模拟集成电路课件 第5章CMOS放大器.pdf

第 5章 CMOS放大器 反相器 差分放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 电流放大器 输出放大器 放大器特性  大信号静态特性  传输特性曲线  大信号增益  输入输出摆幅  小信号静态特性  交流信号增益  输入输出电阻  小信号动态特性  带宽  噪声  电源抑制  大信号动态特性  摆率  非线性 反相器  反相 —— 共源  同相 —— 共栅、共漏 有源负载反相器  PMOS有源负载反相器的电压传输特性曲线 有源负载反相器的大信号输出电压摆幅 21 1 121[ ( ) ]2[ ( ) ]2DSD G S T D SOUTD D T O U Tvi v V vvV V v    M1工作在非饱和区 M2工作在饱和区 22222()2()2D G S TD D O U T Ti v VV v V  两式联立 最大输出电压： 最小输出电压： 小信号电压增益 电流 电压增益 电压增益受器件尺寸的限制，有源负载反相器的输出阻抗较低 输出电阻 有源负载反相器的频率响应 如果 -3db频率等于 -3db频率近似正比于漏极电流的平方根 电流源负载反相器 电流源负载反相器大信号输出电压摆幅 M1工作在非饱和区得到下限 （ Vin=vdd） 小信号电压增益 随着直流电流的减小，增益上升。

这是因为输出电导正比于偏置电流，而跨导正比于偏置电流的平方根 电流源负载反相器的频率响应 如果 推挽反相器 小信号电压增益 如果 反相器比较 第 5章 CMOS放大器 反相器 差分放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 电流放大器 输出放大器 差分放大器 定义 参数 共模抑制比 输入共模范围 输出失调电压 输入失调电压 大信号分析  P阱的两种连接 带入求解 这个关系在满足 时才有效 传输特性 M2饱和的条件 M4饱和的条件 P沟道 MOSFET构成的 CMOS差分放大器 共模输入范围 从 G1通过 M1、 M3到 VDD 从 G2通过 M2、 M4到 VDD 小信号分析 其中 Iout’表示输出短路电流 共模分析 差模电压增益 共模增益 假设 rds足够大可以被忽略，电路可以更简化 差分放大器的频率响应 如果 小信号分析的直观方法 摆率 定义：最大输出电压变化率取决于 Iss和输出节点到交流地的电容 电流镜负载 CMOS差分放大器的设计 设计的约束  电源、工艺、温度 参数要求  小信号增益 Av  频率响应  输入共模范围  给定输出电容式的摆率  功耗 举例：设计电流镜差分放大器的电流和宽长比满足下列指标。

小信号差模电压增益 100V/V 已知 根据摆率确定电流 根据功耗确定电流 取 300 W5/L5这个值太大，可以稍微增加点 W1/L1来减小 VGS1，如果 W1/L1为 25则 W5/L5等于12.3增益为 111.1 第 5章 CMOS放大器 反相器 差分放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 电流放大器 输出放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 特点  提高输出电阻，增大小信号增益  减小米勒效应 大信号特性 最大输出电压： 最小输出电压： M1、 M2工作在非饱和区 M3工作在饱和区 假设 小信号 M1M2的宽长比相等且 频率响应 假设 gm2>>gds3 •频率响应的极点趋向于与节点到地的电容和电阻的乘积的倒数有关例如，输出节点 RC乘积的倒数近似为 gds/C3，而 v1节点 RC乘积的倒数近似为 gm2/（ C1+C2） •零点是因输入到输出有两条途径而形成一条通过 C1直接耦合，另一条由受控源 gm1vin产生 米勒效应 可见用一个小的电容等效大电容 例如用 等效 高阻源激励放大器  信号源的内阻足够大以至于不能忽略的情况下 根据电流节点方程 其中 或者 显然， p1起主导作用。

说明高阻源激励的反相器存在一个重要的缺点电容出现了米勒效应： C2乘以从 V1到 Vout的低频电压增益或与 R1并联，产生一个主极点，在节点 1处，由 C2产生等效的米勒电容 这个电容对驱动电路呈现一个大的电容负载 共源共栅放大器（ cascode放大器）如何减小米勒效应 电容出现米勒效应： C2乘以从 V1到 Vout的电压增益后与 Rs并联，产生主极点 C2产生的等效电容称为米勒电容 cascode放大器的优点是 M1的低频电压增益低， C2不会乘以大的系数 反相器和 cascode放大器的极点比较 高增益高输出电阻的 cascode放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器）设计 举例 共源共栅放大器的指标 要求在 10pF电容负载上的摆率大于等于 10V/us 解： 根据摆率确定电流 所以要求电流大于 100uA 根据功耗确定电流不大于 200uA 取电流 150uA 根据最大输出电压确定 M3 根据左上角的关系式确定 VGG3 根据右下角的关系式确定 M1 第 5章 CMOS放大器 反相器 差分放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 电流放大器 输出放大器 电流放大器 什么电流放大器？  放大器的类型是输入输出变量是电流  低的输入电阻  高的输出电阻 优点 •电流不受电源电压的限制，在低的电源电压下，具有更宽的信号动态范围。

