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1、第三章第三章单级放大器单级放大器 重邮光电工程学院重邮光电工程学院1模拟电路设计的八边形法则模拟电路设计的八边形法则 重邮光电工程学院重邮光电工程学院2模拟设计的小信号概念模拟设计的小信号概念(1)非线性系统的非线性系统的输入输出特性输入输出特性若若:设函数设函数:则增益则增益:x0,f(x0)就是静态工作点就是静态工作点。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院3模拟设计的小信号概念模拟设计的小信号概念(2) 重邮光电工程学院重邮光电工程学院4模拟设计的小信号概念模拟设计的小信号概念(3)MOS管总电流为管总电流为:MOS管的交流电流分量为管的交流电流分量为:小信号的假定条件小信号的假定条件:通常
2、认为通常认为“”两边之比两边之比1:10时时, “”的条件成立的条件成立, | vgs(t) |可视为小信号可视为小信号 重邮光电工程学院重邮光电工程学院5模拟设计的小信号概念模拟设计的小信号概念(例例)假定假定VGS VTH = 0.5V,则则|vgs(t)|可可视为小信号的变化范围为视为小信号的变化范围为:|vgs(t)| 1 ; (WL)1很大很大, 若若(W/L)1=1，则，则(W/L)21, (WL)2也很大也很大,无论如何，这都会导致无论如何，这都会导致要么输入寄生电容太大或输出寄生电容太大，从而减要么输入寄生电容太大或输出寄生电容太大，从而减小小3dB带宽。带宽。相对而言，相对而
3、言，(W/L)21 要小要小这体现了增益与速度这体现了增益与速度(带宽带宽)的矛盾的矛盾!若需若需AV=10 重邮光电工程学院重邮光电工程学院19MOS二极管连接负载的共源极二极管连接负载的共源极记记Von=VGS-VT表示表示MOS管的过驱动电压管的过驱动电压(Von越大越大,MOS管工作电流也越大管工作电流也越大),该式表明增益是两管过驱该式表明增益是两管过驱动电压之比，动电压之比，AV越大，越大，Von2越大，越大，Vomax越小越小。 ID1= ID2 Von2= VDD- Vo - |VTP | Vo= VDD- |VTP | -Von2 重邮光电工程学院重邮光电工程学院20设电源电
4、压设电源电压 VDD=3V, |VTN|= |VTP| =0.7V 假定假定 Von1 = VGS1-VTH1= Vin-VTH1 0.2V若若AV=-10, 则则 |VGS2| | AV | Von1+| VTH2 | = 2.7V |VDS2 | = | VGS2 | 2.7V故故 Vo=VDD- | VDS2 | 3-2.7=0.3V, 联系到联系到M1饱和要饱和要求求: Vo= VDS1VGS1-VTH1 = Von1 =0.2V. 故故Vo的变化的变化范围仅有范围仅有0.2V0.3V，输出电压摆幅非常小。，输出电压摆幅非常小。MOS二极管连接负载的共源极二极管连接负载的共源极(例例2
5、)问题问题: 显而易见显而易见,Vin , Vo , 又又 VoVin-VTH1 (M1饱和要求饱和要求)故存在故存在Vin max, 那么那么Vin max =? 重邮光电工程学院重邮光电工程学院21求上例中求上例中Vinmax=? (例例3)设电源电压设电源电压 VDD=3V, | AV |=10, |VTN|= |VTP| =0.7V M1临界饱和时临界饱和时:Vo = Von1 = VGS1-VTH1= Vinmax-VTH1又又 |VGS2| = | AV | (Vinmax-VTH1) +| VTH2 |又又 Vo + | VGS2 | = VDD (Vinmax-VTH1) (1
6、+ | AV | ) +| VTH2 |= VDD Vinmax = (VDD - | VTH2 |) / (1+ | AV | ) + VTH1 Vinmax = (3 0.7) / (1+ 10 ) + 0.7=0.91V 0.7V=VTH1 Vin 0.91V易见，易见，M1的输入电压范围也很窄的输入电压范围也很窄! 重邮光电工程学院重邮光电工程学院22具有阶跃偏置电流的二极管连接器件具有阶跃偏置电流的二极管连接器件若若 I1 越来越小越来越小, VGS 越来越接近越来越接近 VTHI1越来越接近越来越接近 0时时, 忽略漏电流的影响忽略漏电流的影响, 我们有：我们有： VGSVTH2,
7、 因此因此 VoutVDD-VTH2 !此即此即NMOS模拟开关传送高电平时的阈值损失特性模拟开关传送高电平时的阈值损失特性PMOS开关呢？情况又如何？开关呢？情况又如何？在数字电路中在数字电路中,NMOS、PMOS的栅极在开关导通时分别接的栅极在开关导通时分别接“1”、“0”电平电平,截止时截止时刚好相反刚好相反,两种开关并联即两种开关并联即构成构成CMOS传输门。传输门。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院23MOS二极管连接共源极的最大输出电压二极管连接共源极的最大输出电压若上图中若上图中M2的栅极接一个固定电压的栅极接一个固定电压Vb结果又如何结果又如何?M1截止截止 重邮光电工程学院重
