ch3单级放大器课件

福州大学物信学院1第3章单级放大器任课教师：屈艾文福州大学物信学院2运算放大器共源级源跟随器共栅级共源共栅级福州大学物信学院3放大器的输入输出特性福州大学物信学院4区间小a0:工作偏置点a1:小信号增益基本概念福州大学物信学院5模拟电路设计的八边形法则共源级福州大学物信学院6采用电阻负载的共源级采用二极管连接的负载的共源级采用电流源负载的共源级工作在线性区的MOS为负载的共源级带源极负反馈的共源级福州大学物信学院7采用电阻负载的共源级CS--大信号分析（λ=0）电阻负载CS输入输出关系的具体描述：Vin<VTH

→M1截止，Vout=VDDVTH<Vin<Vout+VTH

→M1饱和，Vin=Vout+VTH（A点)→M1处在边界Vin>Vout+VTH→M1处在线性区

福州大学物信学院8MOS管工作在深线性区的等效电路MOS管工作在深线性区，等效为一个线性电阻福州大学物信学院9由于在线性区跨导会下降，通常要保证Vout>Vin-Vth,即工作在A点左侧。其中用MOS工作在饱和区表征输入输出特性，并把它的斜率看作小信号增益(a)(b)(c)问题：图a和图c中的Vin，Vout是否表示同一个参数福州大学物信学院10问题：电阻负载共源级的ID(Vin)、gm（Vin）的曲线是什么样子呢？福州大学物信学院11电阻负载共源级的ID(Vin)、gm（Vin）临界饱和点A问题：图（b）中临界饱和点（A）gm最大，设为静态工作点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？AM1在饱和区M1在线性区gm=β(Vgs-VT)VinA-VTgm=βVDSVinAVinA-VT考虑沟道长度调制效应时CS增益(λ≠0)福州大学物信学院12RD很大时，M1的沟道调制效应会变得更加显著福州大学物信学院13电阻负载共源级的小信号等效电路福州大学物信学院14晶体管的本征增益，即单个器件能够得到的最大电压增益，大约为10～30，通常假设例：W/L=50/0.5,RD=2KΩ,λ=0，VDD=3V

福州大学物信学院15如果M1工作在饱和区，而且ID1=1mA,求电路的小信号增益使M1工作在线性区的边缘的输入电压为多少？此时的小信号电压增益是多少？使M1进入线性区50mV的输入电压为多少？此时的小信号电压增益是多少？作业：3.3福州大学物信学院16简单电阻负载CS放大器的设计参数固定设计参数:

μCox,VTH,λ(由制造工艺决定)设计目标:

一定大小的放大器增益Av=-gmRD

(Avmax=？)设计可变参数:VDD,ID,Vin,W/L,RD

(VDD通常也是固定的)附加设计条件:功耗大小要求；输入、输出电压范围(摆幅)限制条件:MOS管必须工作在饱和状态输出电压摆幅福州大学物信学院17增大增益的方法：增大宽长比→会导致较大的器件电容，从而影响运放的带宽,高频响应变差增大VRD→会限制最大电压摆幅（VDD-VRD=Vin-VTH)减小ID

→如果VRD不变，导致RD增大，版图面积↑，电阻噪声↑，放大器

速度↓(输出节点时间常数RC↑)，沟道调制效应的影响↑(r0与RD更接近)可见，电路表现出增益、带宽、电压摆幅、速度之间的折衷关系。电阻负载CS放大器设计参数的制约关系总之，若为提高增益而使RD↑，就会导致输出电压的摆幅↓，版图面积↑，电阻噪声↑，放大器速度↓，此外，电阻的工艺偏差大，因此电阻负载CS放大器一般不常用。采用二极管连接的负载的共源级福州大学物信学院18MOS管二极管连结并导通时,Vg=Vd,显然,不论是NMOS还是PMOS管,均工作在饱和区!!!二极管连接的MOS管的工作状态二极管连接的MOS管的小信号等效电阻

