第03章單極放大器02

第03章單極放大器02第一頁，共41頁。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共源共柵極第二頁，共41頁。共源極采用電阻負(fù)載的共源級采用二極管負(fù)載的共源極—工作在飽和區(qū)MOS采用電流源負(fù)載的共源極采用工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源極帶源級負(fù)反饋的共源極第三頁，共41頁?；仡櫍翰捎秒娮柝?fù)載的共源極采用電阻負(fù)載的共源極：借助自身的跨導(dǎo)，MOS管可以將柵-源電壓的變化轉(zhuǎn)換成小信號的漏極電流，小信號的漏電電流流過電阻就會產(chǎn)生輸出電壓。第四頁，共41頁。采用電阻負(fù)載的共源極將不同的I/V特性代入得到(b)圖曲線：（1）截止區(qū)：輸入電壓Vin從0開始增大,但小于閾值電壓，M1截止，輸出電壓Vout為VDD（2）飽和區(qū)：輸入電壓Vin增大至VTH，M1開始導(dǎo)通，RD有電流流過，輸出電壓Vout小于VDD（3）三級管區(qū)：輸入電壓Vin增大至Vin1=Vout+VTH，M1工作在線形區(qū)，此區(qū)跨導(dǎo)會下降。（不希望出現(xiàn)）第五頁，共41頁。電阻負(fù)載CS放大器設(shè)計(jì)參數(shù)的制約關(guān)系增益AV與W/L、ID、RD(VRD)三個(gè)參數(shù)有關(guān)。若保持為ID、W/L常數(shù)，RD↑，AV↑，這意味著VDS↓，放大器靜態(tài)工作點(diǎn)下移，輸出電壓的擺幅↓。若保持ID、RD為常數(shù)，W/L↑，AV↑，但MOS管寄生電容↑，高頻相應(yīng)(放大器的f3dB↓)變差。若保持W/L、VRD不變，ID↓，AV↑，這意味著RD↑，版圖面積↑，電阻噪聲↑，放大器速度↓(輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)RC↑)，溝道調(diào)制效應(yīng)的影響↑

(r0與RD更接近)?？傊魹樘岣咴鲆娑筊D↑，就會導(dǎo)致輸出電壓的擺幅↓，版圖面積↑，電阻噪聲↑，放大器速度↓，因此電阻復(fù)雜CS放大器一般不常用。電子工程學(xué)院第六頁，共41頁。二極管連結(jié)MOS管的工作狀態(tài)

（將柵極和漏極短接，相當(dāng)于一個(gè)小信號電阻）MOS管二極管連結(jié)并導(dǎo)通時(shí),Vgs=Vds,顯然,不論是NMOS還是PMOS管,均工作在飽和區(qū)第七頁，共41頁。MOS二極管連接負(fù)載的共源極NMOS負(fù)載時(shí)，λ≠0，γ≠0PMOS負(fù)載時(shí)，

λ≠0，γ=0Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02Rin=(1/gm2)//r02電子工程學(xué)院第八頁，共41頁。MOS二極管連接負(fù)載共源極的小結(jié)增益AV[(W/L)1/(W/L)2]1/2=Von2/Von1。增益AV不高(一般<10)，且輸入、輸出擺幅小，這一特點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是跨導(dǎo)gm與電流ID無關(guān)，放大器的線性特性好，大信號下也如此。二極管連接的MOS管常用來構(gòu)成有源電流鏡。有改善AV不高、輸出擺幅小這一缺點(diǎn)的電路，但效果不是特別明顯。電子工程學(xué)院9第九頁，共41頁。采用電流源負(fù)載的共源極取得大的增益:增大電阻增大電阻會限制輸出電壓的擺幅用電流源代替負(fù)載:工作在飽和區(qū)的MOS相當(dāng)于電流源，夾斷尺寸L與MOS的L相同此時(shí)也應(yīng)考慮溝道長度調(diào)制，在飽和區(qū)：第十頁，共41頁。采用電流源負(fù)載的共源級Cj由上式可知:若I1為理想恒流,Vin↑,則Vout↓也可以這樣理解:靜態(tài)時(shí),I1=ID1,Vout為一確定的靜態(tài)電壓,Ij=0。Vin↑,ID1↑,Ij=I1-ID1<0,Cj(可以理解成是負(fù)載電容,也可以理解成是寄生電容)放電,Vout↓,反之,Vin↓,ID1↓,Ij=I1-ID1>0,Cj充電,Vout↑Ij電子工程學(xué)院11第十一頁，共41頁。PMOS管飽和的判斷條件NMOS飽和條件：Vgs>VTHN；Vds≥Vgs-VTHNPMOS飽和條件:Vgs<VTHP；Vds≤Vgs＋|VTHP

|gdgdPMOS漏電流計(jì)算：通常以PMOS形成的電流源做負(fù)載第十二頁，共41頁。電流源負(fù)載共源級的輸出電壓擺幅問題前面說過，記Von=VGS-VTH，稱Von為MOS管的過驅(qū)動電壓,它表征MOS管工作電流的大小M1、M2飽和要求:Von1=Vin

