Tải bản đầy đủ (.pdf) (31 trang)

Lecture Electrical Engineering: Lecture 31 - Dr. Nasim Zafar

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (723.59 KB, 31 trang )

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1 ­ EEE 231
 Fall Semester – 2012


Lecture No. 31
v

v

 

 Biasing in MOS Amplifier Circuits
and
v

9/24/18

 Single­Stage MOS Amplifiers

Dr. Nasim Zafar.

2


Biasing in MOS Amplifier Circuits
Lecture No. 31


v

Contents:

v

Voltage biasing scheme

v

Ø

Biasing by fixing voltage

Ø

Biasing with feedback resistor

Current­source biasing scheme

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

3


Lecture No. 31
Biasing in MOS Amplifier Circuits
Reference:


Chapter 4.5 
Microelectronic Circuits
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

4


Introduction

Ø

Ø

An essential step in the design of a MOSFET amplifier circuit 
is the establishment of an appropriate dc operating point for 
the transistor.
This is the step known as biasing or bias design.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

5



Biasing by Fixing VGS
Ø

Ø

Ø

The most straightforward approach to biasing a MOSFET is to 
fix its gate­to­source voltage VGS to the value required to 
provide the desired ID.
ID = 1/2kn’(W/L)(VGS­VT)2   

(4.20)

However, Biasing by fixing VGS is not a good technique.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

6


Disadvantages of fixed biasing

Ø

The use of fixed bias 
(constant VGS) can result in 
a large variability in the 

value of ID.

 Fixing biasing may result in 
large ID variability due to 
deviation in device 
performance
Ø

Ø

Ø

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

Current becomes 
temperature dependent
Thus, Unsuitable biasing 
method

7


Biasing using a Fixed Voltage at the Gate and a 
Resistance in the Source
Ø

An excellent biasing technique for discrete MOSFET circuits 
consists of fixing the dc voltage at the gate, VG, and 

connecting a resistance in the source lead, as shown in 
Fig.4.30(a). For this circuit we
VG=VGS+RS ID

Ø

(4.46)

Resistor Rs provides negative feedback, which acts to stabilize 
the value of the bias current ID.

Ø
9/24/18
Dr. Nasim Zafar.
8
Rs gives it the name degeneration resistance.


Biasing using a Fixed Voltage at the Gate , VG  
and a Resistance in the Source
Ø

Ø

Ø

Figure 4.30(b) provides a graphical illustration of the 
effectiveness of this biasing scheme.
The intersection of this straight line with the iD­VGS 
characteristic curve, provides the coordinates (ID and VGS), of 

the bias point.
compared to the case of fixed VGS, here the variability in ID is 
much smaller.

Ø
9/24/18
Dr. Nasim Zafar.
9
Two possible practical discrete implementations of this bias 


Biasing using a fixed voltage at the gate, 
and a resistance in the source

Ø

Figure 4.30:

Ø

(a) The basic arrangement;

Ø

(b) Reduced variability in ID;

Ø

(c) Practical implementation using a single supply; 


9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

10


Biasing using a fixed voltage at the gate, 
and a resistance in the source

Ø

Ø

(d) Coupling of a signal source to the gate using a capacitor CC1
 (e) practical implementation using two supplies.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

11


Biasing Using a Drain­to­Gate Feedback Resistor

Ø

In Fig. 4.32, the large feedback resistance RG(usually in the 
MΩ range) forces the dc voltage at the gate to be equal to that 

at the drain (because IG=0). Thus we can write:
VGS  = VDS = VDD­RD ID
VDD = VGS  +  RD ID

Ø

(4.49)

which is identical in form to Eq. (4.46). 
VG=VGS+RS ID

9/24/18

(4.46)

Dr. Nasim Zafar.

12


Biasing the MOSFET using a large Drain­
to­Gate Feedback Resistance, RG

Figure 4.32: Biasing the MOSFET 
using a large drain­to­gate feedback 
resistance, RG.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.


13


Biasing the MOSFET using a constant­Current 
Source I. 
Ø

Ø

Ø

The most effective scheme for biasing a MOSFET amplifier is 
that using a constant­current source.
Figure 4.33(a) shows such an arrangement applied to a 
discrete MOSFET.
A circuit for implementing the constant­current source I is 
shown in Fig. 4.33(b).

This circuit, known as a current mirror, is very popular in 
9/24/18
Dr. Nasim Zafar.
14
the design of IC MOS amplifiers.
Ø


Biasing the MOSFET using a constant­
Current Source I. 


Figure 4.33 
(a)
(b)

Biasing the MOSFET using a constant­current source I. 
Implementation of the constant­current source I using a current 
mirror.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

15


Single­Stage MOS Amplifiers
Lecture No. 31
v Contents:
v Basic structure 
v Characteristic parameters
v Three configurations:
Ø

Common­source configuration

Ø

Common­drain configuration

Ø


Common­gate configuration

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

16


Basic Structure of the Circuit

Basic structure of the circuit 
used to realize single­stage 
discrete­circuit MOS 
amplifier configurations.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

17


Characteristic Parameters of Amplifier

9/24/18

Ø


This is the two­port network of amplifier.

Ø

Voltage signal source.

Ø

Output signal is obtained from the load resistor.

Dr. Nasim Zafar.

18


The Common­Source (CS) Amplifier

Ø

Ø

Ø

Ø

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

Common­source amplifier 

based on the circuit of 
basic structure.
Biasing with constant­
current source.
CC1 And CC2 are 
coupling capacitors.
CS is the bypass capacitor.

19


Equivalent Circuit of the CS Amplifier

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

20


Summary of CS Amplifier

v

Very high input resistance

v

Moderately high voltage gain


v

Relatively high output resistance

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

21


The Common­Gate Amplifier Circuit

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

Biasing with constant 
current source I
Input signal vsig is 

applied to the source
Output is taken at the 
drain
Gate is signal grounded
CC1 and CC2 are 
coupling capacitors

22


The Common­Gate Amplifier

ØA small­signal 
equivalent circuit of the 
amplifier in fig. (a). 
ØT model is used in 
preference to the π model
ØNeglecting ro

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

23


Summary of CG Amplifier

Ø


Noninverting amplifier.

Ø

Low input resistance.

Ø

Has nearly identical voltage gain of CS amplifier, but the 
overall voltage gain is smaller by the factor (1+gmRsig ) .

Ø

Relatively high output resistance.

Ø

Current follower.

Superior high­frequency performance.
9/24/18
Dr. Nasim Zafar.
Ø

24


The Common­Drain or Source­Follower 
Amplifier


Biasing with current source
Input signal is applied to gate, output signal is taken at the source.
9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

25


×