——无体效应

福州大学物信学院19福州大学物信学院20二极管连接的MOS管的小信号等效电阻

——有体效应二极管连接的MOS管从源极看进去的小信号等效电阻：测量电阻的电路小信号等效电路结论：当考虑体效应后，二极管连接的MOS管源极所看到的阻抗变得更小了。福州大学物信学院21问题：如何直观解释上面这种现象？福州大学物信学院22MOS二极管连接负载的共源极的增益（λ＝0）如果忽略η随输出电压的变化，增益与偏置电流或偏置电压无关（只要MOS管工作在饱和区），即输入与输出呈线性。NMOS二极管PMOS二极管Rin≈1/(gm2+gmb2)Rin≈1/gm2Vbs≠0Vbs=0福州大学物信学院23MOS二极管连接负载的共源极的增益（λ≠0）NMOS负载时，λ≠0，γ≠0PMOS负载时，

λ≠0，γ=0Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02Rin=(1/gm2)//r02也可用大信号进行增益推导福州大学物信学院24MOS二极管连接负载共源级的缺点（一）则有：通常：于是：若(W/L)2=1，则(W/L)1>>1;(WL)1很大,若(W/L)1=1，则(W/L)2<<1,(WL)2也很大,无论如何，高增益会造成晶体管的沟道宽度或沟道长度过大而不均衡，会导致要么输入寄生电容太大或输出寄生电容太大，从而减小3dB带宽。这体现了增益与速度(带宽)的矛盾!若需AV=-10采用二极管连接负载的共源级的增益是器件尺寸的比较弱的函数福州大学物信学院25记Von=VGS-VT表示MOS管的过驱动电压(Von越大,MOS管工作电流也越大),该式表明增益是两管过驱动电压之比，AV越大，Von2越大，Voutmax越小。∵∵Von2=VDD-Vout

-|VTP|∴Vout=VDD-|VTP|-Von2∴MOS二极管连接负载共源级的缺点（二）

采用二极管连接的负载的共源级的输出电压摆幅受过驱动电压的约束福州大学物信学院26设电源电压VDD=3V,|VTN|=|VTP|=0.7V,Von1

=

VGS1-VTH1=Vin-VTH1≥0.2V,

AV=-10则|VGS2|≥|AV|•Von1+|VTH2|=2.7V∵|VDS2|

=|

VGS2|

≥

2.7V故Vout=VDD-|VDS2|≤3-2.7=0.3V(M2)M1饱和要求:Vout=VDS1≥VGS1-VTH1=

Von1

=0.2V.故Vout的变化范围仅有0.2V～0.3V，输出电压摆幅非常小。福州大学物信学院27采用二极管连接的负载的共源级的输出电压摆幅受阈值电压的约束问题：I1越来越接近0时（不考虑亚阈值导电）,VGS2=？Vout=？MOS二极管连接负载共源级的缺点（三）福州大学物信学院28具有阶跃偏置电流的二极管连接器件I1越来越接近0时,忽略漏电流的影响,,VGS

越来越接近VTH，VGS≈VTH2,因此Vout≈VDD-VTH2

!!!如果考虑亚阈值导电的话，得到图b的电路。福州大学物信学院29问题:Vin,Vout,又∵

Vout≥Vin-VTH1(M1饱和要求)故存在Vinmax,那么Vinmax=?MOS二极管连接负载共源级的缺点（四）采用二极管连接的负载的共源级在增益比较高时，输入电压范围比较窄。福州大学物信学院30求上例中Vinmax=?设电源电压VDD=3V,|AV|=10,|VTN|=|VTP|=0.7V∵M1临界饱和时:Vout

