復(fù)旦微電子-模擬集成電路設(shè)計(jì)-單級放大器.ppt

單級放大器,直流偏置 分壓電路 電流鏡電路 單級放大器 共源放大級 源跟隨器 共柵放大級 共源共柵放大級,分壓電路,電阻分壓：提供簡單的直流電壓偏置,VDD,M1,R1,R2,Iout,電阻值小，則電流大，面積小。反之，則電流小，面積大。 輸出電壓受電阻的相對值影響。 受Vdd的影響，當(dāng)Vdd改變時(shí)，Vo也改變。 若Vgs-Vth很小時(shí)，盡管Vo很精確，但Vth和遷移率隨工藝而改變，使得輸出電流很不精確。,Vo,分壓電路,二極管分壓,電阻值太大，為節(jié)約面積，用MOS管柵源短接代替電阻有源電阻。,因?yàn)闁旁炊探樱琈OS管總是在飽和區(qū),Vds,Id,AC,DC,分壓電路,G,D,V,S,若,若,可忽略,D,S,分壓電路,M2,M1,Vo=VDS1,二級管分壓電路：M2采用PMOS,消除體效應(yīng)。,例：,分壓電路,同理可得：,取：,結(jié)論：,給定電壓和電流，確定MOS管的寬長比,例：給定參考電流。通過一個(gè)MOS二極管得到偏置。 a) 輸出電壓和VDD沒有關(guān)系。而和參考電流有關(guān)。 b) 面積減小,30ua,Vo=3V,5V,電流源電路,概念：假定有一個(gè)精確的參考電流源，電流鏡電路可以將 這個(gè)參考電流精確地復(fù)制。,精確程度取決于匹配。,電流源電路,等效電路：,沒有電流流過1/gm,例：,小信號輸出阻抗：,增加輸出阻抗提高精確程度。,電流源電路,Iref,M1,I2,M2,I3,M3,M5,M6,M4,I4,利用一個(gè)精確的參考電流產(chǎn)生模擬電路中的所有電流偏置,例：若所有MOS管均在飽和區(qū)， 求M4的漏電流。,確定Iout和Iref之間的放大因子。 所有晶體管柵長相同，以減小源漏邊緣擴(kuò)散引入的誤差。,放大器的基本概念,放大器的輸入輸出特性在一定信號范圍內(nèi)可表示為：,在一個(gè)足夠窄的范圍內(nèi)：x的變化很小,輸出隨輸入增量變化是線性的,是增益。,模擬電路的八邊形法則：增益、速度、功耗、電源電壓、線性度、噪聲、輸入輸出阻抗、最大電壓擺幅八種性能參數(shù)相互牽制，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成為多維優(yōu)化問題。 優(yōu)化的折中方案。,共源放大器,電阻負(fù)載：,M1的柵源之間輸出電壓信號Vin，通過NMOS的跨導(dǎo)放大，在漏極得到一個(gè)小信號電流。電流通過負(fù)載電阻產(chǎn)生電壓輸出。,輸入柵源電壓，輸出柵漏電壓共源放大。,兩種分析方法：,大信號分析：考慮Vin從小到大變化,當(dāng),當(dāng),M1 飽和,共源放大器,當(dāng),M1 在線性區(qū),當(dāng)Vin足夠高，,共源放大器,飽和區(qū)增益：對飽和區(qū)方程求導(dǎo)。,若代入飽和區(qū)公式時(shí)，考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則：,結(jié)論：,增益和跨導(dǎo)gm、輸出阻抗成正比。,gm隨Vin線性上升，因此增益是非線性的。,共源放大器,小信號分析：,很容易得到增益：,輸出阻抗：輸入為零時(shí)，在輸出加電壓激勵(lì)，得到電流。,共源放大器,理想電流源負(fù)載：,假定I1是理想電流源，M1處在飽和區(qū)。,稱為晶體管的“本征增益”，代表單個(gè)晶體管 能達(dá)到的最大增益。 