8、邮光电工程学院24MOS二极管连接共源极的最大输出电压二极管连接共源极的最大输出电压M1截止截止 重邮光电工程学院重邮光电工程学院25MOS二极管连接负载共源极的小结二极管连接负载共源极的小结增益增益AV (W/L)1/(W/L)21/2 = Von2/ Von1。增益增益AV不高不高(一般一般10)，且输入、输出摆幅，且输入、输出摆幅小，这一特点限制了它的应用。小，这一特点限制了它的应用。它的优点是跨导它的优点是跨导gm与电流与电流ID无关，放大器的无关，放大器的线性特性好，大信号下也如此。线性特性好，大信号下也如此。二极管连接二极管连接的的MOS管管常用来构成有源电流镜。常用来构成有源电流
9、镜。有改善有改善AV不高不高、输出摆幅小这一缺点的电输出摆幅小这一缺点的电路，但效果不是特别明显。路，但效果不是特别明显。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院26MOS二极管连接负载的共源极二极管连接负载的共源极(例例4)右图中右图中M1偏置在饱和区，漏电流为偏置在饱和区，漏电流为I1。已知已知IS=0.75I1，求，求AV=？增加增加IS在相同增益下可在相同增益下可增加输出电压摆幅。增加输出电压摆幅。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院27采用电流源负载的共源级采用电流源负载的共源级Cj由上式可知由上式可知:若若I1为理想恒流为理想恒流,Vin,则则Vout也可以这样理解也可以这样理解: 静态时
10、静态时, I1=ID1,V0为一确定的为一确定的静态电压静态电压,Ij= 0。Vin,ID1,Ij=I1- ID10,Cj充电充电,V0 Ij 重邮光电工程学院重邮光电工程学院28电流源负载共源级的输出电压摆幅问题电流源负载共源级的输出电压摆幅问题记记Von=VGS-VT，常称常称Von为为MOS管的过驱管的过驱动电压动电压,它表征它表征MOS管工作电流的大小管工作电流的大小M1、M2饱和要求饱和要求:Von1 =Vin - VTN Vout Vb +| VTP | = VDD Von21.输出电压摆幅与输出电压摆幅与Vin、 Vb有关有关(也常说成与也常说成与Von1、 Von2有关有关,两
11、种说法是一致的两种说法是一致的)。保持。保持ID不变不变,若若(W/L)1,2，Von1、2 ,Vin, Vb , 摆幅增加摆幅增加 (反之减小反之减小)。 但但(WL)，寄生电容寄生电容，高频性能变差，高频性能变差，f3dB 。此即摆幅与带宽的折衷。此即摆幅与带宽的折衷。2.若保持若保持(W/L)1,2不变，不变， ID (ID 增加增加一般来说一般来说放大器速度也增放大器速度也增加加), Von , Vin , Vb , 摆幅减小摆幅减小(反之增加反之增加)。此即速度与摆。此即速度与摆幅的折衷。幅的折衷。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院29采用电流源负载共源级的采用电流源负载共源级的AV
12、1.若若W、ID不变不变, L(r02 ), AV，但过驱动电压，但过驱动电压Von，输出电压摆幅，输出电压摆幅，若，若同时保持同时保持Von不变不变(即摆幅不变即摆幅不变) ，则需，则需W ，这会导致寄生电容，这会导致寄生电容, 放大器放大器带宽带宽。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。(电阻负载电阻负载CS中中 ID不变不变, RD, AV, 摆幅一定摆幅一定)( 1/L)注意增益与注意增益与ID的平方根成反比的平方根成反比!3.若若ID, AV, 过驱动电压过驱动电压Von, 摆幅摆幅, 放大器速度放大器速度(I
13、D), 这体现了增益、摆这体现了增益、摆幅、速度之间的折衷关系。幅、速度之间的折衷关系。2.若若L、ID不变不变, W, AV，过驱动电压，过驱动电压Von ，输出电压摆幅，输出电压摆幅 ,这会导致这会导致寄生电容寄生电容, 放大器带宽放大器带宽。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。间的折衷关系。注意其注意其AV与摆幅之间的关与摆幅之间的关系同带电阻负载系同带电阻负载CS的差别的差别 重邮光电工程学院重邮光电工程学院30问题问题: 静态工作点静态工作点Vout如何计算如何计算?若若M1、M2饱和，饱和，不考不考虑沟道沟道调制效制效应（即（
14、即0），），则：上式与上式与Vout大小无关！，即大小无关！，即表示若表示若M1、M2饱和，和， Vout可以可以为任意任意值！这显然与然与实际不复不复！ 重邮光电工程学院重邮光电工程学院31电流源负载共源级的静态点问题电流源负载共源级的静态点问题(1)静态时静态时(Vin、 Vb为一固定常数为一固定常数)， Vout的大小由沟道调的大小由沟道调制效应制效应 (1、2)决定，决定，若不考虑沟道调制效应则无法若不考虑沟道调制效应则无法求得静态工作点，这种情况叫静态工作点无法求得静态工作点，这种情况叫静态工作点无法“目测目测”静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”静态工作点可以静态工作点可以“目
