第3章单级放大器.ppt

单级放大器主要内容o共源放大器nCMOS放大器o源极跟随器o共栅放大器o共源共栅极o折叠式级联分析思路o对于每一种结构，先进行直流分析，然后进行低频 交流小信号分析o分析方法一般都先采用一个简单模型进行分析，然 后逐步增加一些诸如沟道调制效应、衬底效应等二 阶效应的分析o放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工作电 压、线性、噪声、最大电压摆幅以及输入、输出阻 抗等其中的大部分性能指标之间是相互影响的，因而进行设计时必须实现多维的优化 共源放大器共源放大器o所谓共源放大器是指输入输出回路中都包 含MOS管的源极，即输入信号从MOS管 的栅极输入，而输出信号从MOS管的漏 极取出o根据放大器的负载不同，共源放大器可以 分为两种形式：n无源负载共源放大器n有源负载共源放大器共源放大器一、无源负载共源放大器o无源负载主要有电阻、电感 与电容等o主要讨论电阻负载与电感电 容谐振负载时共源放大器的 特性 1 电阻负载共源放大器o电阻负载共源（CS）放大器 结构如图所示对于共源放 大器，低频交流信号从栅极 输入时，其输入阻抗很大， 所以在分析时可不考虑输入 阻抗的影响共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 1）直流分析o根据KCL定理，由上图可列出其直流工作的方程：o而当VGS＞Vth时，MOS管导通，有：o则直流工作方程为（注：VGS＝Vi，VDS＝Vo）：共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 进一步的讨论（分工作区讨论）：o截止区：Vi＜Vth，则Vo＝VDD；o饱和区：Vi＞Vth，且Vi－Vth≤Vo时，有：o三极管区： Vo＜Vi－Vth，有：共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o深三极管区：Vo＜＜2（Vi－Vth）， 此时M1可等效为一压控电阻，因此可得到如图所示的等效电路，则有：共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o根据以上分析，可以得到共源放大器的直流转换特性曲线，即Vo与Vi的关系曲线如图所示。

共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o注意：因为在三极管区的MOS的跨导较小，不利于提高放大器的小信号增益，因此，在设计放大器时保证工作管处于饱和区，即 Vo＞Vi－Vtho对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，即必须先把放大器合理地偏置在某一电压，以得到合适的电压放大增益以及输入输出压摆共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o图解法：先画出MOS 管的输出特性（I/V特 ）曲线，同时在同一图 上画出其直流负载线， 则直流负载线与MOS 管的I/V特性曲线相交 的交点即为其直流工作 点 o对于电阻负载放大器， 根据直流工作方程可以 直接画出其直流负载线 ，如图所示共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 由上图可以很直观地发现：o直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易进入 三极管区，从而减小了放大器的增益，也即减小了输 入输出的压摆o当然，直流工作点也不能设置得太小，因为这会使 MOS管进入截止区，进而使放大器不能工作，因此直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小o所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路的输入 输出摆幅直接相关共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 2）交流小信号分析o忽略沟道调制效应，此类电路的交流小信号等效 电路如图所示。

共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o则根据KCL定理，由上图可以直接得到：o所以该放大电路的电压增益为：负号表示输出电压与输入电压的变化极性相反o根据第二章跨导gm的表达式可把上式重写为：上式中VR是指M1的漏极电流在电阻R上产生的压降共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 由以上两个电压增益的表达式可看出，提高Av的方法有（其它参数不变只改变某一参数）：o提高跨导值：增大KN即增大W/L，缺点：会导致大的器件寄生电容o增大负载电阻R，因此在同样的ID时VR也相应增大，缺点：会减小输出电压摆幅（因为输出的最小电 压为VDD－VR）以及输入信号范围（M1工作在饱和 区的条件是VDD－VR≥Vi－Vth，当VR增大时，Vi 必须减小以确保M1工作于饱和区）共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应 o减小ID，但注意要同时增大负载电阻以保证VR为一常数，缺点：导致输出节点存在大的时间常数，减小了带宽因此，该电路在增益、输入输出电压摆幅、带宽之间必须进行合理的折衷共源放大器(电阻负载）--考虑沟道调制效应1）直流分析o考虑沟道调制效应时，其直流工作特性方程为：o在考虑沟道调制效应时，其直流负载线仍是一条直 线，但根据第二章的内容可知，在考虑沟道调制效 应时，其输出特性曲线是一条与VDS成一定角度的斜线而不是一条水平线，所以对于此类情况，图解 法求解其直流工作点时，只需将图中的水平线用一 条具有一定斜率的直线来替代即可。

