前面我们详细的介绍了共射放大电路的设计步骤,对于低频信号,可以不考虑三极管的频率特性,但是随着输入信号频率的增加,MOS管的寄生电容就不得不考虑。MOS管有极间电容有Cgd,Cgs,Cds。
MOS管的寄生电容
Cgs跨接在输入端与地之间,对于输入端来说与基极电阻构成了低通滤波器,会使MOS管的高频性能下降。Cds跨接在输出端与地之间,对于输出端来说与基极电阻构成了低通滤波器,会使MOS管的高频性能下降。虽然Cgs和Cds都使MOS管的高频性能下降,却很好理解。只要知道了这两个容值,和输入输出电阻就可以计算出截止频率,那么我们的输入信号就低于这个截止频率就OK了,但是Cgd怎么理解呢?它跨接在输入和输出两端,对于输入来说等效电容是多少?对于输出来说能效电容是多少呢?
1、一个简单的例子
一个159mV的1K正弦波交流电压源跨接到C1两端,电流表的读数是1mA,通过I=2*pi*f*C*V,我们可以求出C1的容值是1uF。
电容C1还是那个电容,我们在电容的另一端加上反向的1590mV的1K正弦波交流电压源,此时,电流表的读数是11mA。如果我们还用公式I=2*pi*f*C*V来计算C1这个电容,则得到的数值是11uF。原理很简单,第一个例子电容两端电压变化幅度是159mV,第二个例子电容两端变化的幅度是159mV+1590mV,扩大了11倍。如果只从VG1那一端看过去就好像电容也扩大了11倍。同样,如果只从VG2那一端看过去就好像电容扩大了1.1倍。
2、MOS管中的密勒效应
当MOS管处于截止区时,MOS管漏极固定为VDD,对于输入输出端等效电容就是Cgd。当MOS管处于饱和区时,MOS管漏极固定为GND,对于输入输出端等效电容就是Cgd。当MOS管处于放大区时,MOS管漏极电压随着G极电压的增大而反向增大A倍,Cgd对于输入端,等效电容为(1+A)*Cgd,对于输出端,等效电容为(1+1/A)*Cgd。这个现象最早是由美国无线电工程师John Milton Miller在1919年到1920年间,在研究真空管时发现的,后来这个现象就以它的姓氏命名,叫做Miller Effect。
3、密勒平台
由于Miller Effect,在MOS管开启的过程中,GS两端电压在上升过程中有一个平台或凹坑,这个平台就是密勒平台。建立如下仿真模型:
观察电压探头VF2测得的电压,1us时,VG1开始给MOS管栅极加电压,使徒开启MOS管。
第一阶段:1.4us之前,MOS管工作在截止区,电压逐渐上升,说明在给MOS管的寄生电容Cgs和Cgd充电,此时输入端的等效电容为Cgs+Cgd。第二阶段:在1.4us到1.9us之间,MOS管开始工作在放大区,此时输入端的等效电容为Cgs+(1+A)*Cgd,因为放大倍数A通常非常大,所以等效的电容也非常大,充电缓慢,出现密勒平台。第三阶段:在1.9us以后,MOS管此时处于饱和区,输入端的等效电容为Cgs+Cgd,电容重新恢复到一个比较小的值,栅极电压继续上升。
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