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MOSFET分析总结

在看了很多关于MOSFET介绍后发现这些资料都有一个共同的毛病,就是对于PMOS的介绍少的可怜,往往就是一句“和NMOS类似”就一带而过,但是NMOS和PMOS还是有很多不一样的,所以在这里对NMOS和PMOS的Large Signal Analysis和Small Signal Analysis做一下总结归纳。

Large Signal Analysis

对于MOSFET的分析,第一步就是通过Large Signal Analysis来确定MOSFET的工作范围,并通过不同工作范围下的电压电流特性来确定Small Signal Analysis下的current gain。MOSFET有三个工作范围:cut-off region, triode region and saturation region。当MOSFET作为开关使用的时候,要控制在triode region;当MOSFET作为放大器使用的时候,要控制在saturation region。

NOMS

n-channel MOSFET有下面5种符号表示法,分别表示不同种类的NMOS

NMOS不同种类的符号

  1. Cut-off region

    • 条件:$V_{GS}<V_{TH}$
    • 电压电流特性:$I_D=0$
  2. Triode region

    • 条件:$V_{TH}<V_{GD}$
    • 电压电流特性: $$I_D=\mu_n C{ox}\frac{W}{L}\left[\left(V{GS}-V{TH}\right)V{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]$$
  3. Saturation region

    • 条件:$$V{TH}>V{GD}$$
    • 电压电流特性:$$I_D=\frac{1}{2}\mu_n C{ox}\frac{W}{L}\left(V{GS}-V{TH}\right)2\left(1+\lambda V{DS}\right)$$
  4. Transconductor: 就是Small Signal Analysis中的current gain,$$g_m=\frac{I_D}{V_{GS}}$$

    $$\begin{array}{rcl} g_m&=&\mu_n C{ox}\frac{W}{L}\left(V{GS}-V{TH}\right)\ g_m&=&\sqrt{2\mu_nC{ox}\frac{W}{L}I_D}\ g_m&=&\frac{2I_D}{V{GS}-V{TH}} \end{array}$$

  5. Output resistor:就是Small Signal Analysis中的$$r_0$$

    $$r_0\approx \frac{1}{\lambda I_D}$$

PMOS

p-channel MOSFET一样有5种符号表示法,分别代表不同种类的PMOS

PMOS不同种类的符号

  1. Cut-off region

    • 条件:$$V{GS}>V{TH}$$
    • 电压电流特性:$$I_D=0$$
  2. Triode region

    • 条件:$$V{DG}>\left|V{TH}\right|$$
    • 电压电流特性:$$I_D=\mu_p C{ox}\frac{W}{L}\left[\left(V{GS}-V{TH}\right)V{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]$$
  3. Saturation region

    • 条件:$$V{DG}<\left| V{TH}\right|$$
    • 电压电流特性:$$I_D=\frac{1}{2}\mu_pC{ox}\frac{W}{L}\left(V{GS}-V{TH}\right)2\left(1-\lambda V{DS}\right)$$
  4. Transconductor $g_m$ and output resistance $r_0$: 和NMOS完全一样。

Small Signal Analysis

Small Signal Analysis是将MOSFET用等效电路代替,来分析AC信号的分析过程。在进行Small Signal Analysis的时候,要将DC电压源看做等效AC短路,将DC电流源看做等效AC断路。

Small Signal Analysis最重要的就是明确MOSFET的等效电路,然后就是电路分析了。NMOS和PMOS的等效电路如图

NMOS等效电路

PMOS等效电路



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