15、测目测” n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+ 1V0 )= P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)21+ 1(V0 -VDD)若不考虑沟道调制效应：若不考虑沟道调制效应： 重邮光电工程学院重邮光电工程学院32静态点不能静态点不能“目测目测”带来的问题带来的问题(1)半电路半电路ISS变化变化2ISS导致导致V01变化变化V01等效于等效于Vin变化变化Vin导致导致V0变化变化V0ISS的变化导致静态点电压的剧烈变化的变化导致静态点电压的剧烈变化恒流源负载的恒流源负载的CS用作差分输入级的半电路时用作差分输入级的半电路时, ISS若因输若因输入共模电压入共模电压Vin1=Vin2发生
16、变化带来沟道调制效应发生变化带来沟道调制效应(ISS通常是以单通常是以单NMOS构成构成的简单恒流源的简单恒流源)导致导致ISS有一微小变化有一微小变化2ISS, 其静态电压其静态电压V01因因r01/r02较大而变较大而变化一较大量化一较大量2ISS(r01/r02 ) (特别是共源共栅结构尤其明显特别是共源共栅结构尤其明显), 这将导致后级因这将导致后级因此无法正常工作。此无法正常工作。该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以稳定稳定Vout静态静态电压的电路电压的电路(通常称为共模反馈电路通常称为共模反馈电路)才能正常工作！才能正常工作！ 重邮光电工程
17、学院重邮光电工程学院33静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的差异的差异 Vout= ISS / gm3 Vout-VDD,即即: VbVDD/2+VTH2+Vout/2Vb 、 (W/L)2 还应满足还应满足 Ron2 大小的要求大小的要求如何确定如何确定Vb？产生上述条件的产生上述条件的Vb很难很难, 且且AV不高不高, 故这种放大器很少采用故这种放大器很少采用! 重邮光电工程学院重邮光电工程学院36CS放大器小结放大器小结1.带电阻负载的带电阻负载的CS增益增益AV=-gmRD, 因因RD, 芯片版图面积芯片版图面积, 且且噪声噪声,输出摆幅输出摆幅,故难于获得高增益故
18、难于获得高增益, 但因电阻的匹配好但因电阻的匹配好, 常用于作低失调放大器的差分输入级。常用于作低失调放大器的差分输入级。2.带带MOS二极管连接负载的二极管连接负载的CS增益增益AV=-gm1/ gm2 ,因摆幅、带因摆幅、带宽、芯片版图面积等原因难于获得高增益宽、芯片版图面积等原因难于获得高增益, 因此用得较少。因此用得较少。3.带恒流源负载的带恒流源负载的CS增益增益AV=-r01/ r02 ,因高增益与输出摆幅因高增益与输出摆幅没有不可避免的矛盾没有不可避免的矛盾,故用得最多故用得最多,用作差分输入级的半电用作差分输入级的半电路时需共模反馈电路以稳定静态直流工作点。路时需共模反馈电路以
19、稳定静态直流工作点。4.由于存在密勒效应，频带一般，常同由于存在密勒效应，频带一般，常同CB联合构成联合构成CSCB放大器，用于高速运放作差分输入放大级。放大器，用于高速运放作差分输入放大级。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院37（1） （2） （3） （4） （5） （6）例：设例：设Kn2Kp（KnnCox），）， n p，每个电，每个电路偏值电流相等。设每个管均工作在饱和区。初略路偏值电流相等。设每个管均工作在饱和区。初略估计，定性选择那个电路具有：估计，定性选择那个电路具有：1.最大交流小信号增最大交流小信号增 2.最低交流小信号增益最低交流小信号增益3.最高交流输出电阻最高交流输出电
20、阻 4.最低交流输出电阻最低交流输出电阻 重邮光电工程学院重邮光电工程学院38带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级(=0，=0)若若gmRD1, AVRD/RS, 输入与输出呈线性输入与输出呈线性, 因因AV , 输入电压线性范围输入电压线性范围 , 这是以牺牲这是以牺牲增益为代价的。同时增益为代价的。同时RS的引入的引入, 输出电压输出电压V0min=Von1+VRS (比无比无RS时时:V0min=Von1大了大了VRS) 。输出摆幅。输出摆幅 。等效跨导等效跨导假定假定=0，=0 重邮光电工程学院重邮光电工程学院39带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级(=0，=0)RS=0RS
