131101第03章 單極放大器03 - 副本 (2)

模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)：時(shí)

間：2009年12月10日韓可電子工程學(xué)院Email:hanke@Tel:611986592023最新整理收集do

something第3章單級放大器3.1基本概念3.2共源級3.3源跟隨器3.4共柵極3.5共源共柵極

電子工程學(xué)院源極跟隨器及其小信號等效電路共源級:在一定的電源電壓下,要獲得更高的電壓增益,負(fù)載阻抗必須大.若驅(qū)動(dòng)低負(fù)載電路,必須增加緩沖器才能獲得合理的增益.源跟隨器:可用作緩沖器利用柵極接收信號,利用源級驅(qū)動(dòng)負(fù)載.工作原理的直觀理解共源放大器漏源電壓的變化抵消柵源電壓的變化柵對源的作用比漏對源的作用強(qiáng)從而實(shí)現(xiàn)了高增益源極跟隨器源的變化同時(shí)改變柵源和漏源電壓有效的柵源電壓小增益小于1可通過跨導(dǎo)×輸出電阻來分析

電子工程學(xué)院

Ch.3#5源極跟隨器及其小信號等效電路

電子工程學(xué)院源極跟隨器及其小信號等效電路問題:M1會(huì)隨Vin↑而進(jìn)入線性區(qū)嗎?（VDS<Vgs-VTH）條件:Vin<VDD

電子工程學(xué)院源極跟隨器的輸出電阻-體效應(yīng)的影響電流源的大小和它兩端的壓降成正比體效應(yīng)等效于在輸出端接了一個(gè)電阻1/gmb——這僅對源跟隨器是正確的！體效應(yīng)使源跟隨器的輸出電阻減小了！

電子工程學(xué)院源極跟隨器的輸出電阻(例)習(xí)題2.2：W/L=50/0.5，ID=0.5mA，求gm對于BJT：Rout=re=VT/IC=26mV/0.5mA=52Ω易見,BJT射極跟隨器的輸出電阻比MOS源跟隨器的輸出電阻小很多,且實(shí)際用作輸出級時(shí)ID更大些，RoutBJT/RoutMOS會(huì)更大一些!!這也是源跟隨器驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)、實(shí)際中驅(qū)動(dòng)低阻、大電容負(fù)載不常用的原因。若是PMOS管，該值還會(huì)增加近乎1倍實(shí)際中常用什么做輸出級驅(qū)動(dòng)低阻、大電容負(fù)載呢?驅(qū)動(dòng)低阻、大電容負(fù)載的A類BiCMOS輸出級Q1是N—SUB上的襯底NPN，注意：因N—SUB接最高電位VDD，故Q1的集電極C只能接VDD。同理，P—SUB上只能做襯底PNP，因P—SUB接最低電位VEE，故襯底PNP的集電極C只能接VEE。襯底NPN(PNP)的可做到>100。BiCMOS（BipolarCMOS）是CMOS和雙極器件同時(shí)集成在同一塊芯片上的技術(shù)，其基本思想是以CMOS器件為主要單元電路，而在要求驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載之處加入雙極器件或電路。因此BiCMOS電路既具有CMOS電路高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了雙極電路高速、強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢。

電子工程學(xué)院恒流源偏置源極跟隨器的增益λ1=λ2

=0，γ1≠0代維南等效任意含獨(dú)立源,線性電阻和線性受控源的單口網(wǎng)絡(luò)（二端網(wǎng)絡(luò)），都可以用一個(gè)電壓源與電阻相串聯(lián)的單口網(wǎng)絡(luò)（二端網(wǎng)絡(luò)）來等效，這個(gè)電壓源的電壓，就是此單口網(wǎng)絡(luò)（二端網(wǎng)絡(luò)）的開路電壓，這個(gè)串聯(lián)電阻就是從此單口網(wǎng)絡(luò)（二端網(wǎng)絡(luò)）兩端看進(jìn)去，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有獨(dú)立源均置零以后的等效電阻。

電子工程學(xué)院

Ch.3#11恒流源負(fù)載的源極跟隨器（考慮溝道調(diào)制）如何求Vout的擺幅?擺幅、Vb、偏值電流I0、頻率響應(yīng)的折衷關(guān)系如何？λ1≠0，