=

Von1

=

VGS1-VTH1=Vinmax-VTH1又∵|VGS2|=|AV|(Vinmax-VTH1)+|VTH2|又∵Vout

+|

VGS2|

=VDD∴(Vinmax-VTH1)(1+|AV|)+|VTH2|=VDD∴Vinmax

=(VDD-|VTH2|)/(1+|AV|)+VTH1∴Vinmax

=(3–0.7)/(1+10)+0.7=0.91V又∵Vin-VTH1≥0.2V∴0.9V≤Vin≤0.91V易见，M1的输入电压范围非常窄!MOS二极管连接负载共源级的缺点采用二极管连接负载的共源级的增益是器件尺寸的比较弱的函数采用二极管连接的负载的共源级的输出电压摆幅受过驱动电压的约束采用二极管连接的负载的共源级的输出电压摆幅受阈值电压的约束采用二极管连接的负载的共源级在增益比较高时，输入电压范围比较窄。福州大学物信学院31福州大学物信学院32采用二极管连接的负载的共源级的输入输出特性M1工作区从截止区→饱和区→线性区福州大学物信学院33MOS二极管连接共源极的最大输出电压若上图中M2的栅极接一个固定电压Vb结果又如何?M1截止福州大学物信学院34MOS二极管连接共源极的最大输出电压M1截止MOS二极管连接的共源级优化的方法福州大学物信学院35设Is=0.75I1，则又∵要得到10倍的增益，M2管子的过驱动电压只需是M1的2.5倍,与不加IS相比，相同增益下可增加输出电压摆幅对于给定的过驱动电压，该电路可得到4倍于不加支路电流源的共源级的增益例：计算小信号电压增益

福州大学物信学院36（W/L)1=50/0.5；(W/L)2=10/0.5；ID1=ID2=0.5mA；VDD=3V,λ≠0作业：3.1（注：为简化计算，运用公式gm和ID时，不考虑λ的影响）比较：哪种负载的增益大？福州大学物信学院37MOS二极管连接负载共源极的小结NMOS增益AV[(W/L)1/(W/L)2]1/2=Von2/Von1。增益AV不高(一般<10)，且输入、输出摆幅小，这一特点限制了它的应用。它的优点是增益与电流ID无关，放大器的线性特性好，大信号下也如此。二极管连接的MOS管常用来构成有源电流镜。有改善AV不高、输出摆幅小这一缺点的电路，但效果不是特别明显。导致输出电压摆幅的减小福州大学物信学院38增大增益问题：如何解决增益与输出电压摆幅的矛盾呢？采用电流源负载的共源级

福州大学物信学院39M2的输出阻抗和M2的最小Vds之间的联系较弱，通过简单地增加M2的沟道宽度，就可以使减小到几百个毫伏，增大输出摆幅增益与ID的平方根成反比!输出偏置电压Vb没有完全确定，需反馈环路钳制Vout,共源级偏置才能稳定若ro2不够大，在保持相同的过驱动电压和电流ID的同时增大M2的长和宽可获得小的λ。但增大了输出结点电容若ro1不够大，增大M1的长时，M1的长和宽需按比例增加，因为对于给定漏电流，M1过驱动电压（Vout,min）与成反比，gm1都与

成正比福州大学物信学院40采用电流源负载的共源级（ro2很大，M2接近理想电流源）若W1、ID不变,L↑(r01↑),AV↑，但过驱动电压Von↑，输出电压摆幅↓，若同时保持Von不变(即摆幅不变)，则需W↑，这会导致寄生电容↑,放大器带宽↓。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。(电阻负载CS中ID不变,RD↑,AV↑,摆幅一定↓)若L、ID不变,W↑,AV↑，过驱动电压Von↓

，输出电压摆幅↑,这会导致寄生电容↑,放大器带宽↓。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。若W、L不变，ID↓,AV↑,过驱动电压Von↓,摆幅↑,放大器速度↓(ID↓),这体现了增益、摆幅、速度之间的折衷关系。福州大学物信学院41电流源负载共源级的输出电压摆幅问题记Von=VGS-VT，常称Von为MOS管的过驱动电压,它表征MOS管工作电流的大小M1、M2饱和要求:Von1=Vin-VTN

≤

Vout

≤

Vb+|VTP|

=VDD–Von2输出电压摆幅与Vin、Vb有关(也常说成与Von1、Von2有关,两种说法是一致的)。保持ID不变,若(W/L)1,2↑，Von1、2↓,Vin↓,Vb↑,摆幅增加(反之减小)。但(W·L)↑，寄生电容↑，高频性能变差，f3dB↓。此即摆幅与带宽的折衷。若保持(W/L)1,2不变，ID↑(ID增加一般来说放大器速度也增加),Von↑,Vin↑,Vb

