模拟CMOS集成电路设计-第3章-单级放大器

1、单级放大器单级放大器李凯文 2015021743在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大器是最基本的功能块 。将描述四种放大器：共源放大器；共栅放大器；源极跟随器；共源共栅放大器。 先从最简化的模型着手，逐渐地在考虑沟长调制和体效应这样的二级效应。1.1 共源级 采用电阻负载的共源级（少，因为工艺上电阻不好制作） 带二极管接法负载的共源级（缺点是增益不大） 采用电流源负载的共源级 工作在线性区的MOS为负载的共源级（少，线性电阻影响因素很多，无法确定） 带源级负反馈的共源级1.1.1采用电阻负载的共源级概念： M1的栅源之间输入电压信号Vin，通过NMOS的跨导放大，在漏极得到一个小信号电流。电

2、流通过负载电阻产生电压输出。输入栅源电压，输出栅漏电压共源放大。共源级电路(1)如果输入电压从零开始增大,M1截止,VOUT=VDD。（2）Vin增大到超过并接近VTH时，M1饱和221THinoxnDDDoutVVLWCRVV当Vin继续增大，Vout继续减小，这时还处在饱和区，直到 比 高出 inVoutVTHV即在下图中的A点，在A点满足：21121THinoxnDDDTHinVVLWCRVvV从上式可以计算出Vin1-VTH,并进一步计算出Vout(3)当VinVin1时，M1工作在线性区：2221outoutTHinoxnDDDoutVVVVLWCRVV（4）如果 的值足够高而进入深

3、线性区， ，并从 下图的等价电路中可得： inVTHinoutVVV 2DRononDDoutRRVVTHinDoxnDDVVRLWCV1=工作在线性区时跨导会下降，所以我们通常要确保 THinoutVVV 2根据饱和时的公式我们可求出小信号增益inoutvVVA=THinoxnDVVLWCR=DmRg221THinoxnDDDoutVVLWCRVV增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大时引入非线性跨导随输入电压的变化饱和区GSDmVIgTHGSoxnVVLWC=线性区增益最大化DmRgAv=DRDDoxnvIVILWCA2DRDoxnvIVLWCA2p增大W/L；器件电容增加。p增大VR

4、D；输出摆幅减小。p减小ID；RD增加，输出节点的时间常数增加。沟道长度调制效应若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则： outTHinoxnDDDoutVVVLWCRVV1212inoutVV=outTHinoxnDVVVLWCR1inoutTHinoxnDVVVVLWCR221使用近似公式；221THinoxnDVVLWCIvAvDDDmAIRRgDDDmvIRRgA1DoIr1)/(DomRrg再根据DDmvRrRrgA00结论：结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。vDmARg,gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。小信号分析0/DooutinmRrVVg)/(Dominou

5、tRrgVV)/(DomvRrgA很容易得到增益：DDmRrRrg00输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流)/(, 0oDinoinrRVVVor , 0DR理想电流源负载假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。DR3010omrg因为所以OmvrgA这称为晶体管的“本征增益”，代表单个晶体管能达到的最大增益。一般，问题：Vout=？ outTHinoxnDVVVCI12121outinVV, 0,电阻负载的缺点不能能确确制电阻值电阻值不能大，会导导摆幅下降电阻的的面大，工艺上不好制造改进方法p采用MOS器件为负载二极管接法电流源线性区MOS器件1.1.2 采用二极管连接的负载 在C

6、MOS工艺中，制造一个有能确阻值和物理尺寸的电阻是很困难的 。所以常常要求用一个MOS管来代替图3.3 (a) 中的RD。XOxXmbmIrVVggXXIV=11OmbmrggOmbmrgg1=mbmgg1采用NMOS负载，存在体效应忽略沟道调制，将：XXIVmbmgg1代入RD=DmRgAv=得到：vA=2211mbmmggg21mmgg11=22mmbgg其中用器件的尺寸、偏置电流来表示跨导，可得 vA=221122DoxnDoxnILWCILWC1121LWLW=111M如果忽略 随输出电压的变化，增益与偏置电流和电压无关 (只要处在饱和区)。换言之，当输入和输出电平发生变化时，增益仍保

