MOS管的原理和实际模型

乱世煮酒论天下 发表于 2024-10-1 13:35

本帖最后由乱世煮酒论天下于 2024-10-1 13:35 编辑

一、简单的MOS大信号模型

以N沟道MOS为例，大信号的电压和电流的正方向如下表示，同样适用于P沟道MOS管，只需在所有的电压和电流值乘以-1即可；

<img alt="i_{D}=\frac{\mu _{0}CW}{L}[(V_{GS}-V_{T})-V_{DS}/2]V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cmu%20_%7B0%7DCW%7D%7BL%7D%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29-V_%7BDS%7D/2%5DV_%7BDS%7D" />

实际上更适用于如下表示：、

<img alt="i_{D}=\beta [(V_{GS}-V_{T})-V_{DS}/2]V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29-V_%7BDS%7D/2%5DV_%7BDS%7D" />，其中<img alt="\beta" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?%5Cbeta" />表示跨导

1、当器件的栅源电压比较低时，MOS管工作在非饱和区，具体的工作区取决于<img alt="V_{GS}-V_{T}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D" />的值，如果<img alt="V_{GS}-V_{T}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D" />为零或者是负值，则MOS管工作在截止区，漏极电流<img alt="i_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D" />为0；

由<img alt="i_{D}=\beta [(V_{GS}-V_{T})-V_{DS}/2]V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29-V_%7BDS%7D/2%5DV_%7BDS%7D" />可知，漏极电流<img alt="i_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D" />是<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />的二次函数，对于每一个<img alt="V_{GS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BGS%7D" />都有一个最大值<img alt="i_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D" />，在该点的MOS管被称为饱和，此时的<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />的值称为饱和电压，也就是<img alt="V_{DS}(sat)=V_{GS}-V_{T}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D%28sat%29%3DV_%7BGS%7D-V_%7BT%7D" />,于是定义<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />为两个区的分界线：

2、如果<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />小于<img alt="V_{DS}(sat)" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D%28sat%29" />，MOS管工作在非饱和区，上式变为<img alt="i_{D}=\beta [(V_{GS}-V_{T})-V_{DS}/2]V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29-V_%7BDS%7D/2%5DV_%7BDS%7D" />；

3、如果<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />大于<img alt="V_{DS}(sat)" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D%28sat%29" />，MOS管工作在饱和区，这里的电流<img alt="i_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D" />和<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />无关，因此将<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />换成<img alt="V_{DS}(sat)" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D%28sat%29" />得到：上式变为<img alt="i_{D}=\beta [(V_{GS}-V_{T})]^{2}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29%5D%5E%7B2%7D" />，该式表明，一旦<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />大于<img alt="(V_{GS}-V_{T})" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29" />，漏极电流即为一常数，事实并非如此，随着漏极电压增大沟道减小引起电流增大，这种现象称为沟道长度调制效应，相应地饱和模型应该乘以一个因子<img alt="(1+\lambda V_{DS})" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?%281&plus;%5Clambda%20V_%7BDS%7D%29" />，因此上式变为<img alt="i_{D}=\beta [(V_{GS}-V_{T})]^{2}( 1+\lambda V_{DS})" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29%5D%5E%7B2%7D%28%201&plus;%5Clambda%20V_%7BDS%7D%29" />

二、MOS管的小信号模型

小信号模型和大信号参数有关，小信号模型是以大信号变量的增量比或者大信号变量对另外一个的偏微分定义的；

电导：定义为体-漏的等效电导，通常很小，因为这些结通常反偏；

三、CMOS子电路

1、MOS开关

在开关状态下，MOS管处在非饱和区，在开关导通状态，沟道电阻很小，开关两端的电压很小，且<img alt="V_{GS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BGS%7D" />很大，结合MOS管的大信号模型此时漏极电流由下式决定：

<img alt="i_{D}=\beta [(V_{gs}-V_{T})V_{DS}-V_{DS}^{2}/2]" file="" initialized="true" inpost="1" lazyloaded="true" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta%20%5B%28V_%7Bgs%7D-V_%7BT%7D%29V_%7BDS%7D-V_%7BDS%7D%5E%7B2%7D/2%5D" zoomfile="" />；

小信号沟道电阻为：<img alt="r_{on}=1/(\partial i_{D}/\partial V_{DS})=L/{(\beta (V_{GS}-V_{T})-V_{DS})}" file="" initialized="true" inpost="1" lazyloaded="true" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?r_%7Bon%7D%3D1/%28%5Cpartial%20i_%7BD%7D/%5Cpartial%20V_%7BDS%7D%29%3DL/%7B%28%5Cbeta%20%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29-V_%7BDS%7D%29%7D" zoomfile="" />；

2、MOS有源电阻

当MOS管的栅极和漏极接到一起时，伏安特性近似为一个二极管，其大信号模型如下，此时MOS管工作在饱和区；

<img alt="i_{D}=\beta/2 [(V_{GS}-V_{T})]^{2}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D%3D%5Cbeta/2%20%5B%28V_%7BGS%7D-V_%7BT%7D%29%5D%5E%7B2%7D" />

把栅极连接到漏极意味着<img alt="V_{DS}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDS%7D" />控制<img alt="i_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?i_%7BD%7D" />，因此沟道跨导变为沟道电导，MOS有源电阻的小信号电阻为<img alt="r=1/g_{m}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?r%3D1/g_%7Bm%7D" />；

3、电流源

电流源其电流在任何时候都和端电压无关，典型的电流源应该分别有一个<img alt="V_{DD}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BDD%7D" />和<img alt="V_{EE}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?V_%7BEE%7D" />的电源，栅极电压应该能够提供MOS管所需的电压值，并且电流源的端电压必须大于一定值才能使电流源正常工作；

如果电流源的源极和衬底都接地，那么小信号输出电阻由下式决定：<img alt="r_{O}=(1+\lambda V_{DS})/\lambda I_{D}" src="https://bbs.eeworld.com.cn/gif.latex?r_%7BO%7D%3D%281&plus;%5Clambda%20V_%7BDS%7D%29/%5Clambda%20I_%7BD%7D" />；这种电流源存在两个缺点需要改进，一是增加小信号输出电阻，在输出电压变化时使电流趋近不变，二是要减小MOU管电流源输出电压的阈值；

qwqwqw2088 发表于 2024-10-1 17:53

MOS管的大信号模型、

小信号模型，

CMOS子电路，

大概是这样子的，不过文档里面的公式引用没有说具体出处，把图贴上最好

振动试验仪器 发表于 2024-10-1 18:30

国庆节还在加班呀，辛苦了。

振动试验仪器 发表于 2024-10-1 18:39

MOS管的大信号、小信号怎么定义呢，

zhangmingquan 发表于 2024-10-2 09:25

来自扎哈维吗学习学习大信号和小信号的区别不是很懂

chejm 发表于 2024-10-2 20:09

对mos管的技术知识的介绍非常专业，很有深度，值得收藏学习

123456789qwq 发表于 2024-10-4 23:20

资料很好，对我现在确实很有帮忙，感谢大佬；资料很好，对我现在确实很有帮忙，感谢大佬；资料很好，对我现在确实很有帮忙，感谢大佬

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