共源放大器(电阻负载）--考虑沟道调制效应2）交流分析o考虑沟道调制效应的交流小信号等效电 路如图所示共源放大器(电阻负载）--考虑沟道调制效应o根据KCL定理可直接得到交流小信号电压增益：o由于 ，故有：o由上式可以看出：考虑沟道调制效应时，其交 流小信号增益减小，并且R值越大，M1的沟道调制效应越明显共源放大器(电阻负载）--考虑沟道调制效应由以上分析可看出，这种放大器具有如下特点：o该类放大器电路的输出阻抗小，电压增益小o若通过增大电阻R来提高小信号电压增益，则必然 使M1很快进入线性区o该电路一般只用于设计低增益高频放大器（因为 电阻R的寄生电容远小于电流镜等有源负载的寄生电容）o电阻R的工艺误差接近±20%，所以该电路的增 益误差较大，即易产生非线性失真 共源放大器(LC谐振负载）2、LC谐振器负载o以LC谐振器作为共源放大器的负载的电路结 构如图所示，注意图中所示的电容C包括了 M1的寄生电容共源放大器(LC谐振负载）o其直流分析与交流小信号分析同电阻负载共源放大器相似，其 中负载R用jωL与(1/jωC)并联替换，所以此电路在忽略沟道调制效应时的电压增益为：o而在考虑沟道调制效应时的电压放大增益为：o由上式可以看出，在频率ω＝ 时，该电路的电压增益为最大，即为本征增益。

o而在其它频率处增益下降共源放大器(LC谐振负载）由于LC谐振器的选频特性，该放大器具有如下的性质：o是一个窄带放大器或称为调谐放大器，其频率由 LC谐振的频率决定o是一个选频的带通放大器，带通的中心频率即为 LC谐振频率o若L是片上电感，其电感量很小，其LC谐振频率就 很大，一般要达到GHz量级，即此时该电路只对 GHz的射频信号起放大作用 共源放大器（有源负载）二、有源器件作为负载o由于采用电阻负载时存在的缺点，特别是电阻阻值的误差较大，而且大阻值的电阻所占用的芯片 面积也较大，所以经常用有源负载代替o而根据第二章的内容可知，有源负载主要包括：n二极管连接的MOS管；n栅接固定电位的MOS管共源放大器（二极管连接负载）1、以二极管连接方式为负载的共源级o带二极管负载的共源放大器的电路如 图所示即用一个二极管连接的MOS管来替代电阻R1） 直流分析o先忽略M1的沟道调制效应，在直流条件下有：o即有：共源放大器（二极管连接负载）o由上式可画出其直流负 载线，如右图所示，直 流负载线与M1的I/V特 性曲线相交之处的 VGS即为其直流工作点 图中M点的值为：o而N点的值为：VDD－Vth2共源放大器（二极管连接负载）o由式 可知：n截止区：ViVth1，且Vo≥Vi－Vth1，则M1与M2的电流应相等，故根据饱和萨氏方程有：o把 代入上式得：o由上式可知，在饱和区，如果忽略M2的体效应，则该电路具有线性的输入输出特性，输出电压Vo随Vi的上升而近似成线性减小。

