NMOS放大器电路模型详解(一)
先说几句废话
前几期讲的mosfet的物理结构、电学特性是我们研究mosfet的基础，只掌握这些在实际电路中是没法用的，今天讲的内容才是我们在电路设计中所用到的，但是前几期的内容都是废话吗？当然不是，只有知道了那些基础，再看到电路模型的时候才不会感觉奇怪，才会把mosfet的电路模型深入到自己的潜意识中。
本期内容
如何构造一个放大器？
nmos放大器电路模型（pmos道理是一样的，这里不再赘述）
1、如何构造一个放大器？
有一个小信号vin=1mv，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一个压控电流源。就是一个随vin的变化而变化的电流源。你是不是要问为什么是电流源，不是电压源呢？因为我们的mos管就是一个压控的电流源。
fig. 1 构造一个放大器
看下图fig.1，只要kr_l的值等于10或20，我们就可以放大相应的倍数。
2、nmos放大器电路模型
① noms工作在饱和区时为一个压控电流源
在之前我讲过，当nmos工作在饱和区（v_ds>v_gs-v_th）时，流过沟道的电流i_d与(v_gs-v_th)^2成正比，与v_ds无关，此时，mos管可以看成是一个受v_gs控制的电流源。如下图。记住，nmos作为放大器时一定是工作在饱和区的。
fig. 2
所以，工作在饱和区的nmos的等效电路为：
fig. 3
利用noms的等效电路构建我们的放大电路，如图fig. 4，其中，mos管的栅极为信号v_in的输入端，mos管的漏极作为信号v_out输出端；vcc为供电电源，作用是为了满足v_ds>v_gs-v_th这个饱和区工作条件；r_l的作用和fig.1中的r_l作用一样，是为了将电流转换正电压输出。
fig. 4
② nmos不是一个线性的受控电流源，放大信号会失真，怎么办？
fig.1 中的压控电流源电流为kv_1，这才是一个线性受控源。而nmos的电流i_d与(v_gs-v_th)^2成正比，如图fig. 4。这就导致当输入信号较大时，放大倍数大，当输入信号小时，放大倍数小。信号波形放大后就会失真。
fig. 4
那我们怎么办呢？其实到目前为止，我们没有什么很好的办法，只能约束输入条件，只有当输入的信号足够小时，才能认为这个放大器是线性放大。
fig.5
如图fig. 5，当vin的范围非常小时，v-i曲线可以看成是直线。我们可以根据之前得到的i_d和v_gs的表达式，求导就可以求出曲线的斜率g_m。
fig. 6
所以，如图fig. 6，v_in = v_0+v_in，其中，v_0为一个直流偏压，v_in为我们的小信号输入，当它特别小时，i_d = i_d0+g_m * v_in，g_m为v-i曲线的斜率，和放大倍数直接相关，具体什么关系呢？我们下期讲解小信号电路模型的时候详细介绍。
③ 为什么要有直流偏置呢？
第一，因为v_gs需要大于v_th，nmos才能正常工作。第二，因为v-i曲线的斜率g_m和v_gs成正比，当v_gs比较小时，g_m非常小，不能得到很好的放大倍数。v_gs越大，g_m越大，放大倍数越大，那是不是v_gs越大越好呢？当然也不是，首先，因为要想nmos工作在饱和区，需要满足v_ds>v_gs-v_th，当v_gs越大时，v_ds就得越大，这个功耗就越大。第二，v_gs、v_ds得控制在nmos的承受范围，如果加的过大，会破会mos管，导致无法工作。所以选择一个正确的直流偏置是nmos放大电路的一个关键因素。
例子：当直流偏置v_0很小，接近v_th时，fig.6中曲线的斜率g_m是一个非常小的量，得到的i_d也是一个特别小的量，要想实现v_out的放大，则fig. 4中的r_l就必须是一个非常非常大的值，可能是几千万欧姆，这种电阻现实生活中是很难实现的。所以再强调一便，选择一个正确的直流偏置是nmos放大电路的一个关键因素。
总结
① 设计一个放大器需要压控电流源。
② nmos在工作在饱和区时是一个非线性压控电流源，小信号时可以看成是线性的。
③ 放大倍数与偏置有关。
本期内容可以看出当我们在nmos栅极输入大信号时，nmos放大电路是非线性的，但当栅极输入小信号时，nmos放大电路可以认为是线性的。大信号模型我们主要用来计算偏置，小信号模型我们用来计算信号的放大倍数。
下期我们想想讲解nmos的大信号模型和小信号模型。