7、持不变，表明输入输出特性相对呈线性。 采用大信号分析得出的结论是一样的：即如VTH2随Vout的变化很小，电路表现出线性的输入-输出特性用PMOS器件来代替NMOS，无须考虑体效应，则小信号电压增益等于：vA=21LWLWpn例如，要获得增益为10， 21LWLWpn=100，由于pn2必须使 21)/(50LWLW在某种意义上，高增益要求强的输入器件和弱的负载器件，缺点是高增益会造成沟宽和沟长过大而不均衡（因此会导导大的输入或者负载电容），同时还会带来另外一个严重的局限性：允许的输出电压摆幅的减小。2111THGSnVVLW2222THGSpVVLW21DDII所以vTHGSTHGSAVVV

8、V2122有2M1M在上的的例子中， 驱动电压应该是 的十倍。比如，当 mVVVTHGS20011VVTH7 . 02VVGS7 . 22和可得这严重的限制了输出电压的摆幅 性能改进在M2边上并联一个恒流源，M2 的电流将下降，跨导下降，增益提高取：175. 0IIS21mmvggA214LWLWpn=(a) 在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。(b) I2 减小，Vgs2减小，Vout的摆幅提高1.1.3 采用电流源负载的共源级 对共源放大器，有DmRgAv=VDAR但电阻和二极管负载的电压摆幅受到限制用电流源代替电阻，如图：(a) MOS管的输出阻抗很大。长沟道器件可以提高增益(b

9、) 对M2，若I是恒定值，当W2 增加时，Veff2下降，Vds2可以很小，Vout的摆幅很大。一般：但是，当L2、W2同时增加时，则M2的寄生电容值增加(c)对M1， 对给定的I值：摆幅增加1.1.4 工作在线性区的MOS为负载的共源级 工作在深线性区的MOS器件的特性像电阻一样,因此可以用来作为共源级的负载。)()/(122THPbDDponVVVLWCROX这种电路使M2的栅压偏置在足够低的电平，保证M2在全部输出电压摆幅范围内工作在深线性区。这个电路的主要缺点源于RON2对THPbOXpVVC,的依赖。因为它们随工艺和温度的改变而改变，而且产生一个能确的Vb会增加电路的复杂性。1.1.

10、5 带源级负反馈的共源级 在模拟电路的八边形的法则中我们可知道，线性化也是一个重要的考虑因素之一。 线性化是希望我们的变量和因变量之间是一种最简单的关系，即它们的增长比例相同。也就是一种线性函数。 但我们知道漏电流和过驱动电压是一种平方关系，如何让他们也呈现出一种线性关系呢？ 本节中是通过用一个负反馈电阻串联在在晶体管的源端来实现。当Vin增加，ID也增加，同样在Rs上的压降也会增加，换句话说，输入电压的一部分出现在电阻Rs上，而不是作为栅源的过驱动电压上，因此导导ID的变化变得平缓。从另一个角度看，Vout=VDD-IDRD, Vout与Vin的非线性源于ID与Vin 之间的非线性。而ID与

11、Vin之间的关系要是也偏向于线性就好了。所以现在我们就分析ID与Vin之间的关系。即等效跨导Gm的关系。并希望Gm接近于一个固定的值。Vout=VDD-IDRDId随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系推导Gm：提高线性度的代价是，增益下降，摆幅下降。当Rs为一个很大的值时，Gm是一个固定的值，正符合我们要求。也就是SinDRVI/这表明Vin的大部分变化落在Rs上。我们可以说，漏电流是输入电压的线性函数。但它是以牺牲增益为代价的。利用小信号等效电路可推导出同样结果，特别是考虑和的一般情况。推导Gm：输出接地，加输入电压，得到输出电流。增益与跨导ro很大，则：式中：Av、Gm随Vin变化：a)

12、 Vin很小时，M1 导通b) Vin增加时，c) Vin很大时，计算Av的等效方法从漏极结点看到的电阻阻以源极通路上（Vin=0）的总电阻。输出阻抗：等效图中忽略RD考虑输出阻抗：输入接地，输出加激励。一般输出阻抗提高了倍考虑和一般情况下的增益。重写上式：辅助定理：在线性电路中，电压增益为Gm：输出与地短接时的等效跨导。Rout：输入电压为零时的等效输出阻抗。例：恒流源负载：恒流源的输出阻抗无穷大，Rd可忽略结论：Av和Rs无关。因为Io恒定，流过Rs的电流变化为零，导导Rs上的电压没有变化，等效为：1.2 源跟随器 源跟随器（共漏放大器）概念p 以M1漏极为基准，以栅-漏电压为输入，以源-

