《复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器1知识课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器1知识课件（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单级放大器,直流偏置 分压电路 电流镜电路 单级放大器 共源放大级 源跟随器 共栅放大级 共源共栅放大级,分压电路,电阻分压：提供简单的直流电压偏置,VDD,M1,R1,R2,Iout,电阻值小，则电流大，面积小。反之，则电流小，面积大。 输出电压受电阻的相对值影响。 受Vdd的影响，当Vdd改变时，Vo也改变。 若Vgs-Vth很小时，尽管Vo很精确，但Vth和迁移率随工艺而改变，使得输出电流很不精确。,Vo,分压电路,二极管分压,电阻值太大，为节约面积，用MOS管栅源短接代替电阻有源电阻。,因为栅源短接，MOS管总是在饱和区,Vds,Id,AC,DC,分压电路,G,D,V,S,若,若,可忽
2、略,D,S,分压电路,M2,M1,Vo=VDS1,二级管分压电路：M2采用PMOS,消除体效应。,例：,电流源电路,概念：假定有一个精确的参考电流源，电流镜电路可以将 这个参考电流精确地复制。,精确程度取决于匹配。,电流源电路,等效电路：,没有电流流过1/gm,例：,小信号输出阻抗：,增加输出阻抗提高精确程度。,电流源电路,Iref,M1,I2,M2,I3,M3,M5,M6,M4,I4,利用一个精确的参考电流产生模拟电路中的所有电流偏置,例：若所有MOS管均在饱和区， 求M4的漏电流。,确定Iout和Iref之间的放大因子。 所有晶体管栅长相同，以减小源漏边缘扩散引入的误差。,放大器的基本概念
3、,放大器的输入输出特性在一定信号范围内可表示为：,在一个足够窄的范围内：x的变化很小,输出随输入增量变化是线性的,是增益。,模拟电路的八边形法则：增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、输入输出阻抗、最大电压摆幅八种性能参数相互牵制，导致设计成为多维优化问题。 优化的折中方案。,共源放大器,电阻负载：,M1的栅源之间输出电压信号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。,两种分析方法：,大信号分析：考虑Vin从小到大变化,当,当,M1 饱和,共源放大器,当,M1 在线性区,当Vin足够高，,共源放大器,饱和区
4、增益：对饱和区方程求导。,若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则：,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。,共源放大器,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。,共源放大器,理想电流源负载：,假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。,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=？,共源放大器,二极管负载：采用NMOS负载，存在体效应。,利用小信号分析，对M2：,Av决定于M1和M2的W/L之比，是恒定的。电路的线性度高。,共源放大器,NMOS二极管负载的大信号分
5、析：,当,当,M1、M2 饱和,对Vin微分可得Av,当,A,M1进入线性区。,共源放大器,二极管负载：采用PMOS负载，不存在体效应。,忽略沟道长度调制：,例：,M1的W/L太大，寄身电容 增加，影响电路速度。,共源放大器,分析：将Av用另一种形式表达（和无关）,当Vin一定时，Veff恒定。 说明Vout有一定的电压限制，增益上升，摆幅下降。,考虑,共源放大器,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：,在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。 I2 减小，Vgs2减小，Vout的摆幅提高。,共源放大器,电流源负载：,对共源放大器，有,但电阻和二极管负载
6、的电压摆幅受到限制。,用电流源代替电阻，如图：,MOS管得输出阻抗很大。长沟道器件可以提高增益。,共源放大器,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 、W2 同时增加时，则M2的寄生电容值 增加。,对M1，,对给定的I值：,摆幅增加,共源放大器,带源极负反馈的共源级：,想法：共源级的增益正比于gm，gm随Vgs的变化明显， 导致电路的线性度下降。,Vin经过Rs的分压，只有一部分落在Vgs上，造成gm随Vin的变化不明显，提高电路的线性度。,从电流方程推导增益：,Id随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系,共源放大器
7、,推导Gm：,提高线性度的代价是，增益下降，摆幅下降。,共源放大器,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。,共源放大器,Gm随Vin变化的讨论：,Vin很小时，M1 导通,Vin增加时，,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上 （Vin=0）的总电阻。,共源放大器,源极负反馈使输出阻抗增加：等效图中忽略了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。,共源放大器,考虑和一般情况下的增益。,共源放大器,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
8、，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。,共源放大器,例：恒流源负载：,M1,Vin,Vout,Rs,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：,源跟随器,源跟随器，或共漏放大器，其特点为：,Vout,源跟随器，或共漏放大器，其特点为：,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。 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：,当VinVth+Vdsat时，M1 截止。,因为体效应，Vth随Vout而改变，因此，Av 1，非线性,源跟随器,计算增益：,等效电阻1/gmb,源跟随器,计算输出阻抗：,直观的：,源跟随器,考虑负载电阻RL，则：,比较共源级和源跟随器，若,共源级：,源跟随器：,源跟随器并不是必须的驱动器。,