21、0RS=0、 RS 0漏电流和跨导曲线的差异漏电流和跨导曲线的差异从源级看进去的阻抗从源级看进去的阻抗源级源级反馈电阻反馈电阻负载电阻负载电阻 重邮光电工程学院重邮光电工程学院40带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级(=0，=0)注意到注意到 M2 连接为二极管，连接为二极管， 故其小信号等效电阻故其小信号等效电阻为为 1/gm2。于是，于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)Rin= 1/gm2从源级看进去的阻抗从源级看进去的阻抗源级源级反馈电阻反馈电阻负载电阻负载电阻 重邮光电工程学院重邮光电工程学院41带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级(=0，=0)等效跨导等效跨导假定假
22、定=0，=0 重邮光电工程学院重邮光电工程学院42在讲解在讲解考虑沟道调制效应和考虑沟道调制效应和衬偏效应衬偏效应(0，0)，的带的带源极负反馈的共源级之前我源极负反馈的共源级之前我们先来看一个们先来看一个辅助定理！辅助定理！ 重邮光电工程学院重邮光电工程学院43辅助定理辅助定理在线性电路中，电压增益在线性电路中，电压增益Av=-GmRout，其中，其中Gm表表示输出对地短接时电路的跨导；示输出对地短接时电路的跨导；Rout表示当输入表示当输入电压为零时电路的输出电阻。如上图所示。如果电压为零时电路的输出电阻。如上图所示。如果电路的电路的Gm、Rout可以通过观察确定，这个辅助可以通过观察确定
23、，这个辅助定理将会非常有用。定理将会非常有用。Vout=-IoutRout，定义，定义Gm=Iout/Vin，则，则Vout =GmVinRout Av=Vout/Vin=-GmRout 重邮光电工程学院重邮光电工程学院44带负反馈的共源级的等效跨导带负反馈的共源级的等效跨导Gm0，0 重邮光电工程学院重邮光电工程学院45共源极的输出电阻共源极的输出电阻Rout输出电阻比不带输出电阻比不带RS时扩时扩大了大了1+(gm+gmb) RS倍倍! 重邮光电工程学院重邮光电工程学院46带负反馈的共源级带负反馈的共源级(0，0)0，0由代维南定理，可求得由代维南定理，可求得输出端的等效输出电阻输出端的等
24、效输出电阻：由由辅助定理辅助定理, 得得: 重邮光电工程学院重邮光电工程学院47恒流源负载、带源极负反馈的增益恒流源负载、带源极负反馈的增益AV与与RS无关，请无关，请解释这个现象！解释这个现象！ 重邮光电工程学院重邮光电工程学院48带源级负反馈电阻的带源级负反馈电阻的CS放大器小结放大器小结1.因引入负反馈电阻因引入负反馈电阻RS , AV , 输入线性范围输入线性范围 ,常在高线性的常在高线性的V/I变换电路中用作差分输变换电路中用作差分输入级的半电路。入级的半电路。2.因因输出阻抗较高输出阻抗较高, 利用该特性可在利用该特性可在MOS管的管的源级加入负反馈电阻以构成高性能电流源。源级加入
25、负反馈电阻以构成高性能电流源。3.因负反馈电阻因负反馈电阻RS的引入的引入, 输出电压允许的最输出电压允许的最小值增加小值增加, 即输出摆幅即输出摆幅 。即因此多消耗了一即因此多消耗了一些电压余度。些电压余度。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院49源极跟随器及其小信号等效电路源极跟随器及其小信号等效电路问题问题: M1会随会随Vin而进入线性区吗而进入线性区吗? 重邮光电工程学院重邮光电工程学院50源极跟随器的输出电阻源极跟随器的输出电阻衬偏效应等效于在输出端衬偏效应等效于在输出端接了一个电阻接了一个电阻1/gmb这这仅对源跟随器是正确的！仅对源跟随器是正确的！衬偏效应使源跟随器衬偏效应使源跟
26、随器的输出电阻减小了！的输出电阻减小了！ 重邮光电工程学院重邮光电工程学院51源极跟随器的输出电阻源极跟随器的输出电阻(例例)习题习题2.2：W/L=50/0.5，ID=0.5mA，求，求gm对于对于BJT：Rout=re=VT/IC=26mV/0.5mA=52易见易见, BJT射极跟随器的输出电阻比射极跟随器的输出电阻比MOS源跟随器的源跟随器的输出电阻小很多输出电阻小很多, 且实际用作输出级时且实际用作输出级时ID更大些，更大些，RoutBJT/RoutMOS会更大一些会更大一些!这也是这也是源跟随器驱动能力源跟随器驱动能力不强、实际中驱动低阻、大电容负载不常用的原因。不强、实际中驱动低阻
27、、大电容负载不常用的原因。若是若是PMOS管，该值管，该值还会增加近乎还会增加近乎1倍倍实际中常用什么做输出级驱动低阻、大电容负载呢实际中常用什么做输出级驱动低阻、大电容负载呢? 重邮光电工程学院重邮光电工程学院52驱动低阻、大电容负载的驱动低阻、大电容负载的A类类BiCMOS输出级输出级Q1是是NSUB上的衬底上的衬底NPN，注意：因，注意：因NSUB接最高电位接最高电位VDD，故，故Q1的集电极的集电极C只能接只能接VDD。同理，同理，PSUB上上只能做只能做衬衬底底PNP，因，因PSUB接最低电位接最低电位VEE，故衬底，故衬底PNP的集电极的集电极C只只能接能接VEE。衬底。衬底NPN