–

VTH1

≤

Vout

≤

Vb+|VTH2|

=VDD–Von2輸出電壓擺幅與Vin、Vb有關(guān)(也常說成與Von1、Von2有關(guān),兩種說法是一致的)。保持ID1不變,若(W/L)1,2↑，Von1、2

↓,Vin↓,Vb↑,擺幅增加(反之減小)。但(W·L)↑，寄生電容↑，高頻性能變差，f3dB↓。此即擺幅與帶寬的折衷。若保持(W/L)1,2不變，ID↑(ID增加一般來說放大器速度也增加),Von↑,

Vin↑,Vb↓,擺幅減小(反之增加)。此即速度與擺幅的折衷。電子工程學(xué)院13第十三頁，共41頁。采用電流源負(fù)載共源級的AV若W、ID不變,L↑(r02↑),AV↑，但過驅(qū)動電壓Von↑，輸出電壓擺幅↓，若同時(shí)保持Von不變(即擺幅不變)

，則需W↑，這會導(dǎo)致寄生電容↑,放大器帶寬↓。這充分體現(xiàn)了模擬設(shè)計(jì)中的增益、擺幅、帶寬之間的折衷關(guān)系。(電阻負(fù)載CS中ID不變,RD↑,AV↑,擺幅一定↓)(∵λ∝1/L)注意增益與ID的平方根成反比!若ID↓,AV↑,過驅(qū)動電壓Von↓,擺幅↑,放大器速度↓(ID↓),這體現(xiàn)了增益、擺幅、速度之間的折衷關(guān)系。若L、ID不變,W↑,AV↑，過驅(qū)動電壓Von↓

，輸出電壓擺幅↑,這會導(dǎo)致寄生電容↑,放大器帶寬↓。這體現(xiàn)了模擬設(shè)計(jì)中的增益、擺幅、帶寬之間的折衷關(guān)系。注意其AV與擺幅之間的關(guān)系同帶電阻負(fù)載CS的差別電子工程學(xué)院第十四頁，共41頁。考慮問題:靜態(tài)工作點(diǎn)Vout如何計(jì)算?????若M1、M2飽和，不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)（即λ≠0），則：上式與Vout大小無關(guān)??！，即表示若M1、M2飽和，Vout可以為任意值！這顯然與實(shí)際不符！電子工程學(xué)院第十五頁，共41頁。電流源負(fù)載共源級的靜態(tài)點(diǎn)問題(1)靜態(tài)時(shí)(Vin、Vb為一固定常數(shù))，Vout的大小由溝道調(diào)制效應(yīng)(λ1、λ2)決定，若不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)則無法求得靜態(tài)工作點(diǎn)，這種情況叫靜態(tài)工作點(diǎn)無法“目測”靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測”靜態(tài)工作點(diǎn)可以“目測”n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+1V0)=P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)2[1+1(V0-VDD)]若不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)：電子工程學(xué)院16第十六頁，共41頁。靜態(tài)點(diǎn)不能“目測”帶來的問題(1)半電路ISS變化2ΔISS導(dǎo)致V01變化ΔV01等效于Vin變化ΔVin導(dǎo)致V0變化ΔV0ISS的變化導(dǎo)致靜態(tài)點(diǎn)電壓的劇烈變化恒流源負(fù)載的CS用作差分輸入級的半電路時(shí),ISS若因輸入共模電壓Vin1=Vin2發(fā)生變化帶來溝道調(diào)制效應(yīng)(ISS通常是以單NMOS構(gòu)成的簡單恒流源)導(dǎo)致ISS有一微小變化2ΔISS,其靜態(tài)電壓V01因r01//r02較大而變化一較大量2ΔISS(r01//r02)

(特別是共源共柵結(jié)構(gòu)尤其明顯),這將導(dǎo)致后級因此無法正常工作。該電路作為差分對的半邊電路時(shí)，必需輔以穩(wěn)定Vout靜態(tài)電壓的電路(通常稱為共模反饋電路)才能正常工作！電子工程學(xué)院17第十七頁，共41頁。靜態(tài)點(diǎn)不能“目測”與能“目測”的差異Vout=ISS/gm3

<<ISS(r01//

r02)AB2ΔISS靜態(tài)時(shí)A、B兩點(diǎn)電壓相等,因從M2(3)漏端看進(jìn)去的阻抗1/gm2(3)遠(yuǎn)小于r01//r02,故ISS若因共模電壓Vin1=Vin2發(fā)生變化帶來溝道調(diào)制效應(yīng)(ISS通常是以單NMOS構(gòu)成的簡單恒流源)導(dǎo)致ISS有一微小變化2ΔISS,則靜態(tài)電壓的變化比恒流源負(fù)載的CS小得多,故該二級管連接負(fù)載的CS電路作為差分對的半邊電路時(shí)，勿需共模反饋電路即能正常工作！Rin1/gm3不能“目測”時(shí)的變化量第十八頁，共41頁。共源極采用電阻負(fù)載的共源級采用二極管負(fù)載的共源極—工作在飽和區(qū)MOS采用電流源負(fù)載的共源極采用工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源極帶源級負(fù)反饋的共源極第十九頁，共41頁。工作在線性區(qū)的MOS負(fù)載的共源級第二十頁，共41頁。工作在線性區(qū)的MOS負(fù)載的共源級M2