λ2

≠0，γ1≠0輸出端視在輸入阻抗此項(xiàng)始終不變例3.8：計(jì)算下圖電路的電壓增益AV輸出端視在輸入阻抗λ1≠0,λ2

≠0從M2源端看進(jìn)去的阻抗為：γ1≠0,γ2≠0從M1源端看進(jìn)去的阻抗為：M1體效應(yīng)的等效電阻M1體效應(yīng)的等效電阻

電子工程學(xué)院

Ch.3#13源跟隨器與共源放大器的級聯(lián)1.僅有CS放大器，M1工作在飽和區(qū)時(shí):VX≥VonM1=Vin-VTH12.加上源跟隨器后，M3工作在飽和區(qū)時(shí):VX≥VGS2+VonM3=VGS2+(Vb-VTH3)用作電平移動(dòng)的源跟隨器會(huì)消耗電壓余度減小輸出擺幅(減小輸出擺幅VGS2)P-SUB上沒有體效應(yīng)的PMOS源跟隨器消除體效應(yīng)：把襯底和源接在一起源級跟隨器小結(jié)源級跟隨器的AV≤1，因輸出電阻較大，一般只用來驅(qū)動(dòng)小電容(或高阻)負(fù)載，不宜用來驅(qū)動(dòng)低阻、大電容負(fù)載。源級跟隨器的最可能的應(yīng)用是用來構(gòu)成電平位移電路。驅(qū)動(dòng)低阻、大電容負(fù)載常用襯底NPN(PNP)構(gòu)成射極跟隨器來驅(qū)動(dòng)。

電子工程學(xué)院例3.9源極跟隨器的應(yīng)用在所關(guān)心的頻率下C1交流短路，求AV？M1工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入端允許的最大直流電平為多少？AV=-gm1[r01//r02//(1/gm2)Vinmax≤VDD-|VGS2|+VTH1若Vin=VDD，則VX=VDD-VGS3，要保證M1工作在飽和區(qū)，則有：VDD-VGS3-VTN≤VDD-|VGS2|，即VGS3+VTN≥|VGS2|Vinmax≤Vout+VTH1=VDD-|VGS2|+VTH12.為了允許接近VDD的輸入直流電平，電路改為(b)圖所示，M1、M3的柵源電壓應(yīng)滿足什么樣的關(guān)系才能保證M1個(gè)工作在飽和區(qū)？第3章單級放大器3.1基本概念3.2共源級3.3源跟隨器3.4共柵極3.5共源共柵極共柵極定義將輸入信號加在MOS管的源端：（1）在源端接受輸入（2）在漏端產(chǎn)生輸出也可以通過在源端加一個(gè)恒流源來偏置，信號通過電容耦合直接耦合的共柵級電容耦合的共柵級

電子工程學(xué)院共柵放大器大信號模型MOS管截止如果足夠小到飽和區(qū)若繼續(xù)減小到線性區(qū)PMOS管輸入電壓逐漸減小

電子工程學(xué)院共柵放大器直接耦合的共柵級電容耦合的共柵級輸入——輸出特性

電子工程學(xué)院

Ch.3#21共柵放大器阻抗變換特性的應(yīng)用（例3.10）假定傳輸線的特征阻抗為50?若λ=γ=0,則漏電流的變化gm1△VX都是從RD抽取的，故兩個(gè)電路的增益都是AV≈-gmRD.為使結(jié)點(diǎn)X處的反射最小，傳輸線的負(fù)載阻抗必須等于其特征阻抗。RD≠50?時(shí)，(a)一定存在波反射，(b)中選則合適的M2就可使RinM2=1/(gm+gmb)=50?,從而消除波反射!