28、(PNP)的的 可做到可做到100。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院53恒流源偏值源极跟随器的增益恒流源偏值源极跟随器的增益1= 2 =0，10代维南代维南等效等效 重邮光电工程学院重邮光电工程学院54恒流源负载的恒流源负载的源极跟随器源极跟随器如何求如何求Vout的摆幅的摆幅?摆幅、摆幅、 Vb、偏值电流、偏值电流I0、频率响、频率响应的折衷关系如何？应的折衷关系如何？1 0， 2 0，10输出端视在输出端视在输入阻抗输入阻抗此此项项始始终终不不变变 重邮光电工程学院重邮光电工程学院55例例3.8：计算下图电路的电压增益：计算下图电路的电压增益AV输出端视在输出端视在输入阻抗输入阻抗1 0
29、, 2 0从从M2源端看进去的源端看进去的阻抗为：阻抗为：10, 20从从M1源端看进去的源端看进去的阻抗为：阻抗为：M1衬偏效衬偏效应的等效应的等效电阻电阻M1衬偏效衬偏效应的等效应的等效电阻电阻 重邮光电工程学院重邮光电工程学院56源跟随器与共源放大器的级联源跟随器与共源放大器的级联1. 仅有仅有CS 放大器，放大器， M1工作在饱和区时工作在饱和区时: VXVonM1=Vin-VTH12. 加上源跟随器后，加上源跟随器后， M3工作在饱和区时工作在饱和区时: VX VGS2+VonM3= VGS2+(Vb-VTH3)用作电平移动的源跟用作电平移动的源跟随器会消耗电压余度随器会消耗电压余度
30、(减小输出摆幅减小输出摆幅) 重邮光电工程学院重邮光电工程学院57P-SUB上没有体效应的上没有体效应的PMOS源跟随器源跟随器 重邮光电工程学院重邮光电工程学院58源级跟随器小结源级跟随器小结1.源级跟随器的源级跟随器的AV1，因输出电阻较大，一，因输出电阻较大，一般只用来驱动小电容般只用来驱动小电容(或高阻或高阻)负载，不宜负载，不宜用来驱动低阻、大电容负载。用来驱动低阻、大电容负载。2.源级跟随器的最可能的应用是用来构成电源级跟随器的最可能的应用是用来构成电平位移电路。平位移电路。3.驱动低阻、大电容负载常用衬底驱动低阻、大电容负载常用衬底NPN (PNP)构成射极跟随器来驱动。构成射极
31、跟随器来驱动。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院59例例3.9 源极跟随器的应用源极跟随器的应用1.在所关心的频率下在所关心的频率下C1交流交流短路，求短路，求AV？M1工作在饱工作在饱和区时，输入端允许的最和区时，输入端允许的最大直流电平为多少？大直流电平为多少？2.为了允许接近为了允许接近VDD的输入的输入直流电平，电路改为直流电平，电路改为(b)图图所示，所示，M1、M3的栅源电的栅源电压应满足什么样的关系才能保证压应满足什么样的关系才能保证M1个工作在饱和区？个工作在饱和区？AV=-gm1r01/r02/(1/gm2)VinmaxVDD-|VGS2|+VTN若若Vin=VDD，则，则V
32、X=VDD-VGS3，要保证，要保证M1工作在饱和区，则有：工作在饱和区，则有：VDD-VGS3-VTNVDD-|VGS2|，即，即VGS3+VTN |VGS2| 重邮光电工程学院重邮光电工程学院60共栅放大器共栅放大器直接耦合的共栅级直接耦合的共栅级电容耦合的共栅级电容耦合的共栅级输入输入输出特性输出特性 重邮光电工程学院重邮光电工程学院61共栅放大器的输入电阻共栅放大器的输入电阻RDIX+r0IX-(gm+gmb)VX=VX若若= 0，Rin=1/ (gm+gmb)，输入呈现低阻抗特征，输入呈现低阻抗特征RD 减小了减小了(gm+gmb)r0倍！倍！呈现出阻抗变换特性！呈现出阻抗变换特性！
33、 重邮光电工程学院重邮光电工程学院62共栅共栅放大器阻抗变换特性的应用放大器阻抗变换特性的应用假定传输线的特征阻抗为假定传输线的特征阻抗为 50若若 =0, 则漏电流的变化则漏电流的变化gm1VX都是从都是从RD抽取的，故两抽取的，故两个电路的增益都是个电路的增益都是 AV -gmRD.为使结点为使结点X处的反射最小，传输线的负载阻抗必须等于其处的反射最小，传输线的负载阻抗必须等于其特征阻抗。特征阻抗。RD 50时，时，(a) 一定存在波反射，一定存在波反射，(b)中选则中选则合适的合适的M1就可使就可使RinM2=1/ (gm+gmb)=50,从而消除波反射从而消除波反射! 重邮光电工程学院
34、重邮光电工程学院63共栅放大器的输出电阻共栅放大器的输出电阻RS为信号源内阻为信号源内阻共栅放大器的输出电阻很大，约为共栅放大器的输出电阻很大，约为r0的的1+(gm+gmb)RS 倍倍! 理解这一点是理解共源共栅电路的基础。理解这一点是理解共源共栅电路的基础。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院64共栅放大器的增益共栅放大器的增益AV 重邮光电工程学院重邮光电工程学院65共栅放大器增益共栅放大器增益AV的讨论的讨论r0这同带源级负反馈电阻这同带源级负反馈电阻RS的的CS增增益益,只是符号相反只是符号相反,给出直观解释给出直观解释RD这同带恒流源负载的这同带恒流源负载的CS增益增益,只是符号相反
