131101第03章 单极放大器03 - 副本 (2)

模拟CMOS集成电路设计：时

间：2009年12月10日韩可电子工程学院Email:hanke@Tel:611986592023最新整理收集do

something第3章单级放大器3.1基本概念3.2共源级3.3源跟随器3.4共栅极3.5共源共栅极

电子工程学院源极跟随器及其小信号等效电路共源级:在一定的电源电压下,要获得更高的电压增益,负载阻抗必须大.若驱动低负载电路,必须增加缓冲器才能获得合理的增益.源跟随器:可用作缓冲器利用栅极接收信号,利用源级驱动负载.工作原理的直观理解共源放大器漏源电压的变化抵消栅源电压的变化栅对源的作用比漏对源的作用强从而实现了高增益源极跟随器源的变化同时改变栅源和漏源电压有效的栅源电压小增益小于1可通过跨导×输出电阻来分析

电子工程学院

Ch.3#5源极跟随器及其小信号等效电路

电子工程学院源极跟随器及其小信号等效电路问题:M1会随Vin↑而进入线性区吗?（VDS<Vgs-VTH）条件:Vin<VDD

电子工程学院源极跟随器的输出电阻-体效应的影响电流源的大小和它两端的压降成正比体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！体效应使源跟随器的输出电阻减小了！

电子工程学院源极跟随器的输出电阻(例)习题2.2：W/L=50/0.5，ID=0.5mA，求gm对于BJT：Rout=re=VT/IC=26mV/0.5mA=52Ω易见,BJT射极跟随器的输出电阻比MOS源跟随器的输出电阻小很多,且实际用作输出级时ID更大些，RoutBJT/RoutMOS会更大一些!!这也是源跟随器驱动能力不强、实际中驱动低阻、大电容负载不常用的原因。若是PMOS管，该值还会增加近乎1倍实际中常用什么做输出级驱动低阻、大电容负载呢?驱动低阻、大电容负载的A类BiCMOS输出级Q1是N—SUB上的衬底NPN，注意：因N—SUB接最高电位VDD，故Q1的集电极C只能接VDD。同理，P—SUB上只能做衬底PNP，因P—SUB接最低电位VEE，故衬底PNP的集电极C只能接VEE。衬底NPN(PNP)的可做到>100。BiCMOS（BipolarCMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。

电子工程学院恒流源偏置源极跟随器的增益λ1=λ2

=0，γ1≠0代维南等效任意含独立源,线性电阻和线性受控源的单口网络（二端网络），都可以用一个电压源与电阻相串联的单口网络（二端网络）来等效，这个电压源的电压，就是此单口网络（二端网络）的开路电压，这个串联电阻就是从此单口网络（二端网络）两端看进去，当网络内部所有独立源均置零以后的等效电阻。

电子工程学院

Ch.3#11恒流源负载的源极跟随器（考虑沟道调制）如何求Vout的摆幅?摆幅、Vb、偏值电流I0、频率响应的折衷关系如何？λ1≠0，

λ2

≠0，γ1≠0输出端视在输入阻抗此项始终不变例3.8：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体效应的等效电阻M1体效应的等效电阻

电子工程学院

Ch.3#13源跟随器与共源放大器的级联1.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(减小输出摆幅VGS2)P-SUB上没有体效应的PMOS源跟随器消除体效应：把衬底和源接在一起源级跟随器小结源级跟随器的AV≤1，因输出电阻较大，一般只用来驱动小电容(或高阻)负载，不宜用来驱动低阻、大电容负载。源级跟随器的最可能的应用是用来构成电平位移电路。驱动低阻、大电容负载常用衬底NPN(PNP)构成射极跟随器来驱动。

电子工程学院例3.9源极跟随器的应用在所关心的频率下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|+VTH1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|Vinmax≤Vout+VTH1=VDD-|VGS2|+VTH12.为了允许接近VDD的输入直流电平，电路改为(b)图所示，M1、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？第3章单级放大器3.1基本概念3.2共源级3.3源跟随器3.4共栅极3.5共源共栅极共栅极定义将输入信号加在MOS管的源端：（1）在源端接受输入（2）在漏端产生输出也可以通过在源端加一个恒流源来偏置，信号通过电容耦合直接耦合的共栅级电容耦合的共栅级

电子工程学院共栅放大器大信号模型MOS管截止如果足够小到饱和区若继续减小到线性区PMOS管输入电压逐渐减小

电子工程学院共栅放大器直接耦合的共栅级电容耦合的共栅级输入——输出特性

电子工程学院

Ch.3#21共栅放大器阻抗变换特性的应用（例3.10）假定传输线的特征阻抗为50Ω若λ=γ=0,则漏电流的变化gm1△VX都是从RD抽取的，故两个电路的增益都是AV≈-gmRD.为使结点X处的反射最小，传输线的负载阻抗必须等于其特征阻抗。RD≠50Ω时，(a)一定存在波反射，(b)中选则合适的M2就可使RinM2=1/(gm+gmb)=50Ω,从而消除波反射!

