这就导致当输入信号较大时，放大倍数大，当输入信号小时，放大倍数小。信号波形放大后就会失真。

Fig. 4

那我们怎么办呢？其实到目前为止，我们没有什么很好的办法，只能约束输入条件，只有当输入的信号足够小时，才能认为这个放大器是线性放大。

Fig.5

如图Fig. 5，当Vin的范围非常小时，V-I曲线可以看成是直线。我们可以根据之前得到的I_D和V_GS的表达式，求导就可以求出曲线的斜率g_m。

Fig. 6

所以，如图Fig. 6，V_in = V_0+v_in，其中，V_0为一个直流偏压，v_in为我们的小信号输入，当它特别小时，I_D = I_D0+g_m * v_in，g_m为V-I曲线的斜率，和放大倍数直接相关，具体什么关系呢？我们下期讲解小信号电路模型的时候详细介绍。

③ 为什么要有直流偏置呢？

第一，因为V_GS需要大于V_TH，NMOS才能正常工作。第二，因为V-I曲线的斜率g_m和V_GS成正比，当V_GS比较小时，g_m非常小，不能得到很好的放大倍数。V_GS越大，g_m越大，放大倍数越大，那是不是V_GS越大越好呢？当然也不是，首先，因为要想NMOS工作在饱和区，需要满足V_DS>V_GS-V_TH，当V_GS越大时，V_DS就得越大，这个功耗就越大。第二，V_GS、V_DS得控制在NMOS的承受范围，如果加的过大，会破会MOS管，导致无法工作。所以选择一个正确的直流偏置是NMOS放大电路的一个关键因素。

例子：当直流偏置V_0很小，接近V_TH时，Fig.6中曲线的斜率g_m是一个非常小的量，得到的I_D也是一个特别小的量，要想实现V_out的放大，则Fig. 4中的R_L就必须是一个非常非常大的值，可能是几千万欧姆，这种电阻现实生活中是很难实现的。所以再强调一便，选择一个正确的直流偏置是NMOS放大电路的一个关键因素。

总结

① 设计一个放大器需要压控电流源。

② NMOS在工作在饱和区时是一个非线性压控电流源，小信号时可以看成是线性的。

③ 放大倍数与偏置有关。

本期内容可以看出当我们在NMOS栅极输入大信号时，NMOS放大电路是非线性的，但当栅极输入小信号时，NMOS放大电路可以认为是线性的。大信号模型我们主要用来计算偏置，小信号模型我们用来计算信号的放大倍数。

下期我们想想讲解NMOS的大信号模型和小信号模型。