模擬CMOS集成電路設(shè)計 第3章 單級放大器

1、第3章 單級放大器單級放大器本章非常重要在大多數(shù)模擬電路和許多數(shù)字電路中，放大器是最基本的功能塊 。在這一章中將描述四種放大器：共源放大器；共柵放大器；源極跟隨器；共源共柵放大器。 電路設(shè)計者一個重要的任務(wù)就是采用適當(dāng)?shù)慕苼斫?fù)雜電路的簡單的智力模型。先從最簡化的模型著手，逐漸地在考慮溝長調(diào)制和體效應(yīng)這樣的二級效應(yīng)。模擬電路設(shè)計的八邊形法則3.2 共源級 采用電阻負(fù)載的共源級（少，因為工藝上電阻不好制作） 帶二極管接法負(fù)載的共源級（缺點是增益不大） 采用電流源負(fù)載的共源級 工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源級（少，線性電阻影響因素很多，無法確定） 帶源級負(fù)反饋的共源級3.2.1采用電阻負(fù)載的

2、共源級概念： M1的柵源之間輸入電壓信號Vin，通過NMOS的跨導(dǎo)放大，在漏極得到一個小信號電流。電流通過負(fù)載電阻產(chǎn)生電壓輸出。輸入柵源電壓，輸出柵漏電壓共源放大。共源級電路(1)如果輸入電壓從零開始增大,M1截止,VOUT=VDD。（2）Vin增大到超過并接近VTH時，M1飽和221THinoxnDDDoutVVLWCRVV當(dāng)Vin繼續(xù)增大，Vout繼續(xù)減小，這時還處在飽和區(qū)，直到 比 高出 inVoutVTHV即在下圖中的A點，在A點滿足：21121THinoxnDDDTHinVVLWCRVvV從上式可以計算出Vin1-VTH,并進(jìn)一步計算出Vout(3)當(dāng)VinVin1時，M1工作在線性

3、區(qū)：2221outoutTHinoxnDDDoutVVVVLWCRVV（4）如果 的值足夠高而進(jìn)入深線性區(qū)， ，并從 下圖的等價電路中可得： inVTHinoutVVV 2DRononDDoutRRVVTHinDoxnDDVVRLWCV1=工作在線性區(qū)時跨導(dǎo)會下降，所以我們通常要確保 THinoutVVV 2根據(jù)飽和時的公式我們可求出小信號增益inoutvVVA=THinoxnDVVLWCR=DmRg221THinoxnDDDoutVVLWCRVV增益隨Vin的線性增加，當(dāng)輸入信號擺幅較大時引入非線性跨導(dǎo)隨輸入電壓的變化飽和區(qū)GSDmVIgTHGSoxnVVLWC=線性區(qū)增益最大化DmRgAv

4、=DRDDoxnvIVILWCA2DRDoxnvIVLWCA2p增大W/L；器件電容增加。p增大VRD；輸出擺幅減小。p減小ID；RD增加，輸出節(jié)點的時間常數(shù)增加。溝道長度調(diào)制效應(yīng)若代入飽和區(qū)公式時，考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則： outTHinoxnDDDoutVVVLWCRVV1212inoutVV=outTHinoxnDVVVLWCR1inoutTHinoxnDVVVVLWCR221使用近似公式；221THinoxnDVVLWCIvAvDDDmAIRRgDDDmvIRRgA1DoIr1)/(DomRrg再根據(jù)DDmvRrRrgA00結(jié)論：結(jié)論：增益和跨導(dǎo)gm、輸出阻抗成正比。vDmARg,g

5、m隨Vin線性上升，因此增益是非線性的。小信號分析0/DooutinmRrVVg)/(DominoutRrgVV)/(DomvRrgA很容易得到增益：DDmRrRrg00輸出阻抗：輸入為零時，在輸出加電壓激勵，得到電流)/(, 0oDinoinrRVVVor , 0DR理想電流源負(fù)載假定I1是理想電流源，M1處在飽和區(qū)。DR3010omrg因為所以O(shè)mvrgA這稱為晶體管的“本征增益”，代表單個晶體管能達(dá)到的最大增益。一般，問題：Vout=？ outTHinoxnDVVVCI12121outinVV, 0,電阻負(fù)載的缺點不能能確確制電阻值電阻值不能大，會導(dǎo)導(dǎo)擺幅下降電阻的的面大，工藝上不好制造

