CMOS模擬集成電路第3章-單級(jí)放大器

CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)單級(jí)放大器5/12/20241提綱1、共源級(jí)放大器2、共漏級(jí)放大器（源跟隨器）3、共柵級(jí)放大器4、共源共柵級(jí)放大器5/12/20242提綱5/12/202431、共源級(jí)放大器1.1電阻做負(fù)載的共源級(jí)放大器大信號(hào)分析cutoffactivetriodeMOS管工作在飽和區(qū)時(shí)5/12/20244共源級(jí)放大器小信號(hào)分析考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制時(shí)，5/12/20245共源級(jí)放大器討論增益對(duì)信號(hào)電平的依賴關(guān)系導(dǎo)致了非線性增大W/L、或增大VRD、或減小ID，都可以提高Av。但是，較大的器件尺寸，導(dǎo)致較大的器件電容。較高的VRD會(huì)限制最大電壓擺幅。若VRD保持常數(shù)，減小ID，則必須增大RD，導(dǎo)致更大的輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)。5/12/20246共源級(jí)放大器1.2MOS二極管連接做負(fù)載的共源級(jí)MOS二極管連接二極管連接的阻抗為二極管連接的阻抗為考慮體效應(yīng)時(shí)5/12/20247共源級(jí)放大器增益NMOS二極管連接做負(fù)載其中沒有體效應(yīng)PMOS二極管連接做負(fù)載5/12/20248共源級(jí)放大器另一種二極管連接nmos管做負(fù)載的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)？缺點(diǎn)？5/12/20249另一種二極管連接nmos管做負(fù)載的結(jié)構(gòu)電流鏡只采用nmos沒有體效應(yīng)增益精確好的PSRR兩倍功耗5/12/202410討論增益與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，是器件尺寸的弱函數(shù)。高增益要求會(huì)造成晶體管的尺寸不均衡。例：為了達(dá)到10倍增益，，則(W/L)1=50(W/L)2在這個(gè)例子中，M2的過驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該是M1的過驅(qū)動(dòng)電壓的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，嚴(yán)重制約輸出電壓擺幅。允許的輸出電壓擺幅減小。5/12/202411共源級(jí)放大器1.3電流源負(fù)載的共源級(jí)放大器討論獲得更大的增益M2的輸出阻抗與所要求的M2的最小|VDS|之間聯(lián)系較弱，因此對(duì)輸出擺幅的限制較小。長(zhǎng)溝器件可以產(chǎn)生高的電壓增益。同時(shí)增加W、L將引入更大的節(jié)點(diǎn)電容?！麵D→AV↓考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制，5/12/202412共源級(jí)放大器1.4帶源級(jí)負(fù)反饋的共源級(jí)放大器小信號(hào)直接分析方法這里，沒有考慮體效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)討論增加源級(jí)負(fù)反饋電阻，使增益是gm的弱函數(shù)，實(shí)現(xiàn)線性的提高。線性化的獲得是以犧牲增益為代價(jià)的。當(dāng)gmRS>>1,AV≈RD/RS5/12/202413共源級(jí)放大器考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制及體效應(yīng)時(shí)，電路的交流小信號(hào)模型為5/12/202414共源級(jí)放大器小信號(hào)等效分析輔助定理：在線性電路中，電壓增益等于-GmRout，其中Gm表示輸出與地短接時(shí)電路的跨導(dǎo)；Rout表示當(dāng)輸入電壓為零時(shí)電路的輸出電阻。線性電路的輸出端口可用諾頓定理來(lái)等效，可得，輸出電壓為-IoutRout，定義Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?諾頓定理：線性有源單口網(wǎng)絡(luò)等效電流源的恒流源等于有源單口網(wǎng)絡(luò)的短路電流，內(nèi)阻等于網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源不激勵(lì)時(shí)的端口電阻。