↓,摆幅减小(反之增加)。此即速度与摆幅的折衷。例:(W/L)1=50/0.5,(W/L)2=50/2,ID1=ID2=0.5mA,管子都处于饱和区(gm计算时忽略λ的影响）福州大学物信学院42计算小信号电压增益。计算两个管子都处于饱和区时，输出电压的最大摆幅。作业：3.2福州大学物信学院43电流源负载共源级的静态工作点问题若M1、M2饱和，不考虑沟道长度调制效应（即λ=0），则：上式与Vout大小无关！！，即表示若M1、M2饱和，Vout可以为任意值！这显然与实际不符！静态时(Vin、Vb为一固定常数)，Vout的大小由沟道长度调制效应(λ1、λ2)决定，若不考虑沟道长度调制效应则无法求得静态工作点，这种情况叫静态工作点无法“目测”n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+nV0)=P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)2[1+p(VDD-V0)]考虑沟道长度调制效应（即λ

≠

0），则福州大学物信学院44二极管连接的MOS负载的共源级的静态点静态工作点可以“目测”若不考虑沟道长度调制效应：福州大学物信学院45工作在线性区的MOS负载的共源级（一）如何确定Vb？M2

导通需满足:Vb-VDD≤VTH2,即Vb≤VDD+VTH2M2工作在深线性区需满足:

VDD-Vout<<2(VDD-Vb+VTH2),即:Vb<<VDD/2+VTH2+Vout/2Vb

、(W/L)2

还应满足Ron2

大小的要求，即增益的要求工作在线性区的MOS负载的共源级（二）

福州大学物信学院46负载Ron2对μp、Cox,Vb,和Vthp都很依赖，而且μp、Cox和Vthp随工艺和温度的改变而改变，导致Ron2变化幅度大，进而影响增益的变化幅度大。故这种放大器很少采用!!!优点：这种工作在线性区的MOS负载消耗的电压余度要小于二极管链接的负载福州大学物信学院47带源极负反馈的共源级的大信号分析(λ=0，γ=0)带源极负反馈的共源级的小信号分析(λ=0，γ=0)

福州大学物信学院48福州大学物信学院49带源极负反馈的共源级(λ=0，γ=0)从源级看进去的阻抗源级反馈电阻漏极点所看到的电阻带源级负反馈的共源级增益的大小看成在漏极结点所看到电阻除以源级通路上的总电阻例：λ=γ=0，求下图电路的小信号增益福州大学物信学院50福州大学物信学院51带源极负反馈的共源级(λ=0，γ=0)注意到M2

