反相器做放大器

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1、以CMOS反相器作為類比信號放大器的原理（發表於新電子雜誌2001‧8月號第185期p177∼184）12宋自恆林慶仁1.品佳股份有限公司研發工程師2.中央研究院地球科學研究所技士一、前言CMOS反相器（Inverter）一般大多用於數位電路上，作為高態電壓和低態電壓的轉換之用，而由於它具有高輸入阻抗以及高回授阻抗的特性，把它拿來當作類比信號放大器使用時，在某一頻帶範圍內可得到相當高的電壓增益，這種電路原理很難直接從仿間的書籍查閱得到，本文玆以脆音偵測器（PassiveSonicDetector）的電路為例，來說明此種特

2、殊的應用。二、電路功能脆音偵測器主要是利用被動式麥克風來接收如窗戶玻璃等脆性物質被打破時所發出的高頻聲音信號，利用CMOS反相器所組成的類比信號放大器來放大此一頻帶範圍的信號，並驅動電晶體開關而讓繼電器動作，進而控制某些機電器材，其主要應用在防盜系統當中。圖一為脆音偵測器的完整電路圖，電路共分三個部分，分別是Ａ﹑帶通率波放大器部分，Ｂ﹑準位偵測電路部分和Ｃ﹑負載驅動電路部份，其中Ａ部分為本文所要探討的主要內容。電路的主要原理為藉由被動式麥克風來接收到聲頻訊號後，經過CMOS反相器Ｕ1A∼Ｕ1D等四級類比信號放大器來放大信

3、號，藉以驅動Ｑ1電晶體開+12VＣ.負載驅動電路部分R12U1FR15R162.2K74041M220KR141213+12VD22.2KK1LEDQ22N222212VRELAYR13C10C92.2K100uF100uFR11U1ER102.2K740410K1011Q42N3904Q32N2222Q12N2222C5R6R7C6R8100P56K10M100P10KC8C89810uFR9D1100uF560KIN4148U1D7404Ｂ.準位偵測電路部份VR1200KU1CU1BU1A74047404740465

4、4321R5C4R4C3R3R2C110M30P10M30P10M560K30PC2R130P1MX1MICROPHONEＡ.帶通率波放大器部分圖一、脆音偵測器電路圖關，經由Ｑ1電晶體和Ｃ8電容的充放電作用，使CMOS反相器Ｕ1E和Ｕ1F動作，當聲頻訊號夠大時，由Ｕ2Ａ驅動Ｑ2，使ＬＥＤ亮，由Ｕ2Ｂ驅動Ｑ3Ｑ4達靈頓電晶體使繼電器動作。三、相關知識介紹3.1CMOS的特性介紹CMOS的基本組態是由一對PMOS和NMOS電晶體疊接而成的（如圖二），其輸出特性曲線（如圖三）共分為五區。第一區是當VI＜VTN時，VO=VDD，

5、此時QN在截止區，QP在三極體區（圖三的Ι部分）。第二區是當VI＞VTN時，此時曲線是二次曲線，QN在飽和區，QP在三極體區（圖三的Ⅱ部分）。第三區時（圖三的Ⅲ部分）QN和QP均在飽和區，此時電晶體的電流方程式為：2NMOS的洩極電流iDN=Kn(VGSN-VTN)，而PMOS的洩極電流22iDP=Kp(VGSP-VAP)=Kp(VGSP-VTP)因為此時NMOS的洩極電流等於PMOS的洩極電流，即iDN=iDP22所以Kn(VGSN-VTN)=Kp(VGSP-VTP)22ÞKn(VI-VTN)=Kp(VDD-VI-VT

6、P)KPV-V=(V-V-V)ITNDDITPKNKPV+(V-V)TNDDTPKN故V=（Eq.1）IKP1+KN在此區工作時，若加入小訊號，則CMOS元件便可當作類比信號放大器使用，其等效電路圖四所示。圖四經簡化後得圖五，此時的信號增益為：VO=-(gmN+gmP)VI(rON//rOP//RL)VOÞ=-(gmN+gmP)(rON//rOP//RL)（Eq.2）ViVDD第四區是當VI＞時，QN在三極體區，QP在飽和區，此時曲線也是二2+VDDVo+VTP-IIIQPIIIQNCINCOUTIV+VTN-VVi-

7、VDD圖三圖二次曲，（圖三的Ⅳ部分）。第五區是當VI＞（VDD-Vt）時，VO=0，此時QN在三極體區，QP在截止區（圖三的Ⅴ部分）。SnViVOgmVgsprop(gmN+gmP)ron//rop//RLdpgp‧gnViVOdnronRLgmVgsn圖五Sn圖四3.2回授觀念圖6為回授放大器的基本電路結構，Ｘ代表電壓或電流信號，其中XAXo=A=ÞO=X-bXXi=Xs–Xf，fsoX1+bAAsCMOS類比信號放大器是屬於並聯－並聯式回授模型（如圖7），若'把回授網路等效後，其中Ａ為一個阻值VO，而β為If，則此時

8、的回授'IVSOA增益為A=。f1+bA3.3密勒阻抗+轉阻Is+XiRs放大器VoXsÓAXo--+Xf回授網路VoB-圖七圖六V2圖8為密勒阻抗的模型，令電壓增益A=，VV1V-VV-AVV122V11則此時的輸入端電流I1===，ZZZ/(1-A)VZ輸入端的等效阻抗Ｚ1＝（Eq.3）1-AVV-VV-V/AV