9-3 单端反相放大器

1第九章模拟集成电路基本单元9.1电流源电路

9.2基准电压源9.3单端反相放大器

9.4差分放大器9.5运算放大器9.6振荡器29.3单端反相放大器图9.126种常用的MOS反相放大器电路结构9.3.1基本放大电路31.纯电阻负载NMOS放大器

图9.12（a）所示电路的电压增益AV为：式中，gm1是NMOS管VT1在饱和区的跨导ro1是VT1的交流输出电阻

放大器的输出电阻由VT1的交流输出电阻ro1和RL的并联构成。ro1是饱和区的输出电阻，其实际值为∣VA1∣/IDS，其中VA1是M1的厄尔利电压。（9.25）42.E/ENMOS放大器图9.12(b)E/ENMOS放大器的电压增益AVE为：AVE=-gml(ro1||ro2)式中，ro1是M1的输出电阻ro2是M2的输出电阻

ro2是从M2源极看进去的等效电阻，其阻值远比ro1

小，因此，ro1||ro2≈ro2，由VCC+VEE>>VBE，ro2=1/gm2,得到考虑到M1、M2有相同的工艺参数和工作电流，跨导比就等于器件的宽长比之比（9.26）（9.27）（9.28）5M2的输出电阻是：

式中，gmB2是M2的背栅跨导。放大器的电压增益变为：

是表征衬底偏置效应大小的参数，式中，称为衬底偏置系数。（9.29）（9.30）6对于图9.12(c)电路结构，考虑到工作管和负载管的电流是相同的，有IDS1=IDS2，即：在不考虑衬底偏置效应时，放大器在工作点Q附近的电压增益为：与图9.10(b)所示电路的分析相同，(c)图电路也一样存在衬底偏置效应，并且影响相同。（9.32）（9.31）73.E/DNMOS放大器

图9.12(d)的E/DNMOS放大器的电压增益为：比较式（9.30）和（9.33），不难看出，以耗尽型NMOS晶体管作为负载的NMOS放大器的电压增益大于以增强型NMOS晶体管做负载的放大器。但两者有一个共同点，那就是：减小衬底偏置效应的作用将有利于电压增益的提高。（9.33）

耗尽型NMOS负载管M2的栅源短接，所以无论输出VOUT如何变化，VT2的VGS都保持零值不变。但由于存在衬底偏置效应的作用，沟道电阻将受它的影响，放大器的交流电阻将主要由衬底偏置效应决定。84.PMOS负载放大器

以增强型PMOS晶体管作为倒相放大器的负载所构成电路结构如图9.12(e)和(f)所示(e)图的电路M1和M2的交流输出电阻表示为和NMOS晶体管M1的跨导可以表示为：(9.34)9考虑到IDSl=IDS2=IDS，则放大器的电压增益为：(9.35)从式(9.35)可以看出，放大器的电压增益和工作电流的平方根成反比，随着工作电流的减小，电压增益增大，但当电流小到一定程度，即器件进入亚阈值区时，电压增益不再变化而趋于饱和，电压增益和工作电流的关系如图9.13所示。

在亚阈值区的MOS晶体管的跨导和工作电流的关系不再是平方根关系，而是线性关系。因此在电压增益公式中的电流项被约去，增益为一个常数。图9.13电压增益与工作电流的关系10(f)图所示的电路结构与E/ENMOS相比,它的负载管不存在衬偏效应。电压增益为：通过以上对6种基本放大器电压增益的分析，要提高基本放大器的电压增益，可以从以下3个方面入手：

1、提高工作管的跨导，最简单的方法是增加其宽长比

2、减小衬底偏置效应的影响；

3、采用恒流源负载结构。因为电子迁移率μn大于空穴迁移率μp，所以，与不考虑衬底偏置时的E/ENMOS放大器相比，即使各晶体管尺寸相同，以栅漏短接的PMOS为负载的放大器的电压增益仍大于E/ENMOS放大器。

（9.36）11图9.14CMOS推挽放大器M1的输出交流电流等于gm1·vi

M2的输出交流电流等于gm2·vi放大器的输