共源放大器（二极管连接负载）o线性区：Vi＞Vth1，且Vo＜Vi－Vth1，则有：o深三极管区：M1可等效为一压控电阻，所以：o上式中ID2是指M2的漏极电流，也即流过M1的电流，而Ron2则是指M2的等效阻抗o根据以上的分析，可以得到其转移特性，如右图所示共源放大器（二极管连接负载）（2）交流小信号分析o当M1工作在饱和区时，可以得到其等效小信号模型如图所示共源放大器（二极管连接负载）o则根据KCL定理，有：o上式中 ，把跨导公式代入上式，且由于ID1＝ID2，则可得到： o上式可看出，该放大器的小信号增益是器件尺寸的弱相关函数，增益相对稳定，输入输出特性的线性度较好共源放大器（二极管连接负载）o由以上分析可知：二极管负载的共源级的 电压增益与器件尺寸间的关系是两个 MOS管之间宽长比之比，而与它们之间的几何尺寸无直接关系，因此该类放大器 的增益在工艺实现时比较精确o由于用NMOS的二极管连接存在着衬偏效应，降低了放大器的交流小信号增益， 如果采用PMOS来实现，如右图所示，则不存在衬偏效应共源放大器（二极管连接负载）o忽略沟道调制效应，则其交流小信号电压增益为 ：o对上图的电路进行进一步分析可知： ， 即有：o由此可得：共源放大器（二极管连接负载）o由上式可知：此类电路的电压增益为两MOS管的过驱动电压之比，因此对于较高的电压增益，M2的过驱动电压就较大，而输出电平为： ，因而会严重限制输出压摆。

对于此类电路输出的最高电平为 ，这是由于要使M2导通，VGS2的最小电平为Vth2o同理，因为 ，电路的电压增益可写成： 共源放大器（二极管连接负载）o以上的分析忽略了沟道调制效应，在实际电路中是不能忽略的，因此必须考虑沟道调制效应的影响，此时电路的增益为：o所以在考虑沟道调制效应后，其交流小信号电压增益减小了共源放大器（CMOS放大器）2、电流源负载的共源放大级――CMOS放大器o实际工作中需要单级放大器有大的增益，由Av=－gmR可看出，提高增益的一个有效途径就是增大共源级负载 o而由前面的讨论可知：直接增大电阻或以二极 管连接式负载来增大负载电阻时限制了输出电 压摆幅共源放大器（CMOS放大器）o本节讨论一个更有效的提高增益的方法，即用电流源作为负载，如图所示共源放大器（CMOS放大器）o由第二章的内容可知一个工作于饱和区的MOS管可以作为一个恒流源，因此图中的M2应工作于饱和区o图中放大器是由PMOS管与NMOS管构成，故也称为CMOS放大器共源放大器（CMOS放大器）1)、直流分析o对于工作于饱和区的PMOS管，它的等效阻抗 很大，其值为：r0=1/λID，如同带电阻的共 源放大器一样以r0替代电阻R就可得到其直流 负载线，进而得到直流工作情况图解。

o为了得到其转移特性曲线，有：n截止区：Vi>1，则有：o上式表明串接了M2使M1的输出阻抗为原来(gm2+ gmb2) ro2倍，即输出阻抗大大增大，这是共源共栅放大器的一个最大特点共源共栅放大器－输出阻抗o由以上分析可知：通过级联更多的MOS管以获得更大的输出阻抗，右图即为一个串接三个MOS管的级联结构o但这种结构的输出阻抗的增大是以消耗更大的电压余度而降低输出电压摆幅为代价的三级级联的最小输出电压等于三个过驱动电压之和所以更多的级联管也不可取 共源共栅放大器－提高电压增益o采用级联结构：由以上分析可知，如采用相同管子尺寸的级联结构可以提高电压增益，且电压增益约为(gmro )2缺点是其输出的电压的最小值为两个过驱动电压o对于共源结构在某一给定电流下增大输入三极管的沟道长度：因为增大三极管沟道长度可以增大交流电阻，进而提高电压增益共源结构的电压增益为：共源共栅放大器－提高电压增益o在上式中，由于KN与沟道长L成反比，而 λ∝1/L，所以电压增益与沟道长度的平方根成正比，即增大输入三极管的沟道长度 可以提高电压增益o缺点：为了保证电流相等，在增大输入三 极管的沟道长度时必须增大输入三极管的 过驱动电压。

所以其最小输出电压也提高 ，输出压摆减小共源共栅放。