•采用负反馈时，电流放大器的 -3d带宽与闭环增益无关 带负反馈的电流放大器的频率响应 假设从放大器的输入端看进去的小信号输入电阻远小于 R1和 R2 GB单位增益带宽如果 GB是常数，增大 R2/R1，增大 GB 单端输入电流放大器 举例  上图，已知 10I1=I2=100uA， W2/L2=10W1/L1=10，Cbd1=10fF， Cgs1=Cgs2=100fF， Cgd2=50fF求电流放大器的小信号电流增益、输入电阻、输出电阻和 -3dB频率  解忽略沟道调制和不匹配因素 宽摆幅的 cascode电流镜实现的电流放大器 举例 假设 IIN和 IOUT为 100uA， W/L=182 求 解 因为 低输入电阻的电流放大器  为了使输入电阻比 cascode电流放大器的输入电阻还要低，必须使用负反馈  如图，这个电路用并联负反馈将小信号输入电阻减小到 1/gm以下 没加反馈时 Rin=rds1 加负反馈，假设 I1和 I3的电阻很大 小信号分析 差分输入电流放大器 小结 电流放大器  放大器的类型是输入输出变量是电流  低的输入电阻  高的输出电阻  电流不受电源电压的限制，在低的电源电压下，具有更宽的信号动态范围。

 电流放大器的 -3d带宽与闭环增益无关 第 5章 CMOS放大器 反相器 差分放大器 共源共栅放大器（ cascode放大器） 电流放大器 输出放大器 输出放大器 要求  用电压或电流的形式输出足够大的输出功率  避免信号失真  效率高  提供非正常情况下的保护电路（短路、过热） 输出电路的形式  甲类放大器（ A类）  源极跟随器（ AB类）  推挽放大器（ B类）  衬底双极性晶体管  负反馈放大器 甲类放大器（ A类）  为了减小输出电阻，提高电流驱动能力，一个简单的方法是提高输出级的偏置电流  确定输出放大器性能的方法 1.确定放大器的交流输出电阻 2.对给定的 RL确定输出摆幅 甲类放大器（ A类）电流源负载的CMOS反相器 甲类放大器（ A类）电流源负载的 CMOS反相器的 性能 输出电阻 输出级最大流进电流（假设 vIN可以达到 VDD） 输出级最大流出电流 可见最大源电流受输出电流限制 要求 甲类放大器的小信号特性 增益 零点 极点 举例 设计简单甲类输出级电路 已知 VDD=--VSS=3V， VGG2=0V，沟道长度 L=2um，用表的值设计 M1和 M2的 W/L，得到 ± 2V的电压摆幅和 1V/us的摆率。

设 RL=20KΩ ， CL=1000pF，Cgd1=100fF 解 首先考虑 RL和 CL的影响 电流 IQ取 1mA 源极跟随器  第二种输出级放大器使用 MOS管构成的共漏或源极跟随器  这种结构具有大的电流增益和小的输出电阻  因为源极是输出节点， MOS器件与体效应有关，体效应引起的阈值电压 VT随输出电压的增大而提高，使得最大输出电压远小于 VDD 源极跟随器 或者 源极跟随器的输出电压幅度 解得 源极跟随器的最大输出电流 •最大输出电流的流入电流由 M2决定，最大流出电流由 M1和 vIN决定 •假设管子工作在饱和区 当 VOUT升高到 0V以上时，电流迅速减小 最大输出的流入电流 源极跟随器的效率 源极跟随器的效率类似甲类放大器 源极跟随器的小信号特性 频率响应 推挽放大器（ B类）  优点：电流可以灵活地流入或流出  缺点：输出摆幅限制在比最大电源电压低一个阈值电压，比最低电源电压高一个阈值电压之间  乙类和甲类重要的区别是输出电压 0V时乙类放大器没有电流偏置  乙类放大器有交越失真  具有更高的效率 推挽放大器 的小信号特性 衬底双极型晶体管  为了减小输出电阻和输出级面积，可以采用标准 CMOS工艺中可利用的衬底双极型晶体管 优点  输出电阻近似为 1/gm,可以小于 100Ω 缺点  电压传输曲线的正负部分不对称，因而产生失真  流出电流增加时积极电流会增加。

当基极电压接近 VDD时，提供这样大的偏置电流很困难 电压负反馈输出放大器  这种电路级可以降低输出电阻（ 10Ω ），又可以保持特性不变  用两个差分误差放大器对输入和输出进行采样，采用并联负反馈到共源 MOS管的栅极  误差放大器的设计必须使 M1或 M2导通以避免交越失真已达到最大效率  输出电阻 误差放大器用电阻负反馈网络替代实现 小结 反相器  有源负载反相器  电流源 /源负载反相器  推挽反相器 差分放大器  需要好的共模抑制  放大器的输入级 共源共栅放大器（ cascode放大器）  控制放大器的极点 电流放大器  低电源工作 输出放大器  最。