连接为二极管，

故其小信号等效电阻为1/gm2。于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)Rin=

1/gm2从源级看进去的阻抗源级反馈电阻负载电阻福州大学物信学院52RS=0、RS≠0饱和区漏电流和跨导曲线的差异（1）Rs=0：（2）Rs≠0:RS=0RS≠0(a)在小电流时，导通特性同Rs=0的情况(b)Vin↑→gm↑→Gm接近1/Rs福州大学物信学院53在讲解考虑沟道调制效应和衬偏效应(λ≠0，γ≠0)，的带源极负反馈的共源级之前我们先来看一个辅助定理！福州大学物信学院54辅助定理在线性电路中，电压增益Av=-GmRout，其中Gm表示输出对地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。如上图所示。如果电路的Gm、Rout可以通过观察确定，这个辅助定理将会非常有用。∵Vout=-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，则Vout=-GmVinRout∴Av=Vout/Vin=-GmRout福州大学物信学院55带负反馈的共源级的等效跨导Gmλ≠0，γ≠0福州大学物信学院56带负反馈共源极的输出电阻Rout输出电阻比不带RS时增大了(gm+gmb)]RS倍!推出Iro带负反馈的共源级(λ≠0，γ≠0)由辅助定理,得:福州大学物信学院57福州大学物信学院58恒流源负载、带源极负反馈的共源级的增益AV与RS无关：Io是理想电流源，流过电阻Rs的电流几乎不会改变，因此Rs上的小信号压降等于0，似乎电阻Rs本身为零一样例：3.24福州大学物信学院59(W/L)1=50/0.5,RD=2KΩ,Rs=200Ω如果ID=0.5mA,计算小信号电压增益假设λ=γ=0，计算使M1处于线性区边缘的输入电压，并求出此时的电压增益作业：3.24福州大学物信学院60带源级负反馈电阻的CS放大器小结因引入负反馈电阻RS,AV,输入线性范围,常在高线性的V/I变换电路中用作差分输入级的半电路。因输出阻抗较高,利用该特性可在MOS管的源级加入负反馈电阻以构成高性能电流源。因负反馈电阻RS的引入,输出电压允许的最小值增加,即输出摆幅。即因此多消耗了一些电压余度。福州大学物信学院61源跟随器及其大信号分析（λ=0）问题:M1会随Vin↑而进入线性区吗?（Vin<VDD)输入输出特性呈现非线性福州大学物信学院62源跟随器及其小信号等效电路（λ=0）福州大学物信学院63源跟随器的输出电阻（λ=0）衬偏效应使源跟随器的输出电阻减小了！福州大学物信学院64衬偏效应等效于在输出端接了一个电阻1/gmb——这仅对源跟随器是正确的！福州大学物信学院65恒流源偏置源跟随器(本征源跟随器）的增益λ1=λ2

=0，γ1≠0戴维南等效福州大学物信学院66恒流源负载的源跟随器λ1≠0，

λ2

≠

0，γ1≠0输出端视在输入阻抗福州大学物信学院67例：计算下图电路的电压增益AVλ1≠0,λ2

≠

0γ1≠0,γ2≠0福州大学物信学院68例：计算下图电路的电压增益AV输出端视在输入阻抗λ1≠0,λ2

≠

0从M2源端看进去的阻抗为：γ1≠0,γ2≠0从M1源端看进去的阻抗为：M1衬偏效应的等效电阻源跟随器的缺点：福州大学物信学院69由于体效应导致输入输出特性的非线性由于电平移动导致电压余度的消耗差的驱动能力源跟随器最一般的应用是完成电平移动和做电压缓冲器。源跟随器缺点一：福州大学物信学院70输入输出特性的非线性阈值电压Vth与源极电压的非线性源极跟随器有体效应福州大学物信学院71消除由体效应引起的非线性——PMOS源跟随器福州大学物信学院72仅有CS放大器，M1工作在饱和区时:VX≥VonM1=Vin-VTH12.加上源跟随器后，M3工作在饱和区时:VX≥VGS2+VonM3=

VGS2+(Vb-VTH3)用作电平移动的源跟随器会消耗电压余度(减小输出摆幅)源跟随器缺点二：源跟随器缺点三：

福州大学物信学院73(a)源跟随器（b)驱动负载电阻的共源级在高频装置中需要驱动一个50Ω的外部终端负载（负载阻抗相对较小）源跟随器并不是必须的有效的驱动器福州大学物信学院74例:源极跟随器的应用如图a在所关心的频率下C1交流短路，求AV？M1工作在饱和区时，输入端允许的最大直流电平为多少？AV=-gm1[r01//r02//(1/gm2)Vinmax≤VDD-|VGS2|+VTN福州大学物信学院75为了允许接近VDD的输入直流电平，电路改为(b)图所示，M2、M3的栅源电压应满足什么样的关系才能保证M1个工作在饱和区？若Vin=VDD，则VX=VDD-VGS3，要保证M1工作在饱和区，则有：VDD-VGS3-VTN≤VDD-|VGS2|，即VGS3+VTN≥|VGS2|源跟随器特性总结由于体效应导致的非线性由于电平移动导致电压余度的消耗（输出摆幅的减小）差的驱动能力源跟随器一般的应用是完成电平移动和电压缓冲器的作用作业：3.17（a);福州大学物信学院76福州大学物信学院77共栅放大器电容耦合的共栅级输入——输出特性直接耦合的共栅级1.当M1处于关断状态，2.当M1处于饱和状态Vout下降3.Vin减小，最终M1进入线性区临界点：福州大学物信学院78共栅放大器的输入电阻RDIX+r0[IX-(gm+gmb)VX]=VX特殊情况：RD=0,2、RD为理想电流源输入阻抗将趋近无穷与源跟随器结构一样。福州大学物信学院79若λ=0，Rin=1/(gm+gmb)，输入呈现低阻抗特征只有连接到漏端的负载阻抗很小的情况下，共栅极的输入阻抗才会相对比较低。RD

