模拟CMOS集成电路设计 第3章 单级放大器综述

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1、第3章 单级放大器 本章非常重要 在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大器是最基本的功能块 。 在这一章中将描述四种放大器： 共源放大器； 共栅放大器； 源极跟随器； 共源共栅放大器。 电路设计者一个重要的任务就是采用适当的近似来建立复杂电路的 简单的智力模型。 先从最简化的模型着手，逐渐地在考虑沟长调制和体效应这样的二级效应。 模拟电路设计的八边形法则 3.2 共源级 采用电阻负载的共源级（少，因为工艺上 电阻不好制作） 带二极管接法负载的共源级（缺点是增益 不大） 采用电流源负载的共源级 工作在线性区的MOS为负载的共源级（少 ，线性电阻影响因素很多，无法确定） 带源级负反馈的共源级 3.

2、2.1采用电阻负载的共源级 概念： M1的栅源之间输入电压信号Vin，通过NMOS的跨导放大，在漏极得到一 个小信号电流。电流通过负载电阻产生电压输出。输入栅源电压，输出栅漏 电压 共源放大。 共源级电路 (1)如果输入电压从零开始增大,M1截止, VOUT=VDD。 （2）Vin增大到超过并接近VTH时，M1饱和 当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 比 高出 即在下图中的A点，在A点满足： 从上式可以计算出Vin1-VTH,并进一步 计算出Vout (3)当VinVin1时，M1工作在线性区： （4）如果 的值足够高而进入深线性区， ，并从 下图的等价电路中可得：

3、= 工作在线性区时跨导会下降，所以我们通常要确保 根据饱和时的公式我们可求出小信号增益 = = 增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大时引入非线性 跨导随输入电压的变化 饱和区 = 线性区 增益最大化 Av= p 增大W/L；器件电容增加。 p 增大VRD；输出摆幅减小。 p 减小ID；RD增加，输出节点的时间常数增加。 沟道长度调制效应 若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则： = 使用近似公式； 再根据 结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。 gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。 小信号分析 很容易得到增益： 输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流 理想电流源负载

4、 假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。 因为 所以 这称为晶体管的“本征增益”，代表单个晶体管能 达到的最大增益。一般， 问题：Vout=？ 电阻负载的缺点 不能精确控制电阻值 电阻值不能大，会导致摆幅下降 电阻的面积大，工艺上不好制造 改进方法 p采用MOS器件为负载 二极管接法 电流源 线性区MOS器件 3.2.2 采用二极管连接的负载 在CMOS工艺中，制造一个有精确阻值和物理尺寸的电阻 是很困难的 。所以常常要求用一个MOS管来代替图3.3 (a) 中的RD。 = = 采用NMOS负载，存在体效应 忽略沟道调制，将： 代入RD=Av= 得到： = 其中 用器件的尺寸、偏置电流来表示跨

5、导，可得 = = 如果忽略 随输出电压 的变化，增益与偏置电流和电压无关 (只要处在饱和区)。 换言之，当输入和输出电平发生变化时，增益仍保持不变，表明输入输出 特性相对呈线性。 采用大信号分析得出的结论是一样的：即 如VTH2随Vout的变化很小，电路表现出线性的输入-输出特性 用PMOS器件来代替NMOS，无须考虑体效应，则小信号电压增益等于： = 例如，要获得增益为10， =100，由于 必须使 在某种意义上，高增益要求强的输入器件和弱的负载器件，缺点是高增益会 造成沟宽和沟长过大而不均衡（因此会导致大的输入或者负载电容），同时 还会带来另外一个严重的局限性：允许的输出电压摆幅的减小。

6、所以 有 在上面的例子中， 驱动电压应该是 的十倍。比如，当 和可得 这严重的限制了输出电压的摆幅 性能改进 在M2边上并联一个恒流源，M2 的电流将下降， 跨导下降，增益提高 取： = (a) 在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。 (b) I2 减小，Vgs2减小，Vout的摆幅提高 3.2.3 采用电流源负载的共源级 对共源放大器，有Av= 但电阻和二极管负载的电压摆幅受到限制用电流源代替电阻，如图： (a) MOS管的输出阻抗很大。长沟道器件可以提高增益 (b) 对M2， 若I是恒定值，当W2 增加时，Veff2下降，Vds2可以很小，Vout的摆幅很大。一般： 但是，当L2、W