电子工程学院

Ch.3#22共栅放大器的增益AV更为一般的情况：考虑晶体管的输出阻抗ro和信号源的阻抗Rs

电子工程学院

Ch.3#23共栅放大器增益AV的讨论r0→∞这同带源级负反馈电阻RS的CS增益,只是符号相反,给出直观解释RD→∞这同带恒流源负载的CS增益,只是符号相反,给出直观解释

电子工程学院

Ch.3#24共栅放大器的输入电阻RDIX+r0[IX-(gm+gmb)VX]=VX若λ=0，Rin=1/(gm+gmb)，输入呈现低阻抗特征短沟道器件增益比较低RD

减小了(gm+gmb)r0倍！呈现出阻抗变换特性！V1=-VX

电子工程学院

Ch.3#25共栅放大器的输出电阻RS为信号源内阻共栅放大器的输出电阻很大，约为r0的[1+(gm+gmb)RS]倍!（理解这一点是理解共源共栅电路的基础）。

电子工程学院

Ch.3#26共栅放大器小结Ai≈1，AV=gm(RD//r0)

，AV同CS放大器相当输入阻抗低，有阻抗变换特性。输出阻抗高，可用于提高增益和构成高性能恒流源。由于没有密勒效应，频带最宽，常同CS联合构成CS—CB放大器，用于高速运放作差分输入放大级。第3章单级放大器3.1基本概念3.2共源级3.3源跟随器3.4共栅极3.5共源共栅极共源共栅级共源级和共栅极的级联称为共源共栅结构。高输出阻抗减小了放大器输入端的米勒效应M1：输入器件，在漏极产生电流。M2:共源共栅器件M1工作在饱和区：M2也工作饱和区：Vx保证两MOS管工作在饱和区的最小输入电平等于两个管的过驱动电压之和

电子工程学院共源共栅放大器的偏值条件M1饱和时:VX≥Vin

–VTH1，即：Vb≥Vin

–VTH1+VGS2

或：Vb≥Von1+VGS2M2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。30直流特性Vout和Vint经历的区域Vout和Vint的斜率差别电流VINTVOUTM1管M2管VIN=00VB-VTH2VDD截止截止VIN较小小电流电压下降电压下降饱和饱和VIN较大大电流继续下降继续下降线性或者饱和线性或者饱和VIN很大达到最大变化很小变化很小线性线性

电子工程学院共源共栅（Cascade）放大器输入——输出特性为什么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Vin

<VTH1

时M1M2

截止，Vout=VDD，VXmax=Vb-VTH2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

电子工程学院M1、M2不同偏值时Pspice仿真结果12V3.8V1.8V12V1.5V1.8VM3M2M3M2M2最后进入线性M3最先进入线性,该点电压即是V0minM2一开始就工作在线性区注意比较单MOS管与共源共栅结构曲线的斜率VAIDIDVAVAVA

电子工程学院

Ch.3#33M1、M2同时进入线性时Pspice仿真结果12V2V1.8VM1、M2同时进入线性,该点电压即是V0minM2M3M2一开始就工作在线性区斜率有明显差别!最理想的情况是M2、M3同时进入线性，这样可以获得最大摆幅M2最后进入线性M3最先进入线性该点电压即是V0minVAIDVAVAVAIDID

电子工程学院

Ch.3#34共源共栅放大器的小信号等效电路λ1=0，

λ2

=0，γ2≠0

电子工程学院例3.14：求下图电路的AV(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=VDD-ID2RD，所以：

电子工程学院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、提高电路源的恒流特性十分有利

电子工程学院共栅放大器的输出电阻大在恒流源中的应用12V2V1.8VM1、M2同时进入线性输出电压摆幅最大M2M312V3.8V1.8VM3Voutmin,M2最后进入线性M3最先进入线性M2VoutminVAVAVAVAIDID

电子工程学院恒流源负载的共源共栅放大器两个晶体管都工作在饱和区最大增益约等于晶体管本征增益的平方.恒流源如何保证?

电子工程学院

Ch.3#39共源共栅（Cascade）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路源。用共源共栅电流源近似代替理想恒流源共源共栅极不一定起放大器的作用，还可做恒流源

电子工程学院

Ch.3#40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(b)中层叠的两个MOS管消耗的电压余度相同因gmr0∝L1/2，L↑4倍的结果只是使gmr0↑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。

电子工程学院

Ch.3#41共源共栅结构的屏蔽特性(1)左图中M2、M4均工作在饱和区，若A点电压变化△VA，求△VB=？易见，因共栅管M4的引入B点电压的变化量比A点减小了(gm4+gmb4)r04倍,即M4将B点屏蔽了。

电子工程学院

Ch.3#42共源共栅结构的屏蔽特性(2)假定ID1

是参考电流，ID2

是输出电流。若λ≠0且VX≠VY,静态调整时一般VP=VQ,ID1

与ID2

在静态时不存在误差。动态时因VY发生变化导致VQ也发生变化,因共源共栅的屏蔽特性,ID1

与ID2

产生的误差为:ID1-ID2≈0.5kn’(W/L)(Vb1-VTH)2λ(△VY)/[(gm4+gmb4)ro4],比(a)减小了[(gm4+gmb4)ro4]倍,从而提高了电流镜的匹配精度。前例结果偏值电路输出电路

电子工程学院

Ch.3#43折叠式共源共栅结构IS2共源共栅的设计思路：将输入电压转化成电流，然后将其作为共栅极的输入。PMOS和NMOS也可以共同完成。（a）为了使它们偏置，增加一个电流源。（b）

电子工程学院

Ch.3#44折叠式共源共栅结构若I1为非理