单级放大器及频率特性(1)

1、单级放大器及频率特性单级放大器及频率特性主要内容主要内容o 分析思路分析思路o 共源放大器共源放大器o 源极跟随器源极跟随器o 共栅放大器共栅放大器o 频率特性频率特性o 设计案例设计案例o 共源共栅放大器共源共栅放大器o 折叠式级联放大器折叠式级联放大器基本考虑n低频放大器设计与分析低频放大器设计与分析的的一些基本的考虑一些基本的考虑o 手算与计算机模拟手算与计算机模拟n手算并不能得到精确的结果，为了简化计算，常常需要做很多近似并忽略许手算并不能得到精确的结果，为了简化计算，常常需要做很多近似并忽略许 多多细节，即使在直流分析中，细节，即使在直流分析中，10%-20%的误差也是正常的；合理的

2、简化是为的误差也是正常的；合理的简化是为了对电路工作有更深入的直观的理了对电路工作有更深入的直观的理 解，是为了发现和控制影响电路性能的关键解，是为了发现和控制影响电路性能的关键因素，为电路优化提供方向；因素，为电路优化提供方向；n计算机模拟可以达到很高的精度，但是并不能直观地告诉我们哪些参数是最重计算机模拟可以达到很高的精度，但是并不能直观地告诉我们哪些参数是最重 要的，它们之间有什么关系要的，它们之间有什么关系。o 交流接地交流接地(AC Ground)n所谓交流信号就是随时间变化的信号，电路中的任何节点如果电压保持恒所谓交流信号就是随时间变化的信号，电路中的任何节点如果电压保持恒 定，定

3、，不随信号不随信号(或时间或时间)而变化，就成为交流地。而变化，就成为交流地。n直流电压源、偏置电压都是交流地，差分放大器中也常遇到差分信号的交流地直流电压源、偏置电压都是交流地，差分放大器中也常遇到差分信号的交流地或差分虚地的情况。或差分虚地的情况。n在电路分析中要充分利用交流地，以简化电路结构，方便分析在电路分析中要充分利用交流地，以简化电路结构，方便分析。大信号与小信号的定义大信号与小信号的定义o大信号与小信号大信号与小信号n对于对于MOS管，当栅管，当栅-源电压为源电压为vGS=VGS+vgs时，漏极电流为时，漏极电流为：n当当 时：时：o所以所以CMOS放大电路的小信号是与放大电路的

4、小信号是与(VGS-Vth)相比而言相比而言。gsthGSgsthGSoxgsthGSoxthgsGSoxDvVVvVVLWCvVVLWCVvVLWCi221 21 212222)(thGSgsVVv gsmDgsthGSoxthGSoxgsthGSthGSoxDvgIvVVLWCVVLWCvVVVVLWCi 21 )(22122大信号与小信号的定义大信号与小信号的定义o对于三极管，当对于三极管，当BE之间电压为之间电压为 时，集电极电流为时，集电极电流为o当当 ，可以将上式泰勒展开，可以将上式泰勒展开o因此，对三极管来说，信号的大小是与因此，对三极管来说，信号的大小是与VT相比而言。相比而言

5、。o通常情况下，为保证一定的输入信号范围，通常情况下，为保证一定的输入信号范围，(VGS-Vth)需要设置在需要设置在100-300mV的范围，过大会影响电路的其它指标；而的范围，过大会影响电路的其它指标；而VT在室温在室温下只有约下只有约26mV，从，从 这个意义上来说这个意义上来说MOS管放大器的输入信号范管放大器的输入信号范围更大。围更大。beBEBEvVv TbeTbeTBETbeBETBEVvCVvVVSVvVSVvSCeIeeIeIeIi/ )(/ TbeVvbemCbeTCCTbeTbeCCvgIvVIIVvVvIi 2112o 对于每一种结构，先进行直流分析，然后进行对于每一种

6、结构，先进行直流分析，然后进行低频交流小信号分析。低频交流小信号分析。o 分析方法一般都先采用一个简单模型进行分析，分析方法一般都先采用一个简单模型进行分析，然后逐步增加一些诸如沟道调制效应、衬底效然后逐步增加一些诸如沟道调制效应、衬底效应等二阶效应的分析。应等二阶效应的分析。o 放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工作电压、线性、噪声、最大电压摆幅以及输入、作电压、线性、噪声、最大电压摆幅以及输入、输出阻抗等。其中的大部分性能指标之间是相输出阻抗等。其中的大部分性能指标之间是相互影响的，因而进行设计时必须实现多维的优互影响的，因而进行设计时必须实现多

7、维的优化。化。 分析思路分析思路共源放大器共源放大器共源放大器共源放大器o 所谓共源放大器是指输入输出回路中都包所谓共源放大器是指输入输出回路中都包含含MOS管的源极，即输入信号从管的源极，即输入信号从MOS管管的栅极输入，而输出信号从的栅极输入，而输出信号从MOS管的漏极管的漏极取出。取出。o 根据放大器的负载不同，共源放大器可以根据放大器的负载不同，共源放大器可以分为两种形式：分为两种形式：n 无源负载共源放大器无源负载共源放大器n 有源负载共源放大器有源负载共源放大器共源放大器共源放大器一、无源负载共源放大器一、无源负载共源放大器o 无源负载主要有电阻、电感与电容等。无源负载主要有电阻、

