ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

MOS/BJT 埠量總結

從電路方程到教材結論 · 每步必要近似 · 原圖與講解可追溯

本組繼承 共同模型與假設。「精確」指指定小訊號模型內精確。

全章埠參數總表:端接、有限 beta 與適用極限

對應:0266–0270;0269 的完整 MOS 共閘推導見 12 組。表中的 Rout,ampR_{\rm out,amp} 排除外加負載;含負載時還要並聯該負載。

0266–0267:MOS 四種基本用法

在低頻、bulk 跟 source 相連、忽略 gate 漏電下:

配置 完整模型或前節引用 教材極限
共源,source 接地 Gm=gm, Rin=, Rout=roG_m=g_m,\ R_{\rm in}=\infty,\ R_{\rm out}=r_o 同左
共源,source 接 RBR_B Gm=gm/[1+(gm+go)RB]G_m=g_m/[1+(g_m+g_o)R_B] 1/RB1/R_B,須 gmRB1,gogmg_mR_B\gg1,g_o\ll g_m
同上輸出阻抗 ro+(1+gmro)RBr_o+(1+g_mr_o)R_B gmroRBg_mr_oR_B,須可省兩個獨立阻抗項
source follower,理想偏壓源 av=gm/(gm+go)a_v=g_m/(g_m+g_o) 11,須 gmro1g_mr_o\gg1
follower,source 負載 RBR_B av=gm/(gm+go+1/RB)a_v=g_m/(g_m+g_o+1/R_B) 11,另須 gmRB1g_mR_B\gg1
follower 輸出阻抗 1/(gm+go)1/(g_m+g_o),有偏壓電阻則再並聯 1/gm1/g_m

電壓 follower 的 \infty 輸入電阻只限 DC/低頻 gate 無電流模型;高頻已有 09 組的電容電流。

0268:BJT 增加 base 電阻與輸入電流

定義 intrinsic rπ=β/gmr_\pi=\beta/g_m、base spreading rbr_b

若忽略 ror_o,emitter 負載為 RER_E

Rin=rb+rπ+(β+1)RE,R_{\rm in}=r_b+r_\pi+(\beta+1)R_E, Gm,ext=βrb+rπ+(β+1)RE.G_{m,\rm ext}= \frac{\beta}{r_b+r_\pi+(\beta+1)R_E}.

RE=0R_E=0rbrπr_b\ll r_\piGm,extgmG_{m,\rm ext}\simeq g_m。 強退化時 Gm,ext1/REG_{m,\rm ext}\simeq1/R_E 还要求 β1\beta\gg1

對輸入置零的輸出阻抗,令 base 到外部 AC 地的電阻為 RbR_b(可含訊號源電阻及 rbr_b),且

R=RE(rπ+Rb),g=gmrπrπ+Rb.R_* = R_E\parallel(r_\pi+R_b),\qquad g_* = g_m\frac{r_\pi}{r_\pi+R_b}.

由 emitter KCL ve=itRv_e=i_tR_* 和 collector 電流式可得

Rout,amp=ro+(1+gro)R.R_{\rm out,amp}=r_o+(1+g_*r_o)R_*.

所以教材 gmroREg_mr_oR_E 還隱含 RErπ+RbR_E\ll r_\pi+R_bRbrπR_b\ll r_\pi。如果 emitter 偏壓源理想,RER_E\to\infty,输出阻抗飽和至約 βro\beta r_o,不會像 MOS 那樣無界增加。

Follower 的精確低頻輸出阻抗(忽略 ror_o)為

Rout=RS+rb+rπβ+1,R_{\rm out}=\frac{R_S+r_b+r_\pi}{\beta+1},

可按 08 組再化成 1/gm+(RS+rb)/β1/g_m+(R_S+r_b)/\beta。 看入 base 的負載應包含 emitter 的 ror_o 或偏壓源阻抗,再乘 β+1\beta+1;這解釋 0268 表中的 βro\beta r_o 項。

0270:BJT 共基級

base 接 AC 地,先取 rb=0r_b=0。source 名稱改為 emitter。其節點方程:

(GB+gπ+gm+go)vegovo=iin,(G_B+g_\pi+g_m+g_o)v_e-g_ov_o=i_{\rm in}, (gm+go)ve+(GL+go)vo=0.-(g_m+g_o)v_e+(G_L+g_o)v_o=0.

因此 12 組的 MOS 式可用

RB=RBrπR_B^*=R_B\parallel r_\pi

取代 RBR_B,得到

AR=(1+gmro)RBRLRL+ro+(1+gmro)RB,A_R=\frac{(1+g_mr_o)R_B^*R_L} {R_L+r_o+(1+g_mr_o)R_B^*}, Rin=RB(RL+ro)RL+ro+(1+gmro)RB.R_{\rm in}=\frac{R_B^*(R_L+r_o)} {R_L+r_o+(1+g_mr_o)R_B^*}.

有限 rbr_b 時則用 RB=RB(rπ+rb)R_B^*=R_B\parallel(r_\pi+r_b),並把 gmg_m 換成 gmrπ/(rπ+rb)g_mr_\pi/(r_\pi+r_b)。這是由 base 支路分壓取得,不是直接把 β\beta 塞進公式。

三個重要極限

  1. RLR_L 小、RBR_B^* 足夠大:Rin1/gmR_{\rm in}\simeq1/g_mARRLA_R\simeq R_L,誤差包含 1/β1/\beta
  2. RLR_L\to\infty、有限 RBR_BRinRBR_{\rm in}\to R_B^*AR(1+gmro)RBA_R\to(1+g_mr_o)R_B^*
  3. RB,RLR_B,R_L\to\infty,但 finite beta:RinrπR_{\rm in}\to r_\piAR(1+gmro)rπβroA_R\to(1+g_mr_o)r_\pi\simeq\beta r_o。與 MOS 的無有限靜態解不同,BJT 有 base 電流路徑。原表「—」不可解讀成轉阻為 0。

方法與核對

不用 SFG:這是前面模型的端接極限總結。每次求 RoutR_{\rm out} 都先把獨立電壓輸入短路、獨立電流輸入開路,並保留其內阻。用這套定義才能一致閱讀 0267–0270 的表格。

來源對照

投影片 PDF 頁 書本頁 講解所在 PDF 頁
0266 83 84 83
0267 84 85 84
0268 84 85 84
0270 85 86 85

Spectre 仿真結果

本推導組的代表模型已完成 Spectre 驗證;覆蓋範圍以所列 netlist 為準,未逐一搭建所有投影片電路。

線性 AC 2 · MOS 電路 0 · 極零 0 · 暫態 0:所列檢查全部通過。

案例:bjt_degen_gain、bjt_degen_zout

查看本組波形、模型條件與 CSV → · 仿真 Markdown 解釋

來源投影片與講解定位(4 張)
原書投影片 0266
0266 · PDF 83/書本 84 · 原圖及完整講解
原書投影片 0267
0267 · PDF 84/書本 85 · 原圖及完整講解
原書投影片 0268
0268 · PDF 84/書本 85 · 原圖及完整講解
原書投影片 0270
0270 · PDF 85/書本 86 · 原圖及完整講解