電子工程學(xué)院

Ch.3#22共柵放大器的增益AV更為一般的情況：考慮晶體管的輸出阻抗ro和信號源的阻抗Rs

電子工程學(xué)院

Ch.3#23共柵放大器增益AV的討論r0→∞這同帶源級負(fù)反饋電阻RS的CS增益,只是符號相反,給出直觀解釋RD→∞這同帶恒流源負(fù)載的CS增益,只是符號相反,給出直觀解釋

電子工程學(xué)院

Ch.3#24共柵放大器的輸入電阻RDIX+r0[IX-(gm+gmb)VX]=VX若λ=0，Rin=1/(gm+gmb)，輸入呈現(xiàn)低阻抗特征短溝道器件增益比較低RD

減小了(gm+gmb)r0倍！呈現(xiàn)出阻抗變換特性！V1=-VX

電子工程學(xué)院

Ch.3#25共柵放大器的輸出電阻RS為信號源內(nèi)阻共柵放大器的輸出電阻很大，約為r0的[1+(gm+gmb)RS]倍!（理解這一點(diǎn)是理解共源共柵電路的基礎(chǔ)）。

電子工程學(xué)院

Ch.3#26共柵放大器小結(jié)Ai≈1，AV=gm(RD//r0)

，AV同CS放大器相當(dāng)輸入阻抗低，有阻抗變換特性。輸出阻抗高，可用于提高增益和構(gòu)成高性能恒流源。由于沒有密勒效應(yīng)，頻帶最寬，常同CS聯(lián)合構(gòu)成CS—CB放大器，用于高速運(yùn)放作差分輸入放大級。第3章單級放大器3.1基本概念3.2共源級3.3源跟隨器3.4共柵極3.5共源共柵極共源共柵級共源級和共柵極的級聯(lián)稱為共源共柵結(jié)構(gòu)。高輸出阻抗減小了放大器輸入端的米勒效應(yīng)M1：輸入器件，在漏極產(chǎn)生電流。M2:共源共柵器件M1工作在飽和區(qū)：M2也工作飽和區(qū)：Vx保證兩MOS管工作在飽和區(qū)的最小輸入電平等于兩個(gè)管的過驅(qū)動(dòng)電壓之和

電子工程學(xué)院共源共柵放大器的偏值條件M1飽和時(shí):VX≥Vin

–VTH1，即：Vb≥Vin

–VTH1+VGS2

或：Vb≥Von1+VGS2M2飽和時(shí):Vout≥Vb

–VTH2，即:Vout≥Von1

+VGS2

–VTH2

或：

Vout≥Von1

+Von2共柵管M2的增加雖然提高了從M2漏端看進(jìn)去的阻抗、改善了放大器的頻率特性，但輸出電壓擺幅減小了一個(gè)大小等于M2的過驅(qū)動(dòng)電壓。這是靠犧牲擺幅來獲取帶寬和增益的提高。30直流特性Vout和Vint經(jīng)歷的區(qū)域Vout和Vint的斜率差別電流VINTVOUTM1管M2管VIN=00VB-VTH2VDD截止截止VIN較小小電流電壓下降電壓下降飽和飽和VIN較大大電流繼續(xù)下降繼續(xù)下降線性或者飽和線性或者飽和VIN很大達(dá)到最大變化很小變化很小線性線性

電子工程學(xué)院共源共柵（Cascade）放大器輸入——輸出特性為什么VXmax=Vb-VTH2？Vin↑時(shí)，M1、M2誰先進(jìn)入線性區(qū)？誰先進(jìn)入線性區(qū)對恒流特性和輸出擺幅有何關(guān)系?當(dāng)Vin

<VTH1

時(shí)M1M2

截止，Vout=VDD，VXmax=Vb-VTH2當(dāng)VX<Vin

–VTH1

時(shí)M1

進(jìn)入線性區(qū)當(dāng)Vout<Vb

–VTH2時(shí)M2進(jìn)入線性區(qū)容易分析，Vb

較小時(shí)，M1比M2先進(jìn)入線性區(qū)

電子工程學(xué)院M1、M2不同偏值時(shí)Pspice仿真結(jié)果12V3.8V1.8V12V1.5V1.8VM3M2M3M2M2最后進(jìn)入線性M3最先進(jìn)入線性,該點(diǎn)電壓即是V0minM2一開始就工作在線性區(qū)注意比較單MOS管與共源共柵結(jié)構(gòu)曲線的斜率VAIDIDVAVAVA

電子工程學(xué)院

Ch.3#33M1、M2同時(shí)進(jìn)入線性時(shí)Pspice仿真結(jié)果12V2V1.8VM1、M2同時(shí)進(jìn)入線性,該點(diǎn)電壓即是V0minM2M3M2一開始就工作在線性區(qū)斜率有明顯差別!最理想的情況是M2、M3同時(shí)進(jìn)入線性，這樣可以獲得最大擺幅M2最后進(jìn)入線性M3最先進(jìn)入線性該點(diǎn)電壓即是V0minVAIDVAVAVAIDID