35、只是符号相反,给出直观解释给出直观解释 重邮光电工程学院重邮光电工程学院66共栅放大器小结共栅放大器小结1.Ai1，AV=gm(RD /r0) ，AV同同CS放大器相当放大器相当2.输入阻抗低，有阻抗变换特性。输入阻抗低，有阻抗变换特性。3.输出阻抗高，可用于提高增益和构成高性能输出阻抗高，可用于提高增益和构成高性能恒流源。恒流源。4.由于没有密勒效应，频带最宽，常同由于没有密勒效应，频带最宽，常同CS联合联合构成构成CSCB放大器，用于高速运放作差分输放大器，用于高速运放作差分输入放大级。入放大级。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院67共源共栅（共源共栅（ Cascade ）放大器放大器输入
36、输入输出特性输出特性为什么为什么VXmax=Vb-VT2？Vin时，时，M1、M2谁先进入线性区？谁先进入谁先进入线性区？谁先进入线性区对恒流特性和输出摆幅有何关系线性区对恒流特性和输出摆幅有何关系?当当 VX Vin VTH1 时时 M1 进入线性区进入线性区当当Vout Vb VTH2时时M2进入线性区进入线性区容易分析，容易分析， Vb 较小时，较小时， M1比比M2先进先进入线性区入线性区 重邮光电工程学院重邮光电工程学院68M1、M2不同偏值时不同偏值时Pspice仿真结果仿真结果12V3.8V1.8V12V1.5V1.8VM3M2M3M2M2最后进入线性最后进入线性M3最先进入线性
37、最先进入线性,该该点电压即是点电压即是V0minM2一开始就工作在线性区一开始就工作在线性区注意比较单注意比较单MOS管与共源共栅结构曲线的斜率管与共源共栅结构曲线的斜率VAIDIDVAVAVA 重邮光电工程学院重邮光电工程学院69M1、M2同时进入线性时同时进入线性时Pspice仿真结果仿真结果12V2V1.8VM1、M2同时进入线同时进入线性性,该点电压即是该点电压即是V0minM2M3M2一开始就工作在线性区一开始就工作在线性区斜率有明显差别斜率有明显差别!最理想的情况是最理想的情况是M2、M3同时进入同时进入线性，这样可以获得最大摆幅线性，这样可以获得最大摆幅M2最后进入线性最后进入线
38、性M3最先进入线性该最先进入线性该点电压即是点电压即是V0minVAIDVAVAVAIDID 重邮光电工程学院重邮光电工程学院70共源共栅放大器的偏值条件共源共栅放大器的偏值条件1.M1 饱和时饱和时: VX Vin VTH1， 即：即：Vb Vin VTH1 + VGS2 或：或： Vb Von1 + VGS2 2.M2 饱和时饱和时: Vout Vb VTH2， 即即: Vout Von1 + VGS2 VTH2 或：或： Vout Von1 + Von2共栅管共栅管M2的增加虽然提高了从的增加虽然提高了从M2漏端看进去的阻漏端看进去的阻抗、改善了放大器的频率特性，但输出电压摆幅减抗、改善
39、了放大器的频率特性，但输出电压摆幅减小了一个大小等于小了一个大小等于M2的过驱动电压。这是靠牺牲的过驱动电压。这是靠牺牲摆幅来获取带宽和增益的提高。摆幅来获取带宽和增益的提高。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院71共源共栅放大器的小信号等效电路共源共栅放大器的小信号等效电路1= 0， 2 = 0，20 重邮光电工程学院重邮光电工程学院72例：求下图电路的例：求下图电路的AV(假定假定=0)M1的小信号电流的小信号电流gm1Vin被被Rp和向和向M2源端看源端看进去的阻抗进去的阻抗1/(gm2+gmb2)分成两部分，故：分成两部分，故：因因Vout=ID2RD，所以：，所以： 重邮光电工程学院重
40、邮光电工程学院73共源共栅放大器的输出电阻共源共栅放大器的输出电阻注意：左边电路的输注意：左边电路的输出阻抗就是共源放大出阻抗就是共源放大器带负反馈电阻器带负反馈电阻RS的的的输出阻抗的输出阻抗上式表示共源共栅结构具有很高的输出阻抗，对提高上式表示共源共栅结构具有很高的输出阻抗，对提高放大器小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利放大器小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利 重邮光电工程学院重邮光电工程学院74共栅放大器的输出电阻大在恒流源中的应用共栅放大器的输出电阻大在恒流源中的应用12V2V1.8VM1、M2同时进入线同时进入线性输出电压摆幅最大性输出电压摆幅最大M2M312V3.8V1
41、.8VM3Voutmin ,M2最后进入线性最后进入线性M3最先进入线性最先进入线性M2VoutminVAVAVAVAIDID 重邮光电工程学院重邮光电工程学院75恒流源负载的共源共栅放大器恒流源负载的共源共栅放大器理想恒流源如何近似产生？理想恒流源如何近似产生？ 重邮光电工程学院重邮光电工程学院76共源共栅（共源共栅（ Cascade ）放大器放大器因因M1、M2的高输出阻抗，欲得高的高输出阻抗，欲得高增益要求所带负载也必须是高输增益要求所带负载也必须是高输出阻抗，故负载也常用共源共栅出阻抗，故负载也常用共源共栅电路源。电路源。用共源共栅电流源近似代替理想恒流源用共源共栅电流源近似代替理想恒
