模拟CMOS集成电路设计 第3章 单级放大器综述.ppt

第3章 单级放大器 ————本章非常重要 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 在这一章中将描述四种放大器： 共源放大器； 共栅放大器； 源极跟随器； 共源共栅放大器 电路设计者一个重要的任务就是采用适当的近似来建立复杂电路的 简单的智力模型 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 模拟电路设计的八边形法则 3.2 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 3.2.1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 当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 比 高出 即在下图中的A点，在A点满足： 从上式可以计算出Vin1-VTH,并进一步 计算出Vout (3)当VinVin1时，M1工作性区： （4）如果 的值足够高而进入深线性区， ，并从 下图的等价电路中可得： = 工作性区时跨导会下降，所以我们通常要确保 根据饱和时的公式我们可求出小信号增益 = = 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 = 线性区 增益最大化 Av= p￿￿ 增大W/L；器件电容增加。

p￿￿ 增大VRD；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： = 使用近似公式； 再根据 结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比 gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的 小信号分析 很容易得到增益： 输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流 理想电流源负载 假定I1是理想电流源，M1处在饱和区 因为 所以 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=？ 电阻负载的缺点 Ø ￿￿ 不能精确控制电阻值 Ø ￿￿ 电阻值不能大，会导致摆幅下降 Ø ￿￿ 电阻的面积大，工艺上不好制造 改进方法 p采用MOS器件为负载 ü ￿￿ 二极管接法 ü ￿￿ 电流源 ü ￿￿ 线性区MOS器件 3.2.2 采用二极管连接的负载 • 在CMOS工艺中，制造一个有精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 = = 采用NMOS负载，存在体效应 忽略沟道调制，将： 代入RD=Av= 得到： == 其中 用器件的尺寸、偏置电流来表示跨导，可得 = = 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： = 例如，要获得增益为10， =100，由于 必须使 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（因此会导致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 所以 有 在上面的例子中， 驱动电压应该是 的十倍比如，当 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： = (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 3.2.3 采用电流源负载的共源级 • 对共源放大器，有Av= 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) 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 3.2.4 工作性区的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 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 的依赖因为它们随工艺和温度的改变而改变，而且产生一个精确的Vb会 增加电路的复杂性 3.2.5 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，因此导致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-IDRD Id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 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λ和γ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) 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除以源极通路上（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λ和γ一般情况下的增益 重写上式： 辅助定理：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，导致Rs上 的电压没有变化，等效为： 总结￿￿ p 两种分析方法：大信号、小信号分析￿￿ p 小信号分析方法￿￿ 画出等效电路图￿￿ 由等效电路推导增益、输出阻抗等￿￿ p 几种主要的共源放大器结构 3.3 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-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-Vth p因为体效应，Vth随Vout而改变，Av∞： 电流偏置 PMOS源跟随器，可消除体效应所引起的非线性 它使用两个分离的n阱以消除M1的体效应，但P管的低迁移率导致它的输出阻抗 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 戴维南等效电路--〉分压电路 例：求增益 例：求增益 M2源极的电阻为： 增益---〉分压： 直流电平移动 保证M1在饱和区： 保证M2、M3在饱和区： 直流电平产生VGS的平移 信号摆幅下降 考虑负载电阻RL，则： 比较共源级和源跟随器，若 a) 共源级： b) 源跟随器： 源跟随器并不是必须的驱动器。

3.4 共栅级 共栅放大器的概念 ￿￿ 在共栅级中，以栅极为基准，信号从MOS 管的源极输入，漏极输出 ￿￿ 共栅放大器的特点：输入阻抗小，阻抗转换，电流偏置 直接耦合电容耦合 大信号分析 。