13、漏电压驱动负载。p 实现阻抗转换其特点为：a) 能驱动较小的输出电阻。例，共源放大器的输出跟一个源跟随器。b) 电压放大倍数1，是电压缓冲器，输入和输出电平转换。 大信号分析p当VinVth时，M1 截止。p当Vin增加,M1导通，得出Vout=Vin-Vthp因为体效应，Vth随Vout而改变，Av：电流偏置PMOS源跟随器，可消阻体效应所引起的非线性它使用两个分离的n阱以消阻M1的体效应，但P管的低迁移率导导它的输出阻抗比N管的输出阻抗更高。 输入阻抗低频时输入电流为零，输入阻抗无限大。 输出阻抗直观的：源跟随器实现大阻抗到小阻抗的转换源跟随器的戴维南等效用电阻模拟gmb对源跟随器成立戴维

14、南等效电路-分压电路共栅级 在共源放大器和源跟随器中，输入信号都是加在MOS管的栅极。把输入信号加在MOS管的源端也是可以的 。（a)直接耦合的共栅级 （b）电容耦合的共栅级 共栅级大信号分析共栅级小信号分析（计入晶体管的输出阻抗以及信号源的阻抗 ）D0|mVoutinIGVD0|mVoutinIGVD01|m omb omVoutinosm osmb osg rg rIGVrR g rR g rR |outoDRRR1() ommbosoRggr Rr/dmxxombxxsdinIg VVrg VVR IV /(1/)()(1 (1/)(1/)/(1/)/(1 (1/)dmxxombxmom

15、bsdindmombsmombindinmombmombsIg VVrg VgrgR IVIgrgRgrgVIVgrggrgR 共栅极增益D01|1m omb omVoutinosm osmb osm omb oog rgrIGVrR g rR grRg rgrR oosm osmb osRrR g rR grR|oDoutoDoDR RRRRRR111m omb ooDvmoutooDm omb om omb oDDoDosm osmb osDg rg rR RAG RRRRg rg rg rg rRRRRrR g rR g rRR 共栅极增益其输出电阻1()ommbosom osRggrR

16、rg r R1m omb ovmoutDosm osmb osDg rg rAG RRrR g rR g rRR 0,1,1(),sm oom omb ovDmmbDosm osmb osDRg rrg rg rARggRrR g rR g rRRD当并且R 时，与书上的3.100相符输出阻抗与源极负反馈的共源极一样|oDoutoDoDR RRRRRR共栅级输入阻抗1 ()DOXinXmmbORrVRIggrroI.)mbogrm结果表明，当在源端看输入阻抗时，漏端的阻抗要阻以(g共源共栅级共源共栅级共源共栅级输出阻抗电流源负载的共源共栅级 1222)(OOmbmoutrrggR1mmgG12

17、221()vmmmbOOAgggr r比电流源负载的共源级的增益增大了 倍222()mmbOggr所以经常用共源共栅结构来提高增益增加L与采用共源共栅结构来提高增益的比较提高增益的两种方法：1、采用共源共栅增大增益2、在给定的偏置电流情况下通过增大输入晶体管的长度来增大增益 假设共源级的输入管的长度变为原来的四倍而宽度保持不变 221THGSoxnDVVLWCI过驱动电压增大为原来两倍，晶体管消耗的电压余度与共源共栅级相同 DDoxnOmIILWCrg12L1共源共栅级输出阻抗 共源共栅结构有两种普遍应用的例子：一是用来增加放大器的输出阻抗，从而提高放大器的增益。二是构成恒定的电流源，高的输出阻抗意味着更好的电流源。共源共栅级输出阻抗333433341()outPmmbOOOmOORggrrrgr r 222122211()outNmmbOOOmOORggrrrgr r 221334|outoutNoutPmOOmOORRRgr rgr r 11221334(|)(|)vmoutNoutPmmOOmOOAgRRggr rgr r 共源共栅级屏蔽特性屏蔽特性 共源共栅晶体管“屏蔽”输入器件，使它不受输出结点电压变化的影响。这种共源共栅结构的屏蔽特性在许多电路中很有用。 共源共栅级屏蔽特性屏蔽特性)()(2121221DSDSTHboxnD