電子工程學(xué)院

Ch.3#34共源共柵放大器的小信號等效電路λ1=0，

λ2

=0，γ2≠0

電子工程學(xué)院例3.14：求下圖電路的AV(假定λ=0)M1的小信號電流gm1Vin被Rp和向M2源端看進(jìn)去的阻抗1/(gm2+gmb2)分成兩部分，故：因Vout=VDD-ID2RD，所以：

電子工程學(xué)院共源共柵放大器的輸出電阻注意：左邊電路的輸出阻抗就是共源放大器帶負(fù)反饋電阻RS的的輸出阻抗上式表示共源共柵結(jié)構(gòu)具有很高的輸出阻抗，對提高放大器小信號增益、提高電路源的恒流特性十分有利

電子工程學(xué)院共柵放大器的輸出電阻大在恒流源中的應(yīng)用12V2V1.8VM1、M2同時(shí)進(jìn)入線性輸出電壓擺幅最大M2M312V3.8V1.8VM3Voutmin,M2最后進(jìn)入線性M3最先進(jìn)入線性M2VoutminVAVAVAVAIDID

電子工程學(xué)院恒流源負(fù)載的共源共柵放大器兩個(gè)晶體管都工作在飽和區(qū)最大增益約等于晶體管本征增益的平方.恒流源如何保證?

電子工程學(xué)院

Ch.3#39共源共柵（Cascade）放大器因M1、M2的高輸出阻抗，欲得高增益要求所帶負(fù)載也必須是高輸出阻抗，故負(fù)載也常用共源共柵電路源。用共源共柵電流源近似代替理想恒流源共源共柵極不一定起放大器的作用，還可做恒流源

電子工程學(xué)院

Ch.3#40增加L與采用共源共柵結(jié)構(gòu)來提高增益的比較假定ID不變，若(a)中L變?yōu)樵瓉淼?倍而W保持不變，則Vonb=2Vona，與(b)中層疊的兩個(gè)MOS管消耗的電壓余度相同因gmr0∝L1/2，L↑4倍的結(jié)果只是使gmr0↑兩倍，而(c)中共源共柵結(jié)構(gòu)輸出增益大約增大為(gmr0)2倍，同時(shí)因(b)中M1的跨導(dǎo)是(c)中的1/2，這會(huì)導(dǎo)致更高的噪聲。*放大器的噪聲與用作放大MOS管的跨導(dǎo)gm成反比,與用作恒流源的MOS管的跨導(dǎo)gm成正比。

電子工程學(xué)院

Ch.3#41共源共柵結(jié)構(gòu)的屏蔽特性(1)左圖中M2、M4均工作在飽和區(qū)，若A點(diǎn)電壓變化△VA，求△VB=？易見，因共柵管M4的引入B點(diǎn)電壓的變化量比A點(diǎn)減小了(gm4+gmb4)r04倍,即M4將B點(diǎn)屏蔽了。

電子工程學(xué)院

Ch.3#42共源共柵結(jié)構(gòu)的屏蔽特性(2)假定ID1

是參考電流，ID2

是輸出電流。若λ≠0且VX≠VY,靜態(tài)調(diào)整時(shí)一般VP=VQ,ID1

與ID2

在靜態(tài)時(shí)不存在誤差。動(dòng)態(tài)時(shí)因VY發(fā)生變化導(dǎo)致VQ也發(fā)生變化,因共源共柵的屏蔽特性,ID1

與ID2

產(chǎn)生的誤差為:ID1-ID2≈0.5kn’(W/L)(Vb1-VTH)2λ(△VY)/[(gm4+gmb4)ro4],比(a)減小了[(gm4+gmb4)ro4]倍,從而提高了電流鏡的匹配精度。前例結(jié)果偏值電路輸出電路

電子工程學(xué)院

Ch.3#43折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)IS2共源共柵的設(shè)計(jì)思路：將輸入電壓轉(zhuǎn)化成電流，然后將其作為共柵極的輸入。PMOS和NMOS也可以共同完成。（a）為了使它們偏置，增加一個(gè)電流源。（b）

電子工程學(xué)院

Ch.3#44折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)若I1為非理