8、电感与电容等。o 主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载时共源放大器的特性。时共源放大器的特性。1电阻负载共源放大器电阻负载共源放大器o 电阻负载共源（电阻负载共源（CS）放大器结构如右）放大器结构如右图所示。对于共源放大器，低频交流信图所示。对于共源放大器，低频交流信号从栅极输入时，其输入阻抗很大，所号从栅极输入时，其输入阻抗很大，所以在分析时可不考虑输入阻抗的影响。以在分析时可不考虑输入阻抗的影响。共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 1）直流分析）直流分析o 根据根据KCL定理，可列出其直流工作的方程：定理，可列出其直

9、流工作的方程：o 而当而当VGSVth时，时，MOS管导通，有：管导通，有：o 则直流工作方程为（注：则直流工作方程为（注：VGSVi，VDSVo）：）： RIVVDoDD )(22DSDSthGSNDVVVVKI RVVVVKVVoothiNDDo)(22 共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 进一步的讨论（分工作区讨论）：进一步的讨论（分工作区讨论）：o 截止区：截止区：ViVth，则，则VoVDD；o 饱和区：饱和区：ViVth，且，且ViVthVo时，有：时，有：o 线性区：线性区： VoViVth，有：，有：2)(thiNDDoVVRKVV )

10、(22oothiNDDoVVVVRKVV共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 o 深线性区：深线性区：Vo2（ViVth），此时），此时M1可可等效为一压控电阻，因此可得到如下图所示的等效为一压控电阻，因此可得到如下图所示的等效电路，则有：等效电路，则有： )(21thiNDDononDDoVVRKVRRRVV转移特性曲线转移特性曲线共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 o注意：在设计放大器时需要保证工作管处于饱和区，即注意：在设计放大器时需要保证工作管处于饱和区，即VoViVth。o对于放大器而言，必须先确定其直

11、流工作点，以得到合适的电压放对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，以得到合适的电压放大增益以及输入输出压摆。大增益以及输入输出压摆。o图解法：先画出图解法：先画出MOS管的输出管的输出 特性（特性（I/V特）曲线，同时在特）曲线，同时在 同一图上画出其直流负载线，同一图上画出其直流负载线， 则直流负载线与则直流负载线与MOS管的管的I/V 特性曲线相交的交点即为其直流特性曲线相交的交点即为其直流 工作点。工作点。o对于电阻负载放大器，根据直流对于电阻负载放大器，根据直流 工作方程可以直接画出其直流负工作方程可以直接画出其直流负 载线，如右图所示。载线，如右图所示。共源放大器共源放大器(电阻负

12、载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 由前图可以很直观地发现：由前图可以很直观地发现：o 直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易进入线性区，从而减小了放大器的增益，也即减进入线性区，从而减小了放大器的增益，也即减小了输入输出的压摆。小了输入输出的压摆。o 直流工作点也不能设置得太小，因为这会使直流工作点也不能设置得太小，因为这会使MOS管进入截止区，进而使放大器不能工作，管进入截止区，进而使放大器不能工作，直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小。直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小。o 所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路

13、的所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路的输入输出摆幅直接相关。输入输出摆幅直接相关。共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 2）交流小信号分析）交流小信号分析o 忽略沟道调制效应，此类电路的交流小信号等忽略沟道调制效应，此类电路的交流小信号等效电路如图所示。效电路如图所示。共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 o 根据根据KCL定理，可以直接得到：定理，可以直接得到：o 该放大电路的电压增益为：该放大电路的电压增益为： “-”表示输出电压与输入电压的变化极性相反。表示输出电压与输入电压的变化极性相反。o 根据根据

14、gm的表达式的表达式Av可重写为：可重写为： VR是指是指M1的漏极电流在电阻的漏极电流在电阻R上产生的压降。上产生的压降。RVgVimo RgAmv DRNDRDNvIVKIVIKA22共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 o 提高提高Av的方法有（其它参数不变只改变某一参数）：的方法有（其它参数不变只改变某一参数）：n 提高跨导值：增大提高跨导值：增大KN即增大即增大W/Lo 缺点：缺点：会导致大的器件寄生电容会导致大的器件寄生电容。n 增大负载电阻增大负载电阻R，因此在同样的，因此在同样的ID时时VR也相应增大也相应增大o 缺点：缺点：n 会减小输

15、出电压摆幅会减小输出电压摆幅（因为输出的最小电压为（因为输出的最小电压为VDDVR）n 会减小输入信号范围会减小输入信号范围（M1工作在饱和区的条件是工作在饱和区的条件是VDDVRViVth，当，当VR增大时，增大时，Vi必须减小以确保必须减小以确保M1工作工作于饱和区）。于饱和区）。RgAmv DRNDRDNvIVKIVIKA44 共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-忽略沟道调制效应忽略沟道调制效应 o 提高提高Av的方法有（其它参数不变只改变某一参的方法有（其它参数不变只改变某一参数）：数）：n 减小减小ID，但注意要同时增大负载电阻以保证，但注意要同时增大负载电阻以保证VR为一常

16、为一常数。数。o 缺点：缺点：导致输出节点存在大的时间常数，减小了带宽导致输出节点存在大的时间常数，减小了带宽。 因此，该电路在增益、输入输出电压因此，该电路在增益、输入输出电压摆幅、带宽之间必须进行合理的折衷。摆幅、带宽之间必须进行合理的折衷。RgAmv DRNDRDNvIVKIVIKA44 共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-考虑沟道调制效应考虑沟道调制效应1）直流分析）直流分析o 考虑沟道调制效应时，其直流工作特性方程为：考虑沟道调制效应时，其直流工作特性方程为：o 在考虑沟道调制效应时，其直流负载线仍是一条在考虑沟道调制效应时，其直流负载线仍是一条直线，其输出特性曲线是一条与直

