在设计放大器的时候,我们都会给放大器设置一个工作点,所谓工作点,就是指管子在直流工作状态下,对应的电压和电流。
但是,有没有想过,到底为什么要设置这么一个工作点呢?
MOS管在饱和区时,其漏极电流对应的公式为:
此处,忽略沟道长度调制效应(channel length modulation)。
为什么假定MOS管在饱和区呢?这是因为,只有在饱和区,MOS管才能等效为一个电流源,才有放大的作用。
如果对上述公式,绘制个图,横轴是VGS,纵轴是ID,则可以得到如下图形。
现在假设有一个MOS管子,源极接地。图中忽略VDD,因为在饱和区,VDD的大小不太影响ID的大小。
也就是说,输入电压太小,整个周期中,都没能开启MOS管,当然也就没有我们所预期的放大效应了。
接下来,在栅极加一个固定的直流电压,使得输入到栅极的信号为小信号Vin和直流电压VD的叠加。假设给这个直流电压VD=VTH。而Vin=5sinwt mV。
很显然,工作点被移到了VTH处,但是会出现这样两个问题。
(1) 在信号的负半轴,VTH+Vin
(2) 在信号的正半轴,VTH+Vin>VTH,这时候输出电流不为0. 但是,这个时候ID很小,需要配合大的RL,才能获得合适的增益。可以看看下图中的数据。
再接下来,把VD进一步提高。使得VD离VTH有一定的距离。此时,发现电流的变化提高的uA级别,且获得所需输出电压所需要的电阻降为25kohm。
从上面的分析,可以知道,如果我们想让MOS管放大信号,那么我们不能期待给它输入信号,它就能放大。我们需要给他一个偏置,即使在没有输入信号的时候,MOS管也具有相应的电压和电流,称之为偏置。也就说,我们需要给MOS管一个合适的电压和电流,它才能进入放大的工作状态。
审核编辑:汤梓红
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原文标题:在设计放大器的时候为什么要给管子加上偏置呢?
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