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前几期讲的mosfet的物理结构、电学特性是我们研究mosfet的基础，只掌握这些在实际电路中是没法用的，今天讲的内容才是我们在电路设计中所用到的，但是前几期的内容都是废话吗？当然不是，只有知道了那些基础，再看到电路模型的时候才不会感觉奇怪，才会把mosfet的电路模型深入到自己的潜意识中。
本期内容
如何构造一个放大器？
nmos放大器电路模型（pmos道理是一样的，这里不再赘述）
1、如何构造一个放大器？
有一个小信号vin=1mv，如何把它放大10倍、20倍呢？答案是需要一个压控电流源。就是一个随vin的变化而变化的电流源。你是不是要问为什么是电流源，不是电压源呢？因为我们的mos管就是一个压控的电流源。
fig. 1 构造一个放大器
看下图fig.1，只要kr_l的值等于10或20，我们就可以放大相应的倍数。
2、nmos放大器电路模型
① noms工作在饱和区时为一个压控电流源
在之前我讲过，当nmos工作在饱和区（v_ds>v_gs-v_th）时，流过沟道的电流i_d与(v_gs-v_th)^2成正比，与v_ds无关，此时，mos管可以看成是一个受v_gs控制的电流源。如下图。记住，nmos作为放大器时一定是工作在饱和区的。
fig. 2
所以，工作在饱和区的nmos的等效电路为：
fig. 3
利用noms的等效电路构建我们的放大电路，如图fig. 4，其中，mos管的栅极为信号v_in的输入端，mos管的漏极作为信号v_out输出端；vcc为供电电源，作用是为了满足v_ds>v_gs-v_th这个饱和区工作条件；r_l的作用和fig.1中的r_l作用一样，是为了将电流转换正电压输出。
fig. 4
② nmos不是一个线性的受控电流源，放大信号会失真，怎么办？
fig.1 中的压控电流源电流为kv_1，这才是一个线性受控源。而nmos的电流i_d与(v_gs-v_th)^2成正比，如图fig. 4。这就导致当输入信号较大时，放大倍数大，当输入信号小时，放大倍数小。信号波形放大后就会失真。
fig. 4
那我们怎么办呢？其实到目前为止，我们没有什么很好的办法，只能约束输入条件，只有当输入的信号足够小时，才能认为这个放大器是线性放大。
fig.5
如图fig. 5，当vin的范围非常小时，v-i曲线可以看成是直线。我们可以根据之前得到的i_d和v_gs的表达式，求导就可以求出曲线的斜率g_m。
fig. 6
所以，如图fig. 6，v_in = v_0+v_in，其中，v_0为一个直流偏压，v_in为我们的小信号输入，当它特别小时，i_d = i_d0+g_m * v_in，g_m为v-i曲线的斜率，和放大倍数直接相关，具体什么关系呢？我们下期讲解小信号电路模型的时候详细介绍。
③ 为什么要有直流偏置呢？
第一，因为v_gs需要大于v_th，nmos才能正常工作。第二，因为v-i曲线的斜率g_m和v_gs成正比，当v_gs比较小时，g_m非常小，不能得到很好的放大倍数。v_gs越大，g_m越大，放大倍数越大，那是不是v_gs越大越好呢？当然也不是，首先，因为要想nmos工作在饱和区，需要满足v_ds>v_gs-v_th，当v_gs越大时，v_ds就得越大，这个功耗就越大。第二，v_gs、v_ds得控制在nmos的承受范围，如果加的过大，会破会mos管，导致无法工作。所以选择一个正确的直流偏置是nmos放大电路的一个关键因素。
例子：当直流偏置v_0很小，接近v_th时，fig.6中曲线的斜率g_m是一个非常小的量，得到的i_d也是一个特别小的量，要想实现v_out的放大，则fig. 4中的r_l就必须是一个非常非常大的值，可能是几千万欧姆，这种电阻现实生活中是很难实现的。所以再强调一便，选择一个正确的直流偏置是nmos放大电路的一个关键因素。
总结
① 设计一个放大器需要压控电流源。
② nmos在工作在饱和区时是一个非线性压控电流源，小信号时可以看成是线性的。
③ 放大倍数与偏置有关。
本期内容可以看出当我们在nmos栅极输入大信号时，nmos放大电路是非线性的，但当栅极输入小信号时，nmos放大电路可以认为是线性的。大信号模型我们主要用来计算偏置，小信号模型我们用来计算信号的放大倍数。
下期我们想想讲解nmos的大信号模型和小信号模型。
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