17、线，其输出特性曲线是一条与VDS成一定角度成一定角度的斜线而不是一条水平线，所以对于此类情况，的斜线而不是一条水平线，所以对于此类情况，图解法求解其直流工作点时，只需将其中的水平图解法求解其直流工作点时，只需将其中的水平线用一条具有一定斜率的直线来替代即可。线用一条具有一定斜率的直线来替代即可。)1()(2othiNDDoVVVRKVV 共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-考虑沟道调制效应考虑沟道调制效应2）交流分析）交流分析o 考虑沟道调制效应的交流小信号等效电路如下考虑沟道调制效应的交流小信号等效电路如下图所示。图所示。共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-考虑沟道调制效应考

18、虑沟道调制效应o 根据根据KCL定理可直接得到交流小信号电压增定理可直接得到交流小信号电压增益：益：o 由于，故有：由于，故有： o 可以看出：考虑沟道调制效应时，其交流小可以看出：考虑沟道调制效应时，其交流小信号增益减小，并且信号增益减小，并且R值越大，值越大，M1的沟道调的沟道调制效应越明显。制效应越明显。 RrRrgAoomv DoIr /1 1DmvIRRgA 共源放大器共源放大器(电阻负载）电阻负载）-考虑沟道调制效应考虑沟道调制效应以电阻为负载的共源放大器具有如下特点：以电阻为负载的共源放大器具有如下特点：o 输出阻抗较小，电压增益小，若通过增大电阻输出阻抗较小，电压增益小，若通过

19、增大电阻R来提高小信号电压增益，则必然使来提高小信号电压增益，则必然使M1很快进入很快进入线性区。线性区。o 一般只用于低增益高频放大器（因为电阻一般只用于低增益高频放大器（因为电阻R的寄的寄生电容远小于电流镜等有源负载的寄生电容）。生电容远小于电流镜等有源负载的寄生电容）。o 电阻电阻R的工艺误差接近的工艺误差接近20%，所以该电路的，所以该电路的增益误差较大，即易产生非线性失真。增益误差较大，即易产生非线性失真。 共源放大器共源放大器(LC谐振负载）谐振负载）2、LC谐振器负载谐振器负载o 以以LC谐振器作为共源放大器的负载的电路结构谐振器作为共源放大器的负载的电路结构如图所示，注意图中所

20、示的电容如图所示，注意图中所示的电容C包括了包括了M1的的寄生电容。寄生电容。共源放大器共源放大器(LC谐振负载）谐振负载）o直流分析与交流小信号分析同电阻负载共源放大器相似，其中负载直流分析与交流小信号分析同电阻负载共源放大器相似，其中负载R用用 替换，此电路在忽略沟道调制效应时的电压增替换，此电路在忽略沟道调制效应时的电压增益为：益为：o在考虑沟道调制效应时的电压放大增益为：在考虑沟道调制效应时的电压放大增益为： o可以看出：在频率可以看出：在频率时，该电路的电压增益为最大，即为时，该电路的电压增益为最大，即为本征增益，在其它频率处增益下降。本征增益，在其它频率处增益下降。LC1LCLjC

21、jLjCL21/1/LCLjgAmv21 1122LCLjrLCLjrgAoomv共源放大器共源放大器(LC谐振负载）谐振负载）由于由于LC谐振器的选频特性，该放大器具有如谐振器的选频特性，该放大器具有如下的性质：下的性质：o 窄带放大或称为调谐放大，其频率由窄带放大或称为调谐放大，其频率由LC谐振的频率谐振的频率决定。决定。o 选频的带通放大，带通的中心频率即为选频的带通放大，带通的中心频率即为LC谐振频率。谐振频率。o 若若L是片上电感，其电感量很小，其是片上电感，其电感量很小，其LC谐振频率就谐振频率就很大，一般要达到很大，一般要达到GHz量级，即此时该电路只对量级，即此时该电路只对GH

22、z的射频信号起放大作用。的射频信号起放大作用。 共源放大器（有源负载）共源放大器（有源负载）二、有源器件作为负载二、有源器件作为负载o 由于采用无源电阻负载时存在着无源器件的精度由于采用无源电阻负载时存在着无源器件的精度低、误差大的缺点，而且大阻值的电阻所占用的低、误差大的缺点，而且大阻值的电阻所占用的芯片面积也较大，所以经常采用有源负载来代替芯片面积也较大，所以经常采用有源负载来代替无源负载。无源负载。 o 而有源负载主要包括：而有源负载主要包括：n 二极管连接的二极管连接的MOS管管n 栅接固定电位的栅接固定电位的MOS管管共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）1、以二极

23、管连接、以二极管连接MOS管为负载的共源级管为负载的共源级o 带二极管负载的共源放大器的电路如图所示。即用一个带二极管负载的共源放大器的电路如图所示。即用一个二极管连接的二极管连接的MOS管来替代电阻管来替代电阻R。（1）直流分析）直流分析o 先忽略先忽略M1的沟道调制效应，在直流条件下有：的沟道调制效应，在直流条件下有： o 即有：即有：22)(thoDDNDVVVKI )(22thNDDDGSDDoVKIVVVV 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 可画出其直流负载线，如图所示，直流负可画出其直流负载线，如图所示，直流负载线与载线与M1的的I/V特性曲线相交之处的特

