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1、CMOS模拟集成电路设计 单级放大器 报告人：艾 力 组 员：艾 力、 刘 枫、孟祖东 、 顾后荻、 陈 波、向国明 、 范宗学、 朱万青、靳 行 苏致炜 * * 1 1 提纲 1、共源级放大器 2、共漏级放大器（源跟随器） 3、共栅级放大器 4、共源共栅级放大器 2019/11/42019/11/4 2 2 提纲提纲 DateDate 3 3 1、共源级放大器 1.1 电阻做负载的共源级放大器 大信号分析 cutoff active triode MOS管工作在饱和区时 2019/11/42019/11/4 4 4 共源级放大器共源级放大器 小信号分析 考虑沟道长度调制时， 2019/11/
2、42019/11/4 5 5 共源级放大器共源级放大器 讨论 增益对信号电平的依赖关系导致了非线性 n n 增大增大W/LW/L、或增大或增大V VRD RD、 、或减小或减小I ID D， ，都可以提高都可以提高 A Av v 。 但是，但是， n n 较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。 n n 较高的较高的V VRD RD会限制最大电压摆幅。 会限制最大电压摆幅。 n n 若若V VRD RD保持常数，减小 保持常数，减小I ID D， ，则必须增大则必须增大R RD D， ，导导 致更大的输出节点时间常数。致更大的输出节点时间常数。 2019/11/
3、42019/11/4 6 6 共源级放大器共源级放大器 1.2 MOS二极管连接做负载的共源级 MOS二极管连接 二极管连接的阻抗为 二极管连接的阻抗为 考虑体效应时 2019/11/42019/11/4 7 7 共源级放大器共源级放大器 增益 NMOS二极管连接做负载 其中 没有体效应 PMOS二极管连接做负载 2019/11/42019/11/4 8 8 共源级放大器共源级放大器 讨论 增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。 高增益要求会造成集体管的尺寸不均衡。 例：为了达到例：为了达到1010倍增益，倍增益， ，则，则(W/L)(W/L) 1 1 =50(W/L)=50(W/L) 2
4、2 在这个例子中，在这个例子中，MM 2 2 的过驱动电压应该是的过驱动电压应该是MM 1 1 的过驱动电压的的过驱动电压的1010倍。若倍。若 V V GS1GS1-V -VTH1 TH1=200mV =200mV，|V|VTH2 TH2|=0.7V |=0.7V，|V|VGS2 GS2|=2.7V |=2.7V，严重制约输出电压严重制约输出电压 摆幅。摆幅。 允许的输出电压摆幅减小。 2019/11/42019/11/4 9 9 共源级放大器共源级放大器 1.3 电流源负载的共源级放大器 讨论 获得更大的增益 M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较 弱，因此对输出摆幅的限制
5、较小。 长沟器件可以产生高的电压增益。 同时增加W、L将引入更大的节点电容。 ID AV 考虑沟道长度调制， 2019/11/42019/11/41010共源级放大器共源级放大器 1.4 带源级负反馈的共源级放大器 小信号直接分析方法 这里，没有考虑体效应和 沟道长度调制效应 讨论 增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的 提高。 线性化的获得是以牺牲增益为代价的。 2019/11/42019/11/41111共源级放大器共源级放大器 考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小 信号模型为 2019/11/42019/11/41212共源级放大器共源级放大器 小信号等效分析 辅助定理
6、：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示 输出与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的 输出电阻。 线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，输出电压为- IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。 Gm? Rout? 2019/11/42019/11/41313共源级放大器共源级放大器 计算Gm （考虑沟道长度调制及体效应（考虑沟道长度调制及体效应) ) 由于 ，所以 因此， 2019/11/42019/11/41414共源级放大器共源级放大器 计算Rout 流经ro的电流： 得到 所以， 2019/11/42019/11/
7、41515共源级放大器共源级放大器 计算Av Av=-Gm(Rout|RD) 2019/11/42019/11/41616共源级放大器共源级放大器 2、共漏级放大器（源跟随器） 大信号分析 当VinVTH时，M1处于截止状态， Vout等于零； Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱 和区； Vin进一步增大， Vout跟随Vin的变 化，且两者之差为VGS。 2019/11/42019/11/41717共漏级放大器共漏级放大器 小信号分析 考虑体效应 讨论 增益VDD-|VTH1|，M1截止，电流I1全部通过M2， 有Vout=VDD-I1RD 如果VinVDD-|VTH1|，M1开启处于饱
8、和区， 随着Vin ，ID2，当ID1=I1时，ID20，有 当Vin下降到Vin1以下，ID1趋向大于I1，迫使M1进入线性区 使ID1=I1。 2019/11/42019/11/43333共源共栅级放大器共源共栅级放大器 小结 小信号增益输出电阻输入电阻摆幅线性度 共 源 级 电阻负载 二极管 负载 忽略忽略 小 较好 带源级 负反馈 忽略 好 共漏极 （电流源负载） 忽略忽略 小差 共栅极 忽略 共源共栅级 （电流源负载） 小 直流或低频下！ DateDate3434 小结 电路仿真是必不可少的！ 不要让计算机替你去思考！ DateDate3535 参考文献 1 Behzad Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuits. ISBN: 0-07-238032-2 2 Y.Tsividis. Operation and Modeling of the MOS Transistor.Second ED. , Boston: McGraw -Hill,1999 3 康华光，电子技术基础模拟部分，高等教 育出版社， 第五版，2006-01 4 胡斌，图表细说电子技术图，电子工业出 版社，2008-06 5 赛德雷等著，周玲玲等译，微电子电路， 第五版，电子工业出版社，2006-07 DateDate3636