42、流源该电路的静态工作点该电路的静态工作点Vout能能“目测目测”吗吗?为什为什么么? 重邮光电工程学院重邮光电工程学院77共源共栅电路静态工作点不能共源共栅电路静态工作点不能“目测目测”带来的问带来的问题题CSCB恒流源负载用作差分输入级的半电路时恒流源负载用作差分输入级的半电路时, ISS若因输入共模电压发生若因输入共模电压发生变化变化(Vin1=Vin2=Vincm)带来沟道调制效应带来沟道调制效应(ISS通常是以单通常是以单NMOS构成的简单恒构成的简单恒流源流源)导致导致ISS有一微小变化有一微小变化2ISS, 其静态电压其静态电压V01= V02因因(gm5r05r07)/ (gm3
43、r03r01)很大而变化一很大量很大而变化一很大量ISS(gm5r05r07)/ (gm3r03 r01) , 这将导致后级因这将导致后级因此无法正常工作。此无法正常工作。该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以稳定稳定Vout静态静态电压的电路电压的电路(通常称为共模反馈电路通常称为共模反馈电路)才能正常工作！才能正常工作！ISS的微小变化会导致的微小变化会导致Vout静态工作点的极大变化静态工作点的极大变化M1M3M5M7半半电电路路VincmV01VinV02Rin= gm3r03r01Rin= gm5r05r07Vout= gm1gm3r03r01
44、/ gm5r05r07 VinV01(02)= gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISS 重邮光电工程学院重邮光电工程学院78静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的的差异差异二极管连接的二极管连接的MOS管用作差分输入级的半电路时管用作差分输入级的半电路时, ISS若因输入共模电压若因输入共模电压Vin1=Vin2=Vincm发生变化带来沟道调制效应发生变化带来沟道调制效应(ISS通常是以单通常是以单NMOS构成的简单构成的简单恒流源恒流源)导致导致ISS有一微小变化有一微小变化2ISS, 其静态电压其静态电压V01= V02因因(1/gm5)/ (gm3r
45、03r01) (1/gm5) 较小而变化一较小量较小而变化一较小量ISS/gm5, 这比这比CSCB恒流源负载恒流源负载时远远小的时远远小的多。多。故该电路作为差分对的半边电路时，勿需辅以故该电路作为差分对的半边电路时，勿需辅以稳定稳定Vout静态电压的电路静态电压的电路(通常称为共模反馈电路通常称为共模反馈电路)就能正常工作！就能正常工作！ISS的微小变化会导致的微小变化会导致Vout静态工作点的极大变化静态工作点的极大变化M1M3M5M7V01VinV02Rin= gm3r03r01Rin= 1/gm5Vout= gm1/gm5 Vin gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 V
46、inV01(02)= ISS/gm5 gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISSVincm半半电电路路不能不能“目测目测”时的变化量时的变化量 重邮光电工程学院重邮光电工程学院79静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的的差异差异静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”静态工作点能静态工作点能“目测目测”V01V02VAVout 重邮光电工程学院重邮光电工程学院80静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的差异的差异Pspice仿真结果仿真结果静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”静态工作点能静态工作点能“目测目测”Vin+ = Vin- = V
47、incm Vin+ = Vin- = Vincm VV静态点静态点静态点静态点V01 、 V02 VA Vout 重邮光电工程学院重邮光电工程学院81增加增加L与采用共源共栅结构来提高增益的比较与采用共源共栅结构来提高增益的比较1.假定假定ID不变，若不变，若(a)中中L变为原来的变为原来的4倍而倍而W保持不变，则保持不变，则Vonb=2Vona，与，与(b)中层叠的两个中层叠的两个MOS管消耗的电压余度相同管消耗的电压余度相同2.因因gmr0L1/2，L4倍的结果只是使倍的结果只是使gmr0两倍，而两倍，而(c)中共源中共源共栅结构输出增益大约增大为共栅结构输出增益大约增大为(gmr0)2倍