24、性曲线相交之处的VGS即为其直流工作点。图中即为其直流工作点。图中M点的值为：点的值为：o 而而N点的值为：点的值为： VDDVth222)(thDDNVVK 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 由式由式 可知：可知：n截止区：截止区：ViVth1，且，且VoViVth1，则，则M1与与M2的电流应相等，的电流应相等，故根据饱和萨氏方程有：故根据饱和萨氏方程有：o 把把 代入得：代入得：o 在饱和区，如果忽略在饱和区，如果忽略M2的体效应，则该电路具有线性输的体效应，则该电路具有线性输入输出特性，输出电压入输出特性，输出电压Vo随随Vi的上升而近似成线性减小。的上升而近

25、似成线性减小。 )()(222211thoDDNthiNVVVKVVK LWCKoxnN 21)()(2211thoDDthiVVVLWVVLW )(22thNDDDGSDDoVKIVVVV 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 线性区：线性区：ViVth1，且，且VoViVth1，则有：，则有：o 深线性区：深线性区：M1可等效为一压控电阻，所以：可等效为一压控电阻，所以：o ID2是指是指M2的漏极电流，的漏极电流， 也即流过也即流过M1的电流，而的电流，而 Ron2则是指则是指M2的等效阻抗。的等效阻抗。 转移特性转移特性 )()(2222211thoDDNooth

26、iNVVVKVVVVK DDonononDonoVRRRIRV21121 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）（2）交流小信号分析）交流小信号分析o 当当M1工作在饱和区时，可以得到其等效小信号工作在饱和区时，可以得到其等效小信号模型如下图所示。模型如下图所示。共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 根据根据KCL定理，有：定理，有：o 式中，把跨导公式代入，且由于式中，把跨导公式代入，且由于ID1ID2，则可得到：则可得到：o 可以看出，该放大器的小信号增益是器件尺寸的弱相关函可以看出，该放大器的小信号增益是器件尺寸的弱相关函数，增益相对稳定，输入输出

27、特性的线性度较好。数，增益相对稳定，输入输出特性的线性度较好。o 由以上分析可知：二极管负载的共源级的电压增益与器件由以上分析可知：二极管负载的共源级的电压增益与器件尺寸间的关系是两个尺寸间的关系是两个MOS管之间宽长比之比，而与它们管之间宽长比之比，而与它们之间的几何尺寸无直接关系，因此该类放大器的增益在工之间的几何尺寸无直接关系，因此该类放大器的增益在工艺实现时比较精确。艺实现时比较精确。 11 121221 mmmbmmvgggggA22mmbgg 11)()(21LWLWAv共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 由于用由于用NMOS的二极管连接存在着衬偏效应，的二

28、极管连接存在着衬偏效应，降低了放大器的交流小信号增益，如果采用降低了放大器的交流小信号增益，如果采用PMOS来实现，如下图所示，则不存在衬偏效应。来实现，如下图所示，则不存在衬偏效应。o 忽略沟道调制效应，则其交流小信号电压增益为：忽略沟道调制效应，则其交流小信号电压增益为：o 进一步分析可知：，即有：进一步分析可知：，即有： )()(21LWLWApnv 21DDII 22222111)()(thGSpthGSnVVLWVVLW 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 可得：可得：o 由此可知：此类电路的电压增益为两由此可知：此类电路的电压增益为两MOS管的过管的过驱动电

29、压之比，因此对于较高的电压增益，驱动电压之比，因此对于较高的电压增益，M2的的过驱动电压就较大，而输出电平为：，因过驱动电压就较大，而输出电平为：，因而会严重限制输出压摆。对于此类电路输出的最高而会严重限制输出压摆。对于此类电路输出的最高电平为。电平为。o 同理，因为，电路的电压增益可写同理，因为，电路的电压增益可写为：为：1122thGSthGSvVVVVA 2GSDDVV 2thDDVV thGSmVVKg 2 )(221121thGSPthGSNmmvVVKVVKggA 共源放大器共源放大器（二极管连接负载）（二极管连接负载）o 以上的分析忽略了沟道调制效应，在实际以上的分析忽略了沟道调

30、制效应，在实际电路中是不能忽略的，因此必须考虑沟道电路中是不能忽略的，因此必须考虑沟道调制效应的影响，此时电路的增益为：调制效应的影响，此时电路的增益为： o 所以在考虑沟道调制效应后，其交流小信所以在考虑沟道调制效应后，其交流小信号电压增益减小了。号电压增益减小了。 12121 OOmmvrrggA共源放大器（共源放大器（CMOS放大器）放大器）2、电流源负载的共源放大级、电流源负载的共源放大级CMOS放大器放大器o 实际工作中需要单级放大器有大的增益，由实际工作中需要单级放大器有大的增益，由Av=gmR可可看出，提高增益的一个有效途径就是增大共源级负载。看出，提高增益的一个有效途径就是增大

31、共源级负载。 o 而由前面的讨论可知：直接增大电阻或以而由前面的讨论可知：直接增大电阻或以 二极管连接式负载来增大负载电阻时限制二极管连接式负载来增大负载电阻时限制 了输出电压摆幅。了输出电压摆幅。o 本节讨论一个更有效的提高增益的方法，本节讨论一个更有效的提高增益的方法， 即用电流源作为负载，如右图所示。即用电流源作为负载，如右图所示。共源放大器（共源放大器（CMOS放大器）放大器）1)、直流分析、直流分析o对于工作于饱和区的对于工作于饱和区的PMOS管，其等效阻抗为：管，其等效阻抗为：r0=1/ID，以，以r0替代电阻替代电阻R就可得到其直流负载线，进而得到直流工作图解。就可得到其直流负载