6、改進(jìn)方法p采用MOS器件為負(fù)載二極管接法電流源線性區(qū)MOS器件3.2.2 采用二極管連接的負(fù)載 在CMOS工藝中，制造一個有能確阻值和物理尺寸的電阻是很困難的 。所以常常要求用一個MOS管來代替圖3.3 (a) 中的RD。XOxXmbmIrVVggXXIV=11OmbmrggOmbmrgg1=mbmgg1采用NMOS負(fù)載，存在體效應(yīng)忽略溝道調(diào)制，將：XXIVmbmgg1代入RD=DmRgAv=得到：vA=2211mbmmggg21mmgg11=22mmbgg其中用器件的尺寸、偏置電流來表示跨導(dǎo)，可得 vA=221122DoxnDoxnILWCILWC1121LWLW=111M如果忽略 隨輸出電

7、壓的變化，增益與偏置電流和電壓無關(guān) (只要處在飽和區(qū))。換言之，當(dāng)輸入和輸出電平發(fā)生變化時，增益仍保持不變，表明輸入輸出特性相對呈線性。 采用大信號分析得出的結(jié)論是一樣的：即如VTH2隨Vout的變化很小，電路表現(xiàn)出線性的輸入-輸出特性用PMOS器件來代替NMOS，無須考慮體效應(yīng)，則小信號電壓增益等于：vA=21LWLWpn例如，要獲得增益為10， 21LWLWpn=100，由于pn2必須使 21)/(50LWLW在某種意義上，高增益要求強(qiáng)的輸入器件和弱的負(fù)載器件，缺點是高增益會造成溝寬和溝長過大而不均衡（因此會導(dǎo)導(dǎo)大的輸入或者負(fù)載電容），同時還會帶來另外一個嚴(yán)重的局限性：允許的輸出電壓擺幅的

8、減小。2111THGSnVVLW2222THGSpVVLW21DDII所以vTHGSTHGSAVVVV2122有2M1M在上的的例子中， 驅(qū)動電壓應(yīng)該是 的十倍。比如，當(dāng) mVVVTHGS20011VVTH7 . 02VVGS7 . 22和可得這嚴(yán)重的限制了輸出電壓的擺幅 性能改進(jìn)在M2邊上并聯(lián)一個恒流源，M2 的電流將下降，跨導(dǎo)下降，增益提高?。?75. 0IIS21mmvggA214LWLWpn=(a) 在相同增益條件下，降低了MOS管的W/L比。(b) I2 減小，Vgs2減小，Vout的擺幅提高3.2.3 采用電流源負(fù)載的共源級 對共源放大器，有DmRgAv=VDAR但電阻和二極管負(fù)載

9、的電壓擺幅受到限制用電流源代替電阻，如圖：(a) MOS管的輸出阻抗很大。長溝道器件可以提高增益(b) 對M2，若I是恒定值，當(dāng)W2 增加時，Veff2下降，Vds2可以很小，Vout的擺幅很大。一般：但是，當(dāng)L2、W2同時增加時，則M2的寄生電容值增加(c)對M1， 對給定的I值：擺幅增加3.2.4 工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源級 工作在深線性區(qū)的MOS器件的特性像電阻一樣,因此可以用來作為共源級的負(fù)載。)()/(122THPbDDponVVVLWCROX這種電路使M2的柵壓偏置在足夠低的電平，保證M2在全部輸出電壓擺幅范圍內(nèi)工作在深線性區(qū)。這個電路的主要缺點源于RON2對THPbOXp