48、，同时因倍，同时因(b)中中M1的的跨导是跨导是(c)中的中的1/2，这会导致更高的噪声。，这会导致更高的噪声。*放大器的噪声与用作放大放大器的噪声与用作放大MOS管的跨导管的跨导gm成反比成反比,与用作恒流源的与用作恒流源的MOS管的跨导管的跨导gm成正比。成正比。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院82共源共栅结构的屏蔽特性共源共栅结构的屏蔽特性(1)左图中左图中M2、M4均工作在饱和区，若均工作在饱和区，若A点电点电压变化压变化VA，求，求VB=？易见，因共栅管易见，因共栅管M4的引入的引入B点电压点电压的变化量比的变化量比A点减小了点减小了(gm4+gmb4)r04倍倍, 即即M4将将B
49、点屏蔽了。点屏蔽了。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院83共源共栅结构的屏蔽特性共源共栅结构的屏蔽特性(2)1.假定假定 ID1 是参考电流，是参考电流， ID2 是输出电流。若是输出电流。若 0 且且 VXVY ,静态调整时一般静态调整时一般VP=VQ, ID1 与与 ID2 在静态时不存在误差。在静态时不存在误差。2.动态时因动态时因VY发生变化导致发生变化导致VQ也发生变化也发生变化, 因共源共栅的屏因共源共栅的屏蔽特性蔽特性, ID1 与与 ID2 产生的误差为产生的误差为: ID1-ID2 0.5kn(W/L)(Vb1-VTH)2(VY)/(gm4+gmb4)ro4, 比比(a)减小
50、了减小了 (gm4+gmb4)ro4倍倍,从而提高了电流镜的匹配精度。从而提高了电流镜的匹配精度。前例结果前例结果偏值电路偏值电路输出电路输出电路 重邮光电工程学院重邮光电工程学院84折叠式共源共栅结构折叠式共源共栅结构若若I1为非理想恒流源为非理想恒流源,其其交流小信号电阻为交流小信号电阻为r0I1。IS2则流过则流过M2源极及电阻源极及电阻RD的小信号电流的小信号电流IS2、IRD分别为分别为:AV比同类型比同类型MOS管的管的折叠结构因引入恒流折叠结构因引入恒流源源I1而有所减小而有所减小, 其优其优点留在运放章节分析点留在运放章节分析 重邮光电工程学院重邮光电工程学院85例：画出例：画
51、出Vout和和VB随随Vin从从0变化到变化到VDD的曲线的曲线草图，假定草图，假定3V,VTN| VTP |0.5，标出图中重要转折点。标出图中重要转折点。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院86例：设例：设Kn2Kp（KnnCox），）， p 2 n ，每个电，每个电路偏值电流相等。设每个管的路偏值电流相等。设每个管的W/L相等且均工作在饱相等且均工作在饱和区。确定哪个或哪些电路具有下列特性：和区。确定哪个或哪些电路具有下列特性： 1.最最高小信号电压增益；高小信号电压增益； 2.最低小信号电压增益；最低小信号电压增益； 3.最最高小信号输出电阻；高小信号输出电阻； 4.最低小信号输出电阻最
52、低小信号输出电阻 ； 5.最最低功耗；低功耗；6.最大最大Vout； 7.最小最小Vout； 8.最高最高f3dB 重邮光电工程学院重邮光电工程学院87共源共栅放大器小结共源共栅放大器小结结合了结合了CS、CB放大器的优点，放大器的优点，Ai、AV较较大且频带宽。大且频带宽。输出电压摆幅因层叠的输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损管而有所损失，在低电源电压运用中这是致命的。失，在低电源电压运用中这是致命的。在低电源电压电路中共源共栅结构因要在低电源电压电路中共源共栅结构因要消耗过多的电压余度运用较少，此时需消耗过多的电压余度运用较少，此时需多级多级CS放大才能达到需要的增益，这会放大才能达到需
53、要的增益，这会给放大器的补偿带来更大困难。给放大器的补偿带来更大困难。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院88本章基本要求本章基本要求1.掌握带电阻负载的掌握带电阻负载的CS放大器的设计参数间的折衷关系。放大器的设计参数间的折衷关系。2.掌握恒流源负载的掌握恒流源负载的CS放大器增益与摆幅、速度、带宽之间放大器增益与摆幅、速度、带宽之间的折衷关系。的折衷关系。3.理解理解MOS源跟随器为什么不能用作驱动低阻、大电容负载源跟随器为什么不能用作驱动低阻、大电容负载的原因。的原因。4.理解理解CB放大器的阻抗变换特性、放大器的阻抗变换特性、CSCB结构的屏蔽特性结构的屏蔽特性及其输出阻抗大的特点及增益与摆幅的折衷关系。及其输出阻抗大的特点及增益与摆幅的折衷关系。5.理解记忆理解记忆MOS二极管的小信号等效阻抗、二极管的小信号等效阻抗、MOS基本恒流基本恒流源、共源共栅恒流源的输出电阻，会用小信号等效电路求源、共源共栅恒流源的输出电阻，会用小信号等效电路求简单电路的简单电路的AV、Rin、Rout。 重邮光电工程学院重邮光电工程学院89