32、线，进而得到直流工作图解。o为了得到其转移特性曲线，有：为了得到其转移特性曲线，有：n截止区：截止区：Viro，则有：则有：n 即负载为一个电流源即负载为一个电流源n 在这种情况下电路的偏置存在困难：在这种情况下电路的偏置存在困难：o 必须精确调整必须精确调整VI与与ID以确定以确定VO的静态工作点的静态工作点共源放大器（电阻负载）设计本征增益共源放大器（电阻负载）设计本征增益o RL趋近无穷大时，基本的共源级则会达到最大可趋近无穷大时，基本的共源级则会达到最大可能的电压增益或称为能的电压增益或称为“本征增益本征增益”：o 前面提到：在现代工艺中几乎不可能得到一个求前面提到：在现代工艺中几乎不

33、可能得到一个求解解rO的方程（的方程（ 是器件的偏置点的函数）是器件的偏置点的函数）o gmrO视为一个与工艺相关的量，只能通过测量或视为一个与工艺相关的量，只能通过测量或仿真获得，但也可近似计算。仿真获得，但也可近似计算。o 其它电路的增益，即使更复杂的电路原则上都与其它电路的增益，即使更复杂的电路原则上都与器件的本征增益有关。器件的本征增益有关。共源放大器（电阻负载）设计品质因子共源放大器（电阻负载）设计品质因子o 通过如下三个品质因子较为全面反映通过如下三个品质因子较为全面反映MOS管性能：管性能：n 转换频率转换频率T（ gm/Cgs ）n 有效跨导有效跨导gm/IDn 本征增益本征增

34、益gmrOo 可以用以上三个因子定义任意的器件（可以用以上三个因子定义任意的器件（MOS，BJT等）特性。等）特性。共源放大器（电阻负载）设计品质因子共源放大器（电阻负载）设计品质因子o对以上三个品质因子进行进一步的分对以上三个品质因子进行进一步的分析可以发现：这三个品质因子都与析可以发现：这三个品质因子都与MOS管的宽度无关。管的宽度无关。o因此在一个因此在一个“归一化空间归一化空间”中可以简化中可以简化工艺特性，并简化了电路设计。工艺特性，并简化了电路设计。共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计gm/ID的仿真及结果的仿真及结果共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）

35、设计fT的仿真及结果的仿真及结果共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计fT的仿真及结果的仿真及结果o 一个简单的长沟道模型对于求解一个简单的长沟道模型对于求解fT并不是很精确：并不是很精确：n 在弱反型及强反型时都存在较大的差距，特别是在在弱反型及强反型时都存在较大的差距，特别是在VOV较大时。较大时。o 存在这些误差的原因与在存在这些误差的原因与在gm/ID中遇到的一样：中遇到的一样：n 在弱反型及中反型时存在双极效应在弱反型及中反型时存在双极效应n 在大的在大的VOV时存在短沟道效应（小的时存在短沟道效应（小的gm，因此产生因此产生较小的较小的gm/Cgs）o 同理用一简单的

36、长沟道关系并不能准确预测同理用一简单的长沟道关系并不能准确预测fT。共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计fT的仿真及结果的仿真及结果共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计-(gm/ID)fT的分析的分析o 对于长沟道有：对于长沟道有：共源放大器（电阻负载）设计（例共源放大器（电阻负载）设计（例1）o 设计一个设计一个CS放大器，满足以下要求：放大器，满足以下要求：n 负载电容负载电容CL为为10pFn 以尽可能小的以尽可能小的MOS管实现管实现DC增益为增益为-2，ID不大于不大于2mA，-3dB频率为频率为100MHz。共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻

37、负载）设计手算（手算（1）o 0.35m CMOS工艺，工艺，NMOS管的本征增益一般不管的本征增益一般不小于小于40，因此对于小信号增益为因此对于小信号增益为2时，放大器的输时，放大器的输出阻抗主要由出阻抗主要由RL确定，同时有确定，同时有L=Lmin= 0.35mo 可以通过下式求解出可以通过下式求解出RL与与gm：o 当电流当电流ID为为2mA时，则可计算得：时，则可计算得：o 还需要确定实际的器件宽度以完成设计与还需要确定实际的器件宽度以完成设计与Spice的验证，但如何确定器件的的验证，但如何确定器件的W呢？呢？n 利用长沟道方程进行计算的结果将非常不准确。利用长沟道方程进行计算的结

38、果将非常不准确。n 对于固定跨导存在对于固定跨导存在W1/VOVgm/ID的关系。的关系。o 低电流意味着大的低电流意味着大的gm/ID和大的器件尺寸，但题目中要求以最和大的器件尺寸，但题目中要求以最小尺寸的器件为目标。小尺寸的器件为目标。n 解决方法：做出尺寸图解决方法：做出尺寸图o 做出以做出以gm/ID为自变量的为自变量的ID/W关系曲线。关系曲线。o 可以一次性做出不同沟道长度的图形，并在整个设计过程中采可以一次性做出不同沟道长度的图形，并在整个设计过程中采用。用。共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计手算（手算（2）共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计电

39、流密度图电流密度图共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计与与VDS的关系的关系与与VDS不存在明显的关系不存在明显的关系共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计Spice验证（验证（1）o 由电流密度图可以得到器件的由电流密度图可以得到器件的宽度为：宽度为：o 如何确定如何确定VB？n 初始猜测初始猜测n 在在Spice中调整中调整VB直至直至gm/ID=6.3V-1o 幸运的是，我们可以找到一个不需确定幸运的是，我们可以找到一个不需确定VB而设而设计电路的方法计电路的方法n 在实际设计中不需重复计算在实际设计中不需重复计算共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负

