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三极管和MOS小信号电路的快速分析方法

已有 12644 次阅读 2017-1-16 17:21 |个人分类:写着玩|系统分类:科研笔记

本文拒绝讨论有关所谓工程实际,模拟近似的一切问题,只是对已有的小信号模型给出一个快速分析方法。这里想对某些人说:少拿工程实际当作理论基础不扎实的借口!

小信号模型对于分析BJT和MOS电路至关重要,是AC analysis的理论基础。如果是一阶一个管子放大器,画小信号电路列KCL,KVL 解决很方便,二阶3~5个管子呢?就稍微有些麻烦了,那三阶四阶cascode差分十几二十个管子呢?可能这时候就要用软件了,不过即使用软件也是要先粗估参数的,如果靠sweep寻找最优参数(也就是暴力求解),效率上也是不敢恭维的。其实所谓的快速分析方法也是建立在小信号模型基础上的,不过确是比列方程来的快的多了(真爱生命,远离不必要方程)。

BJT的快速分析大致是基于下面这两幅图的等效电阻的计算:

如果你会画小信号电路以及会解方程,那么上面这两个等式应该不难得出(也许我闲下来以后会把证明过程发上来,完善一下这个快速分析理论)。接下来就是对Voltage Divider(分压器)的理解了,举两个简单例子CE和CC放大器:


先看第一个CE放大器,比如说如果从基级一端看进去,等效电阻为Req=Rb+Rπ+Re(1+β),那么就可以将该等效电阻看成是由Rb, Rπ, Re(1+β)三个电阻串联。这时的BJT就可以看成是”分压器“+”电流源“的共同作用。我们都知道流经Rc的电流是由gm与Vπ 相乘得到,其中Vπ 就是Rπ两端的电压,即在上面提到的串联电路中Rπ的分压,所以我们有Vπ:

同理对于CC放大器,可以看成输出是Re上的分压,所以可以写成:



在理解了等效电路和Voltage Divider后,就会发现MOS其实和BJT的分析方法是差不多的,只不过在MOS中Rπ/(1+β)变成了1/gm,同样是利用Voltage Divider,举两个简单例子:


在分析复杂电路之前,先让我们看几个小信号中常见的电路结构:

对于图a可以求得其等效电阻为1/gm,对于图b可得其等效电阻为1/gm并上R,实际上即为R/(1+β)

现在来看一个较为复杂的电路:

简单分析一下,在该电路图中,RG因为连在M3的Gate端所以不起任何的作用,M2的gate和drain相连所以可以看成是等效阻值为1/gm的电阻,RD与M3的电流源并联所以该电路就可以如下图所示化简?


是不是问题就变得非常简单了?如果画小信号电路,列方程足够算上5到10分钟的。如果你使用快速分析法,大概2-3s就解决问题啦!




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