導(dǎo)通需滿足:Vb-VDD≤VTH2,即Vb≤VDD+VTH2M2

工作在線性區(qū)需滿足:Vout-VDD≤Vb-VDD-VTH2,即Vb≥Vout+VTH2M2工作在深線性區(qū)需滿足:2(Vb-VDD-VTH2)>>Vout-VDD,即:Vb>>VDD/2+VTH2+Vout/2Vb

、(W/L)2

還應(yīng)滿足Ron2

大小的要求如何確定Vb？產(chǎn)生上述條件的Vb很難,且AV不高,故這種放大器很少采用!!!電子工程學(xué)院21第二十一頁，共41頁。CS放大器小結(jié)帶電阻負(fù)載的CS增益AV=-gmRD,因RD↑,芯片版圖面積↑,且噪聲↑,輸出擺幅↓,故難于獲得高增益,但因電阻的匹配好,常用于作低失調(diào)放大器的差分輸入級。帶MOS二極管連接負(fù)載的CS增益AV=-gm1/gm2,因擺幅、帶寬、芯片版圖面積等原因難于獲得高增益,因此用得較少。帶恒流源負(fù)載的CS增益AV=-r01//r02,因高增益與輸出擺幅沒有不可避免的矛盾,故用得最多,用作差分輸入級的半電路時(shí)需共模反饋電路以穩(wěn)定靜態(tài)直流工作點(diǎn)。由于存在密勒效應(yīng)，頻帶一般，常同CB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。電子工程學(xué)院22第二十二頁，共41頁。（1）（2）（3）（4）（5）（6）作業(yè)：設(shè)Kn＝2Kp（Kn＝μnCox），λn＝λp，每個(gè)電路偏值電流相等。設(shè)每個(gè)管均工作在飽和區(qū)。初略估計(jì)，定性選擇哪個(gè)電路具有：1.最大交流小信號增益2.最低交流小信號增益3.最高交流輸出電阻4.最低交流輸出電阻電子工程學(xué)院第二十三頁，共41頁。共源極采用電阻負(fù)載的共源級采用二極管負(fù)載的共源極—工作在飽和區(qū)MOS采用電流源負(fù)載的共源極采用工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源極帶源級負(fù)反饋的共源極第二十四頁，共41頁。帶源級負(fù)反饋的共源極有時(shí)候需要漏電流與過驅(qū)動電壓之間的平方關(guān)系引入額外的非線性來“軟化器件的特性曲線”。比如可以通過二極管連接的MOS管做負(fù)載使其線性化還可以選擇“負(fù)反饋”電阻Rs串聯(lián)在晶體管的源端來實(shí)現(xiàn)第二十五頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級(λ=0，γ=0)第二十六頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級(λ=0，γ=0)定義電路的等效跨導(dǎo)Gm第二十七頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級(λ=0，γ=0)分析：引入源級負(fù)反饋的影響若gmRS>>1,AV≈RD/RS,輸入與輸出呈線性,因AV,輸入電壓線性范圍,這是以犧牲增益為代價(jià)的。同時(shí)RS的引入,輸出電壓V0utmin=Von1+VRS(比無RS時(shí):V0utmin=Von1大了VRS)。輸出擺幅

。等效跨導(dǎo)假定λ=0，γ=0第二十八頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級(λ=0，γ=0)RS=0RS

≠0RS=0、RS≠0漏電流和跨導(dǎo)曲線的差異從源級看進(jìn)去的阻抗源級反饋電阻負(fù)載電阻小電流Gm=gmVin較大時(shí)，Gm=1/Rs電子工程學(xué)院第二十九頁，共41頁。例3.4P52畫出圖中的小信號電壓增益與輸入偏壓的函數(shù)關(guān)系Vin<Vth:增益為0Vin>Vth:1/gm>>Rs,Av=-gmRDVin繼續(xù)增大的話，滿足左式Vin較大Gm=1/Rs，Av=-RD/RS第三十頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級(λ=0，γ=0)例3.5注意到M2

連接為二極管，

故其小信號等效電阻為1/gm2。于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)Rin=

1/gm2從源級看進(jìn)去的阻抗源級反饋電阻負(fù)載電阻電子工程學(xué)院31第三十一頁，共41頁。帶源極負(fù)反饋的共源級小信號模型等效跨導(dǎo)假定λ=0，γ=0第三十二頁，共41頁。以上均未考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和體效應(yīng)，若考慮二級效應(yīng)(λ≠0，γ≠0)的帶源極負(fù)反饋的共源級，我們先來看一個(gè)輔助定理！第三十三頁，共41頁。輔助定理在線性電路中，電壓增益Av=-GmRout，其中Gm表示輸出對地短接時(shí)電路的跨導(dǎo)；Rout表示當(dāng)輸入電壓為