减小了(gm+gmb)r0倍！呈现出阻抗变换特性！结论：福州大学物信学院80共栅级放大器的输出电阻RS为信号源内阻与带源极负反馈的共源级的Rout同。共栅级放大器的增益AV福州大学物信学院81RD→∞作业：3.21(a)福州大学物信学院82共源共栅结构福州大学物信学院83输入器件共源共栅器件福州大学物信学院84共源共栅放大器（Cascade）的偏置条件1、M1饱和时:VX≥Vin

–VTH1，即Vb≥Vin

–VTH1+VGS2

或：Vb≥Von1+VGS22、M2饱和时:Vout≥Vb

–VTH2，即:Vout≥Von1

+VGS2

–VTH2

或：

Vout≥Von1

+Von2共栅管M2的增加虽然提高了从M2漏端看进去的阻抗、改善了放大器的频率特性，但输出电压摆幅减小了一个大小等于M2的过驱动电压。这是靠牺牲摆幅来获取带宽和增益的提高。福州大学物信学院85共源共栅放大器输入输出特性输入——输出特性（关断-饱和-线性）为什么VXmax=Vb-VTH2？Vin↑时，M1、M2谁先进入线性区？谁先进入线性区对恒流特性和输出摆幅有何关系?当VX<Vin

–VTH1

时M1

进入线性区当Vout<Vb

–VTH2时M2进入线性区容易分析，Vb

较小时，M1比M2先进入线性区RD较大时，M2比M1先进入线性区问题：福州大学物信学院86共源共栅放大器的小信号等效电路(λ1=0，

λ2

=

0，γ2≠0)输入器件产生的漏电流必定流过共源共栅器件，因此电压增益与共源级的电压增益相同。而与M2的跨导及体效应无关。福州大学物信学院87例：求下图电路的AV(假定λ=0)福州大学物信学院88解：(假定λ=0)M1的小信号电流gm1Vin被Rp和向M2源端看进去的阻抗1/(gm2+gmb2)分成两部分，故：因Vout=-ID2RD，所以：福州大学物信学院89共源共栅放大器的输出电阻注意：左边电路的输出阻抗就是共源放大器带负反馈电阻RS的的输出阻抗上式表示共源共栅结构具有很高的输出阻抗，对提高放大器小信号增益、提高电流源的恒流特性十分有利，但需要额外的电压余度。福州大学物信学院90应用一：恒流源负载的共源共栅放大器通过使Rout最大化来增加电压增益。恒流源负载的共源共栅放大器的电压增益等于晶体管本征增益的平方福州大学物信学院91理想恒流源如何近似产生？应用二：共源共栅结构构成恒定电流源福州大学物信学院92采用PMOS共源共栅负载的NMOS共源共栅放大器因M1、M2的高输出阻抗，欲得高增益要求所带负载也必须是高输出阻抗，故负载也常用共源共栅电流源。用共源共栅电流源近似代替理想恒流源最大输出摆幅：福州大学物信学院93增加L与采用共源共栅结构来提高增益的比较假定ID不变，若(a)中L变为原来的4倍而W保持不变，则Vonb=2Vona，与(c)中层叠的两个MOS管消耗的电压余度相同(b)中因gmr0∝L1/2，L↑4倍的结果只是使gmr0增大两倍，而(c)中共源共栅结构输出增益大约增大为(gmr0)2倍，同时因(b)中M1的跨导是(c)中的1/2，这会导致更高的噪声。*放大器的噪声与用作放大MOS管的跨导gm成反比,与用作恒流源的MOS管的跨导gm成正比。福州大学物信学院94