一般：,問題：Vout=？,共源放大器,二極管負(fù)載：采用NMOS負(fù)載，存在體效應(yīng)。,利用小信號分析，對M2：,Av決定于M1和M2的W/L之比，是恒定的。電路的線性度高。,共源放大器,NMOS二極管負(fù)載的大信號分析：,當(dāng),當(dāng),M1、M2 飽和,對Vin微分可得Av,當(dāng),A,M1進(jìn)入線性區(qū)。,共源放大器,二極管負(fù)載：采用PMOS負(fù)載，不存在體效應(yīng)。,忽略溝道長度調(diào)制：,例：,M1的W/L太大，寄身電容 增加，影響電路速度。,共源放大器,分析：將Av用另一種形式表達(dá)（和無關(guān)）,當(dāng)Vin一定時(shí)，Veff1恒定。 說明Vout有一定的電壓限制，增益上升，擺幅下降。,考慮,共源放大器,在M2邊上并聯(lián)一個(gè)恒流源，M2 的電 流將下降，跨導(dǎo)下降，增益提高。,?。?在相同增益條件下，降低了MOS管的W/L比。 I2 減小，Vgs2減小，Vout的擺幅提高。,共源放大器,電流源負(fù)載：,對共源放大器，有,但電阻和二極管負(fù)載的電壓擺幅受到限制。,用電流源代替電阻，如圖：,MOS管的輸出阻抗很大。長溝道器件可以提高增益。,共源放大器,對M2，,若I是恒定值，當(dāng)W2 增加時(shí)，Veff2下降，Vds2可以 很小，Vout的擺幅很大。一般：,但是，當(dāng)L2 、W2 同時(shí)增加時(shí)，則M2的寄生電容值 增加。,對M1，,對給定的I值：,擺幅增加。,共源放大器,帶源極負(fù)反饋的共源級：,想法：共源級的增益正比于gm，gm隨Vgs的變化明顯， 導(dǎo)致電路的線性度下降。,Vin經(jīng)過Rs的分壓，只有一部分落在Vgs上，造成gm隨Vin的變化不明顯，提高電路的線性度。,從電流方程推導(dǎo)增益：,Id隨Vin的增加緩慢，而不再是平方律關(guān)系,共源放大器,推導(dǎo)Gm：,提高線性度的代價(jià)是，增益下降，擺幅下降。,共源放大器,利用小信號等效電路可推導(dǎo)出同樣結(jié)果，特別是考慮和 的一般情況。,推導(dǎo)Gm： 輸出接地，加輸入電壓，得到輸出電流。,共源放大器,Gm隨Vin變化的討論：,Vin很小時(shí)，M1 導(dǎo)通,Vin增加時(shí)，,Vin很大時(shí)，,計(jì)算Av的等效方法：從漏極結(jié)點(diǎn)看到的電阻除以源極通路上 （Vin=0）的總電阻。,共源放大器,源極負(fù)反饋使輸出阻抗增加：等效圖中忽略了Rd。,考慮輸出阻抗： 輸入接地，輸出加激勵(lì)。,一般，,輸出阻抗提高了 倍。,共源放大器,考慮和一般情況下的增益。,共源放大器,考慮和一般情況下的增益。,重寫上式：,輔助定理：在線性電路中，電壓增益為 Gm： 輸出與地短接時(shí)的等效跨導(dǎo)。 Rout：輸入電壓為零時(shí)的等效輸出阻抗。,共源放大器,例：恒流源負(fù)載：,Vout,恒流源的輸出阻抗無窮大，Rd可忽略,結(jié)論：Av和Rs無關(guān)。,因?yàn)镮o恒定，流過Rs的電流變化為零，導(dǎo)致Rs上的電壓沒有變化，等效為：,源跟隨器,電路結(jié)構(gòu)：,Vout,源跟隨器，或共漏放大器，其特點(diǎn)為：,能驅(qū)動較小的輸出電阻。例，共源放大器的輸出跟一個(gè)源跟隨器。 電壓放大倍數(shù)1，是電壓緩沖器。 