40、载）设计Spice验证（验证（OP）共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计Spice验证（验证（AC）共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计观察与备注（观察与备注（1）o 手工设计实质上达到了目标手工设计实质上达到了目标n 基本上不需要通过基本上不需要通过Spice进行调整进行调整o 在设计过程中主要通过关注参数在设计过程中主要通过关注参数gm/ID来开展来开展n 严格地讲，因为器件宽度与设计规范并不直接相关，严格地讲，因为器件宽度与设计规范并不直接相关，所以器件宽度并不是一个设计参数。所以器件宽度并不是一个设计参数。o 设计过程可总结为：设计过程可总结为：共源放大

41、器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计观察与备注（观察与备注（2）o基于基于gm/ID设计的主要优点在于：设计设计的主要优点在于：设计时不需要太多的不确定模型就可实现手时不需要太多的不确定模型就可实现手工设计到工设计到Spice仿真的转换。仿真的转换。n 在设计过程中需将相关的仿真数据融入到在设计过程中需将相关的仿真数据融入到了设计过程中，是一个了设计过程中，是一个“闭环闭环”设计。设计。n 设计完成后甚至不需运行设计完成后甚至不需运行Spice仿真就能仿真就能优化电路设计。优化电路设计。共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计设计方法讨论设计方法讨论(1)o 首先使用首先使

42、用Spice进行仿真以确定工艺的特征：进行仿真以确定工艺的特征：n 以以gm/ID为自变量的电流密度函数（图表）为自变量的电流密度函数（图表）n 对于不同的对于不同的L确定确定gm/ID vs. fTn 对于不同的对于不同的L确定本征增益确定本征增益n 结电容的估算结电容的估算(“自负载自负载”) o 采用以上的图表进行手工计算采用以上的图表进行手工计算:n 采用采用MathCAD或或Excel脚本脚本n 如果需要如果需要，可以很快进行多个不同的设计可以很快进行多个不同的设计o 能过能过Spice实现与验证（只需少量的调整）实现与验证（只需少量的调整）o 假如假如gm/ID不存在不存在“硬约束

43、硬约束”，一个好的出发点是通过调一个好的出发点是通过调整整T或摆幅将器件偏置于或摆幅将器件偏置于“工艺热点工艺热点”（也就是指最大的也就是指最大的（gm/ID）fT），），如图所示：如图所示：共源放大器（电阻负载）设计共源放大器（电阻负载）设计设计方法讨论设计方法讨论(2)o 设计指标：设计指标：ADC=-4，ID0.5mA，RL=1k，Ri=10k，估算并求解最大带宽。估算并求解最大带宽。共源放大器（电阻负载）设计（例共源放大器（电阻负载）设计（例2）手算手算o 如同前例，由于如同前例，由于gmroADC，所以有：所以有：o 为了得到最大带宽，就要求为了得到最大带宽，就要求Cgs尽可能小。尽

44、可能小。以可用的最大电流求得最小化以可用的最大电流求得最小化gm/ID：o 为了估算可以达到的带宽，可以通过下式为了估算可以达到的带宽，可以通过下式求得求得Cgs ：转换频率图转换频率图手算（带宽）手算（带宽）o由转换频率图可以得到：由转换频率图可以得到：o采用电流密度图（采用电流密度图（ID/Wgm/ID）找出相应的找出相应的Wo最后一步，采用最后一步，采用Spice进行验证进行验证电流密度图Spice验证验证o 器件宽度：器件宽度：o 仿真电路仿真电路直流工作点频率响应频率响应o 仿真结果：仿真结果： ，手算结果为：，手算结果为： ，两，两者之间差别很大。者之间差别很大。n其主要原因是外部

45、电容的影响其主要原因是外部电容的影响结电容的影响o 当当W=10m，VDB=1.5V时可以得到：时可以得到：Cjdb,nmos=11.3fF， Cjdb,pmos=13.7fFo 当当W=10m，L=0.35m，Cox=5.3aF/m2时可以得到：时可以得到：Cgs,nmos=15fF， Cgs,pmos=17fFo 根据经验：结电容与根据经验：结电容与Cgs可以相比拟！即可以相比拟！即Cj 0.8 Cgs(对于偏置为对于偏置为1.5V，且，且L为最小）为最小）o 所以结电容对于电路都有明显的影响。所以结电容对于电路都有明显的影响。注意注意o 即使是高频小信号模型仍不能即使是高频小信号模型仍不

46、能100%表述寄生表述寄生效应：效应：n 由于由于MOS管为四端口器件，我们实际上要处理的是管为四端口器件，我们实际上要处理的是“四端口电容四端口电容”而非一个简单的二端口电容而非一个简单的二端口电容o 实际上，这种电容效应与设计及手工分析的相实际上，这种电容效应与设计及手工分析的相关性并不大关性并不大n 基于二端口电容经常是有效的基于二端口电容经常是有效的n 这种电容常可以忽略，而采用这种电容常可以忽略，而采用Spice进行最后的仿进行最后的仿真验证真验证共源共栅放大器共源共栅放大器共源共栅放大器共源共栅放大器o 共源共栅放大器又称为级联放大器共源共栅放大器又称为级联放大器o 由于共源放大级