10、VVC,的依賴。因為它們隨工藝和溫度的改變而改變，而且產(chǎn)生一個能確的Vb會增加電路的復(fù)雜性。3.2.5 帶源級負(fù)反饋的共源級 在模擬電路的八邊形的法則中我們可知道，線性化也是一個重要的考慮因素之一。 線性化是希望我們的變量和因變量之間是一種最簡單的關(guān)系，即它們的增長比例相同。也就是一種線性函數(shù)。 但我們知道漏電流和過驅(qū)動電壓是一種平方關(guān)系，如何讓他們也呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系呢？ 本節(jié)中是通過用一個負(fù)反饋電阻串聯(lián)在在晶體管的源端來實現(xiàn)。當(dāng)Vin增加，ID也增加，同樣在Rs上的壓降也會增加，換句話說，輸入電壓的一部分出現(xiàn)在電阻Rs上，而不是作為柵源的過驅(qū)動電壓上，因此導(dǎo)導(dǎo)ID的變化變得平緩。從另一個角

11、度看，Vout=VDD-IDRD, Vout與Vin的非線性源于ID與Vin 之間的非線性。而ID與Vin之間的關(guān)系要是也偏向于線性就好了。所以現(xiàn)在我們就分析ID與Vin之間的關(guān)系。即等效跨導(dǎo)Gm的關(guān)系。并希望Gm接近于一個固定的值。Vout=VDD-IDRDId隨Vin的增加緩慢，而不再是平方律關(guān)系推導(dǎo)Gm：提高線性度的代價是，增益下降，擺幅下降。當(dāng)Rs為一個很大的值時，Gm是一個固定的值，正符合我們要求。也就是SinDRVI/這表明Vin的大部分變化落在Rs上。我們可以說，漏電流是輸入電壓的線性函數(shù)。但它是以犧牲增益為代價的。利用小信號等效電路可推導(dǎo)出同樣結(jié)果，特別是考慮和的一般情況。推導(dǎo)

12、Gm：輸出接地，加輸入電壓，得到輸出電流。增益與跨導(dǎo)ro很大，則：式中：Av、Gm隨Vin變化：a) Vin很小時，M1 導(dǎo)通b) Vin增加時，c) Vin很大時，計算Av的等效方法從漏極結(jié)點看到的電阻阻以源極通路上（Vin=0）的總電阻。輸出阻抗：等效圖中忽略RD考慮輸出阻抗：輸入接地，輸出加激勵。一般輸出阻抗提高了倍考慮和一般情況下的增益。重寫上式：輔助定理：在線性電路中，電壓增益為Gm：輸出與地短接時的等效跨導(dǎo)。Rout：輸入電壓為零時的等效輸出阻抗。例：恒流源負(fù)載：恒流源的輸出阻抗無窮大，Rd可忽略結(jié)論：Av和Rs無關(guān)。因為Io恒定，流過Rs的電流變化為零，導(dǎo)導(dǎo)Rs上的電壓沒有變化，

13、等效為：總結(jié)p 兩種分析方法：大信號、小信號分析p 小信號分析方法 畫出等效電路圖 由等效電路推導(dǎo)增益、輸出阻抗等p 幾種主要的共源放大器結(jié)構(gòu)3.3 源跟隨器 源跟隨器（共漏放大器）概念p 以M1漏極為基準(zhǔn)，以柵-漏電壓為輸入，以源-漏電壓驅(qū)動負(fù)載。p 實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換其特點為：a) 能驅(qū)動較小的輸出電阻。例，共源放大器的輸出跟一個源跟隨器。b) 電壓放大倍數(shù)1，是電壓緩沖器，輸入和輸出電平轉(zhuǎn)換。 大信號分析p當(dāng)VinVth時，M1 截止。p當(dāng)Vin增加,M1導(dǎo)通，得出Vout=Vin-Vthp因為體效應(yīng)，Vth隨Vout而改變，Av：電流偏置PMOS源跟隨器，可消阻體效應(yīng)所引起的非線性它使用兩個分離的n阱以消阻M1的體效應(yīng)，但P管的低遷移率導(dǎo)導(dǎo)它的輸出阻抗比N管的輸出阻抗更高。 輸入阻抗低頻時輸入電流為零，輸入阻抗無限大。 輸出阻抗直觀的：源跟隨器實現(xiàn)大阻抗到小阻抗的轉(zhuǎn)換源跟隨器的戴維南等效用電阻模擬gmb對源跟隨器成立戴維南等效電路