輸入和輸出電平轉(zhuǎn)換。,大信號分析：,當(dāng)VinVth+Vdsat時(shí)，M1 截止。,因?yàn)轶w效應(yīng)，Vth隨Vout而改變，因此，Av 1，非線性,源跟隨器,計(jì)算增益：,等效電阻1/gmb,源跟隨器,計(jì)算輸出阻抗：,直觀的：,源跟隨器,考慮負(fù)載電阻RL，則：,比較共源級和源跟隨器，若,共源級：,源跟隨器：,源跟隨器并不是必須的驅(qū)動器。,共柵放大器,電路結(jié)構(gòu)：,在共柵級中，信號從MOS 管的源極輸入，漏極輸出。柵極接地，在交流分析中，柵極等效接地。 共源級和源跟隨器中，信號都是從MOS 管的柵極輸入，因此電路的輸入阻抗大。而共柵級的輸入阻抗小。,直流分析：假設(shè)Vin從Vdd下降。,當(dāng) 當(dāng),當(dāng),M1最終進(jìn)入線性區(qū),共柵級結(jié)構(gòu)更適合于電流放大。,共柵放大器,等效電路分析：,放大倍數(shù)：,用電阻表示：,共柵放大器,結(jié)果和書上結(jié)論一致。,放大倍數(shù)是正值。 體效應(yīng)使增益變大了。 當(dāng),共柵放大器,輸入電阻：,共柵放大器,用電阻表示：,結(jié)論：,體效應(yīng)使輸入阻抗降低。,當(dāng),在忽略溝道長度調(diào)制的情況下，從M1源極所看到的輸入阻抗相同。,當(dāng),只有在漏端負(fù)載阻抗很小時(shí)，共柵級的輸入阻抗才會較低。,一般，,共柵放大器,例：M1得到輸入電壓變化V，通過50的傳輸線傳送。,在低頻條件下，兩種接法的增益,兩種接法的增益相同。,在結(jié)點(diǎn)X處的反射最小,條件：在M2看到的阻抗為50,調(diào)節(jié)M2的尺寸和偏置。,共柵放大器,考慮Rs時(shí)的增益：,代入,和共源級負(fù)反饋電路相比：,增益略高一些。,若忽略,反相和正相之差。,共柵放大器,共柵級輸出阻抗：,和源極負(fù)反饋共源級的情況相類似。,共源共柵放大器,電路結(jié)構(gòu)：,是共源級和共柵級的級聯(lián)。 M1是輸入器件，將Vin 轉(zhuǎn)換為成正比的電流。 M2是共源共柵器件，I1=I2，,共源共柵結(jié)構(gòu)的偏置條件： 若M1飽和， 若M1、M2飽和，則決定于M2柵極偏置,共源共柵放大器,思路：跨導(dǎo)不變，但X點(diǎn)的電壓值相對穩(wěn)定，輸出阻抗增加。,電壓增益：,M1的電流必定流過M2，跨導(dǎo)和共源級相同,電路可以看成負(fù)反饋共源級。 輸出阻抗為：,結(jié)論：輸出阻抗提高了 倍。,共源共柵放大器,電壓增益：,層疊的意義：,輸出的電壓擺幅下降。 屏蔽作用：上面的MOS管“屏蔽”了下面的管。使M1的漏極變化小。 如圖，三層共源共柵的增益上升，但最小輸出電壓為三個(gè)過驅(qū)動電壓之和。,共源共柵放大器,例：提高增益的方法,提高共源級輸入器件的L4L,I不變，Veff增加一倍，擺幅下降。,增益上升二倍。,共源共柵結(jié)構(gòu),增益增加 倍。,Veff增加一倍，擺幅下降。,共源共柵放大器,折疊式共源共柵（folded-cascode）,在共源共柵集中輸入器件將電壓信號放大為電流信號加到共柵器件的源端。因此，輸入器件和共源共柵件可以是不同類型的MOS器件。 如圖，M1是輸入器件， PMOS M2 是共源共柵器件， NMOS 顯然，必須提供二路偏置電流，功耗增加了。 分析：當(dāng)Vin，Id1，Id2，Vout,Vin和Vout的電平是相近的。 增益