47、把电压信号转换为电流信号，而由于共源放大级把电压信号转换为电流信号，而共栅放大级的输入信号为电流信号，故可把共源共栅放大级的输入信号为电流信号，故可把共源与共栅放大电路级联起来构成了共源共栅放大器，与共栅放大电路级联起来构成了共源共栅放大器， 如图所示。如图所示。M1产生正比于产生正比于Vi的小信的小信 号漏电流而号漏电流而M2电流流过电流流过R， M1为为 输入器件，输入器件，M2为级联器件，为级联器件， 且且M1与与M2具有相同的电流。具有相同的电流。共源共栅放大器共源共栅放大器直流分析直流分析o根据根据KCL定理，由上图可以得到：定理，由上图可以得到： o联合以上两式求解可得直流负载方程

48、。联合以上两式求解可得直流负载方程。 RIVVDDDo )()(2 )(2222211AoAothAbNAAthiNDVVVVVVVKVVVVKI 共源共栅放大器共源共栅放大器直流分析直流分析o 截止状态：截止状态：ViVth1，M1与与M2都截止，则都截止，则VoVDD且且VAVbVth2(忽略亚阈值情况忽略亚阈值情况)；当；当ViVth1，M1产生产生电流，电流，Vo则降低，则降低，VGS2上升而上升而VA下降。下降。o 饱和状态：指饱和状态：指M1与与M2都处于饱和态，其条件是：都处于饱和态，其条件是：n M1管饱和的条件为：管饱和的条件为： VAViVth1， VAVbVGS2则：则：

49、VbVGS2ViVth1，即：即：VbViVGS2Vth1。共源共栅放大器共源共栅放大器直流分析直流分析n M2管饱和的条件为：管饱和的条件为： VoVbVth2，若，若Vb 定义在定义在 M1进入饱和区的边缘，则：进入饱和区的边缘，则： VoViVth1VGS2Vth2。o 所以，保证所以，保证M1与与M2都处于饱都处于饱和态的最小输出电平等于和态的最小输出电平等于M1与与M2的过驱动电压之和，即的过驱动电压之和，即M2的加入使输出压摆至少减小了的加入使输出压摆至少减小了M2的过驱动电压。的过驱动电压。共源共栅放大器共源共栅放大器直流分析直流分析o 线性区：线性区： 指指M1或或M2处于线性

50、区，即当处于线性区，即当Vi达到达到够大时就会出现两种效应：够大时就会出现两种效应：n VA比比Vi小小Vth1，M1先进入线性区；先进入线性区；n Vo比比Vb低低Vth2，促使，促使M2进入线性区。进入线性区。o 根据器件尺寸及根据器件尺寸及R与与Vb的值，则只要出现其中的值，则只要出现其中一种情况就进入了线性区，如：当一种情况就进入了线性区，如：当Vb相当低时，相当低时，M1可能先进入线性区。可能先进入线性区。o 注：若注：若M2进入深线性区，则进入深线性区，则VA与与Vo接近相等。接近相等。共源共栅放大器共源共栅放大器直流分析直流分析o由以上分析可得到共源共栅电路的输由以上分析可得到共

51、源共栅电路的输入输出特性，如下图所示。入输出特性，如下图所示。共源共栅放大器共源共栅放大器交流小信号分析交流小信号分析o 由于输入器件产生的漏极电流必定流入级联级由于输入器件产生的漏极电流必定流入级联级器件，在忽略沟道调制效应时，当器件，在忽略沟道调制效应时，当M1与与M2都都处于饱和区时级联方式的小信号电压增益与共处于饱和区时级联方式的小信号电压增益与共源放大级的增益相同。源放大级的增益相同。o 其等效电路如图所示其等效电路如图所示共源共栅放大器共源共栅放大器输出阻抗输出阻抗o共源共栅结构的一个重要特性是高输共源共栅结构的一个重要特性是高输出阻抗，下图即为求其输出阻抗的等出阻抗，下图即为求其

52、输出阻抗的等效电路图。效电路图。共源共栅放大器共源共栅放大器输出阻抗输出阻抗o根据根据KCL定理可得：定理可得： o所以，输出电阻为：所以，输出电阻为： 21221)(oombmorIrggIIrV 2122212122)(1 )(1 ooombmooombmorrrggrrrggIVR 共源共栅放大器共源共栅放大器输出阻抗输出阻抗o假设假设gmro 1，则有：，则有：o上式表明串接了上式表明串接了M2使使M1的输出的输出阻抗为原来阻抗为原来(gm2+ gmb2) ro2倍，倍，即输出阻抗大大增大，这是共源即输出阻抗大大增大，这是共源共栅放大器的一个最大特点。共栅放大器的一个最大特点。1222

53、)(oombmorrggR 共源共栅放大器共源共栅放大器输出阻抗输出阻抗o 由以上分析可知：通过级联更多的由以上分析可知：通过级联更多的MOS管以获管以获得更大的输出阻抗，右图即为一个串接三个得更大的输出阻抗，右图即为一个串接三个MOS管的级联结构。管的级联结构。o 但这种结构的输出阻抗的增大是以但这种结构的输出阻抗的增大是以 消耗更大的电压余度而降低输出电消耗更大的电压余度而降低输出电 压摆幅为代价的。三级级联的最小压摆幅为代价的。三级级联的最小 输出电压等于三个过驱动电压之和。输出电压等于三个过驱动电压之和。 所以更多的级联管也不可取。所以更多的级联管也不可取。 共源共栅放大器共源共栅放大

