ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

MOS/BJT 端口量总结

从电路方程到教材结论 · 每步必要近似 · 原图与讲解可追溯

本组继承 共同模型与假设。「精确」指指定小信号模型内精确。

全章端口参数总表:端接、有限 β 与适用极限

对应:0266–0270;0269 的完整 MOS 共栅推导见 12 组。表中的 Rout,ampR_{\rm out,amp} 排除外加负载;含负载时还要并联该负载。

0266–0267:MOS 四种基本用法

在低频、衬底跟源极相连、忽略栅极漏电下:

配置 完整模型或前节引用 教材极限
共源,源极接地 Gm=gm, Rin=∞, Rout=roG_m=g_m,\ R_{\rm in}=\infty,\ R_{\rm out}=r_o 同左
共源,源极接 RBR_B Gm=gm/[1+(gm+go)RB]G_m=g_m/[1+(g_m+g_o)R_B] 1/RB1/R_B,须 gmRB≫1,go≪gmg_mR_B\gg1,g_o\ll g_m
同上输出阻抗 ro+(1+gmro)RBr_o+(1+g_mr_o)R_B gmroRBg_mr_oR_B,须可省两个独立阻抗项
源极跟随器,理想偏置源 av=gm/(gm+go)a_v=g_m/(g_m+g_o) 11,须 gmro≫1g_mr_o\gg1
follower,源极负载 RBR_B av=gm/(gm+go+1/RB)a_v=g_m/(g_m+g_o+1/R_B) 11,另须 gmRB≫1g_mR_B\gg1
follower 输出阻抗 1/(gm+go)1/(g_m+g_o),有偏置电阻则再并联 1/gm1/g_m

电压 follower 的 ∞\infty 输入电阻只限 DC/低频栅极无电流模型;高频已有 09 组的电容电流。

0268:BJT 增加基极电阻与输入电流

定义 intrinsic rπ=β/gmr_\pi=\beta/g_m、基极 spreading rbr_b。

若忽略 ror_o,发射极负载为 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=0 且 rb≪rπr_b\ll r_\pi 时 Gm,ext≃gmG_{m,\rm ext}\simeq g_m。 深度负反馈时 Gm,ext≃1/REG_{m,\rm ext}\simeq1/R_E 还要求 β≫1\beta\gg1。

对输入置零的输出阻抗,令基极到外部 AC 地的电阻为 RbR_b(可含信号源电阻及 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}.

由发射极 KCL ve=itR∗v_e=i_tR_* 和集电极电流式可得

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

所以教材 gmroREg_mr_oR_E 还隐含 RE≪rπ+RbR_E\ll r_\pi+R_b、Rb≪rπR_b\ll r_\pi。如果发射极偏置源理想,RE→∞R_E\to\infty,输出阻抗饱和至约 βro\beta r_o,不会像 MOS 那样无界增加。

Follower 的精确低频输出阻抗(忽略 ror_o)为

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

可按 08 组再化成 1/gm+(RS+rb)/β1/g_m+(R_S+r_b)/\beta。 看入基极的负载应包含发射极的 ror_o 或偏置源阻抗,再乘 β+1\beta+1;这解释 0268 表中的 βro\beta r_o 项。

0270:BJT 共基级

基极接 AC 地,先取 rb=0r_b=0。源极名称改为发射极。其节点方程:

(GB+gπ+gm+go)ve−govo=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 组的 MOS 式可用

RB∗=RB∥rπR_B^*=R_B\parallel r_\pi

取代 RBR_B,得到

AR=(1+gmro)RB∗RLRL+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 时则用 RB∗=RB∥(rπ+rb)R_B^*=R_B\parallel(r_\pi+r_b),并把 gmg_m 换成 gmrπ/(rπ+rb)g_mr_\pi/(r_\pi+r_b)。这是由基极支路分压取得,不是直接把 β\beta 塞进公式。

三个重要极限

  1. RLR_L 小、RB∗R_B^* 足够大:Rin≃1/gmR_{\rm in}\simeq1/g_m,AR≃RLA_R\simeq R_L,误差包含 1/β1/\beta。
  2. RL→∞R_L\to\infty、有限 RBR_B:Rin→RB∗R_{\rm in}\to R_B^*,AR→(1+gmro)RB∗A_R\to(1+g_mr_o)R_B^*。
  3. RB,RL→∞R_B,R_L\to\infty,但有限电流增益 β:Rin→rπR_{\rm in}\to r_\pi,AR→(1+gmro)rπ≃βroA_R\to(1+g_mr_o)r_\pi\simeq\beta r_o。与 MOS 的无有限静态解不同,BJT 有基极电流路径。原表「—」不可解读成跨阻为 0。

方法与核对

不用 SFG:这是前面模型的端接极限总结。每次求 RoutR_{\rm out} 都先把独立电压输入短路、独立电流输入开路,并保留其内阻。用这套定义才能一致阅读 0267–0270 的表格。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
0266 83 84 83
0267 84 85 84
0268 84 85 84
0270 85 86 85

Spectre 仿真结果

本推导组的代表模型已完成 Spectre 验证;覆盖范围以所列网表为准,未逐一搭建所有幻灯片电路。

线性 AC 2 · MOS 电路 0 · 极零 0 · 瞬态 0:所列检查全部通过。

案例:bjt_degen_gain、bjt_degen_zout

查看本组波形、模型条件与 CSV → · 仿真 Markdown 解释

来源幻灯片与讲解定位(4 张)
原书幻灯片 0266
0266 · PDF 83/书本 84 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0267
0267 · PDF 84/书本 85 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0268
0268 · PDF 84/书本 85 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0270
0270 · PDF 85/书本 86 · 原图及完整讲解