7、2同时增加时，则M2的寄生电容值增加 (c)对M1， 对给定的I值： 摆幅增加 3.2.4 工作在线性区的MOS为负载的 共源级 工作在深线性区的MOS器件的特性像电阻一样 ,因此可以用来作为共源级的负载。 这种电路使M2的栅压偏置在足够低的电平， 保证M2在全部输出电压摆幅范围内工作在 深线性区。 这个电路的主要缺点源于RON2对 的依赖。因为它们随工艺和温度的改变而改变，而且产生一个精确的Vb会 增加电路的复杂性。 3.2.5 带源级负反馈的共源级 在模拟电路的八边形的法则中我们可知道，线性 化也是一个重要的考虑因素之一。 线性化是希望我们的变量和因变量之间是一种最 简单的关系，即它们的增

8、长比例相同。也就是一 种线性函数。 但我们知道漏电流和过驱动电压是一种平方关系 ，如何让他们也呈现出一种线性关系呢？ 本节中是通过用一个负反馈电阻串联在在晶体管 的源端来实现。 当Vin增加，ID也增加，同样在Rs上的压降也会增加， 换句话说，输入电压的一部分出现在电阻Rs上，而不是 作为栅源的过驱动电压上，因此导致ID的变化变得平缓。 从另一个角度看，Vout=VDD-IDRD, Vout与Vin的非线 性源于ID与Vin 之间的非线性。而ID与Vin之间的关系 要是也偏向于线性就好了。所以现在我们就分析ID与 Vin之间的关系。即等效跨导Gm的关系。并希望Gm 接近于一个固定的值。 Vou

9、t=VDD-IDRD Id随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系 推导Gm： 提高线性度的代价是，增益下降，摆幅下降。 当Rs为一个很大的值时，Gm是一个固定的值，正符合我们要求。 也就是 这表明Vin的大部分变化落在Rs上。我们可以说， 漏电流是输入电压的线性函数。但它是以牺牲增益 为代价的。 利用小信号等效电路可推导出同样结果，特别是考虑和的一般情况。 推导Gm：输出接地，加输入电压， 得到输出电流。 增益与跨导 ro很大，则： 式中： Av、Gm随Vin变化： a) Vin很小时，M1 导通 b) Vin增加时， c) Vin很大时， 计算Av的等效方法 从漏极结点看到的电阻除以源极通路

10、上（Vin=0）的总电阻。 输出阻抗：等效图中忽略RD 考虑输出阻抗：输入接地，输出加激励。 一般 输出阻抗提高了倍 考虑和一般情况下的增益。 重写上式： 辅助定理：在线性电路中，电压增益为 Gm：输出与地短接时的等效跨导。 Rout：输入电压为零时的等效输出阻抗。 例：恒流源负载： 恒流源的输出阻抗无穷大，Rd可忽略 结论：Av和Rs无关。 因为Io恒定，流过Rs的电流变化为零，导致Rs上 的电压没有变化，等效为： 总结 p 两种分析方法：大信号、小信号分析 p 小信号分析方法 画出等效电路图 由等效电路推导增益、输出阻抗等 p 几种主要的共源放大器结构 3.3 源跟随器 源跟随器（共漏放大

11、器）概念 p 以M1漏极为基准，以栅-漏电压为输入，以源-漏电压驱 动负载。 p 实现阻抗转换 其特点为： a) 能驱动较小的输出电阻。 例，共源放大器的输出跟一个源跟随器。 b) 电压放大倍数1，是电压缓冲器，输入 和输出电平转换。 大信号分析 p当VinVth时，M1 截止。 p当Vin增加,M1导通，得出Vout=Vin-Vth p因为体效应，Vth随Vout而改变，Av： 电流偏置 PMOS源跟随器，可消除体效应所引起的非线性 它使用两个分离的n阱以消除M1的体效应，但P管的低迁移率导致它的输出阻抗 比N管的输出阻抗更高。 输入阻抗 低频时输入电流为零，输入阻抗无限大。 输出阻抗 直观的： 源跟随器实现大阻抗到小阻抗的转换 源跟随器的戴维南等效 用电阻模拟gmb对源跟随器成立 戴维南等效电路-分压电路 例：求增益 例：求增益 M2源极的电阻为： 增益-分压： 直流电平移动 保证M1在饱和区： 保证M2、M3在饱和区： 直流电平产生VGS的平移 信号摆幅下降 考虑负载电阻RL，则： 比较共源级和源跟随器，若 a) 共源级： b) 源跟随器： 源跟随器并不是必须的驱动器。 3.4 共栅级 共栅放大器的概念 在共栅级中，以栅极为基准，信号从MOS 管的源极输入，漏极输出。 共栅放大器的特点：输入阻抗小，阻抗转换，电流偏置 直接耦合电容耦合 大信号分析