54、器提高电压增益提高电压增益o 采用级联结构：由以上分析可知，如采用相同管采用级联结构：由以上分析可知，如采用相同管子尺寸的级联结构可以提高电压增益，且电压增子尺寸的级联结构可以提高电压增益，且电压增益约为益约为(gmro )2。缺点是其输出的电压的最小值。缺点是其输出的电压的最小值为两个过驱动电压。为两个过驱动电压。o 对于共源结构在某一给定电流下增大输入对于共源结构在某一给定电流下增大输入MOS管的沟道长度：因为增大管的沟道长度：因为增大MOS管沟道长度可以管沟道长度可以增大交流电阻，进而提高电压增益。共源结构的增大交流电阻，进而提高电压增益。共源结构的电压增益为：电压增益为： 14DDNo

55、mIIKrg 共源共栅放大器共源共栅放大器提高电压增益提高电压增益o 在上式中，由于在上式中，由于KN与沟道长与沟道长L成反比，而成反比，而1/L，所以电压增益与沟道长度的平方，所以电压增益与沟道长度的平方根成正比，即增大输入根成正比，即增大输入MOS管的沟道长度管的沟道长度可以提高电压增益。可以提高电压增益。o 缺点：为了保证电流相等，增大输入缺点：为了保证电流相等，增大输入MOS管的沟道长度时必须增大相应的过驱动电压。管的沟道长度时必须增大相应的过驱动电压。所以其最小输出电压也提高，输出压摆减小。所以其最小输出电压也提高，输出压摆减小。共源共栅放大器共源共栅放大器级联电路的应用级联电路的应

56、用（1）级联结构构成电流源）级联结构构成电流源o 由以上分析可知，级联结构具由以上分析可知，级联结构具有很高的输出阻抗，因此可以有很高的输出阻抗，因此可以用这种结构构成恒流源，但这用这种结构构成恒流源，但这是以消耗电压余度为代价的。是以消耗电压余度为代价的。o 如图所示是一个采用如图所示是一个采用PMOS管管M3与与M4级联方式构成电级联方式构成电流源流源I1的放大器。的放大器。共源共栅放大器共源共栅放大器级联电路的应用级联电路的应用o则其级联电流源的电阻为：则其级联电流源的电阻为：o而对于而对于M1、M2也构成一个共源共栅也构成一个共源共栅结构，则其输出电阻形式与上式一致，结构，则其输出电阻

57、形式与上式一致，因此其总的输出阻抗应为这两个电阻因此其总的输出阻抗应为这两个电阻的并联，即：的并联，即：34333)(1 ooombmrrrggR )(1)oombmooombmorrrggrrrggR 共源共栅放大器共源共栅放大器级联电路的应用级联电路的应用o 由于由于M1为放大管，因此为放大管，因此Gmgm1，所以有，所以有|Av|gm1 Ro，对于典型值，其电压增益近，对于典型值，其电压增益近似为：似为：o 另外，只要栅偏置电压选择恰当，则最大另外，只要栅偏置电压选择恰当，则最大输出压摆等于输出压摆等于VDD(VGS1Vth1)(VGS2Vth2)|VGS3Vt

58、h3|VGS4Vth4|。 )()(4331221oomoommvrrgrrggA 共源共栅放大器共源共栅放大器级联电路的应用级联电路的应用(2)、屏蔽特性：、屏蔽特性：o 通过前面的分析可以发现，当共源共栅的输出节点通过前面的分析可以发现，当共源共栅的输出节点电压改变电压改变V时，由于共源共栅结构具有高输出阻抗时，由于共源共栅结构具有高输出阻抗特性，因此只会引起级联器件的源极电位很小变化，特性，因此只会引起级联器件的源极电位很小变化，即级联即级联MOS管使输入器件的工作状态不受输出电压管使输入器件的工作状态不受输出电压变化的影响，这就是所谓的共源共栅的屏蔽特性，变化的影响，这就是所谓的共源共

59、栅的屏蔽特性，这种特性在许多电路（如电流源）中是得以应用。这种特性在许多电路（如电流源）中是得以应用。o 但是，如果级联器件工作在线性区，则级联的隔离但是，如果级联器件工作在线性区，则级联的隔离特性就会消失。特性就会消失。 共源共栅放大器共源共栅放大器折叠式级联折叠式级联共源共栅放大器共源共栅放大器o 级联结构是先通过共源结构把输入电压信号转化级联结构是先通过共源结构把输入电压信号转化成电流信号输出，然后通过共栅级进行放大，因成电流信号输出，然后通过共栅级进行放大，因此只要实现以上功能，输入器件与级联器件不必此只要实现以上功能，输入器件与级联器件不必是同种类型。是同种类型。o 因此就出现了折叠

60、式级联，因此就出现了折叠式级联， 如图所示的是采用如图所示的是采用NMOS 与与PMOS组合，组合，PMOS管管 M1作为放大管，作为放大管，NMOS管管 M2作为级联管。作为级联管。 共源共栅放大器共源共栅放大器o 上图所示的电路要正常工作就必须给上图所示的电路要正常工作就必须给M1、M2加偏置，下图所示的是采用电流源偏置加偏置，下图所示的是采用电流源偏置作为偏置的折叠式共源共栅结构。作为偏置的折叠式共源共栅结构。o 当然也可以用当然也可以用NMOS作为作为 放大管，而放大管，而PMOS作为级作为级 联管的折叠式共源共栅电路。联管的折叠式共源共栅电路。共源共栅放大器共源共栅放大器1)、直流分