5/12/202415共源級(jí)放大器計(jì)算Gm（考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制及體效應(yīng))由于，所以因此，5/12/202416共源級(jí)放大器計(jì)算Rout計(jì)算流經(jīng)ro的電流,帶入V1，得到：得到所以，輸出電阻增大！5/12/202417共源級(jí)放大器計(jì)算AvAv=-Gm(Rout||RD)若忽略rO和gmb的影響，即rO→∞和gmb=0,5/12/202418共源級(jí)放大器2、共漏級(jí)放大器（源跟隨器）大信號(hào)分析當(dāng)Vin<VTH時(shí)，M1處于截止?fàn)顟B(tài)，Vout等于零；Vin增大并超過VTH，M1導(dǎo)通進(jìn)入飽和區(qū)；Vin進(jìn)一步增大，Vout跟隨Vin的變化，且兩者之差為VGS。5/12/202419共漏級(jí)放大器小信號(hào)分析考慮體效應(yīng)討論增益<1；當(dāng)Vin≈VTH時(shí)，增益從零開始單調(diào)增大；隨gm變大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)，η=gm/gmb隨Vout增大而減小(VSB增加)，所以Av趨近1。5/12/202420共漏級(jí)放大器采用電流源的源跟隨器戴維南等效小信號(hào)分析（另外一種方法）當(dāng)rO2=∞，即考查本征增益本征增益5/12/202421共漏級(jí)放大器考慮M1、M2的溝道長(zhǎng)度效應(yīng)，并驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載，更一般的情況，考慮晶體管的輸出電阻、體效應(yīng)以及輸出負(fù)載的情況5/12/202422共漏級(jí)放大器討論即使源跟隨器采用理想電流來(lái)偏置，輸入輸出特性仍呈現(xiàn)一些非線性。將襯底和源連接在一起，就可以消除由體效應(yīng)帶來(lái)的非線性。對(duì)于N阱工藝，可采用PMOS來(lái)實(shí)現(xiàn)。源跟隨器使信號(hào)直流電平產(chǎn)生VGS的移動(dòng)，會(huì)消耗電壓余度。5/12/202423共漏級(jí)放大器3、共柵級(jí)放大器大信號(hào)分析（Vin從某一個(gè)大值開始減少）當(dāng)Vin≥Vb－VTH時(shí)，M1處于關(guān)斷狀態(tài)，Vout＝VDD當(dāng)Vin較小時(shí)，且M1處于飽和區(qū)，當(dāng)Vin即一步減小，Vout也逐步減小，最終M1進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)，5/12/202424共柵級(jí)放大器由大信號(hào)分析得到小信號(hào)增益當(dāng)M1處于飽和區(qū)時(shí)（忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制）討論：增益是正值；體效應(yīng)使共柵極的等效跨導(dǎo)變大了；共柵極放大器的輸入阻抗較小。因此，而得到，5/12/202425共柵級(jí)放大器小信號(hào)分析（考慮晶體管的輸出電阻rO及信號(hào)的阻抗Rs）增益5/12/202426共柵級(jí)放大器輸入阻抗有，因?yàn)槿魟t，5/12/202427共柵級(jí)放大器輸出阻抗與計(jì)算帶負(fù)反饋的共源級(jí)放大器的輸出電阻情況一致。因此，輸出電阻，5/12/202428共柵級(jí)放大器4、共源共柵級(jí)放大器偏置條件使M1，M2都處于飽和區(qū)，大信號(hào)分析Vin≤VTH1，M1，M2處于截止?fàn)顟B(tài)，Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亞閾值導(dǎo)通）Vin＞VTH1，開始出現(xiàn)電流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足夠大，M1或M2將進(jìn)入線性區(qū)。（與器件尺寸、RD及Vb有關(guān)）5/12/202429共源共柵級(jí)放大器小信號(hào)分析增益兩個(gè)集體管均工作在飽和區(qū)；若λ＝0，由于輸入管產(chǎn)生的漏電流必定流過整個(gè)共源共柵極電路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin當(dāng)忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)時(shí)，共源共柵級(jí)放大器的電壓增益與共源級(jí)放大器的電壓增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以5/12/202430共源共柵級(jí)放大器輸出阻抗（考慮兩管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）電路可以看成帶負(fù)反饋rO1的共源級(jí)，因此，5/12/202431共源共柵級(jí)放大器討論精確電壓增益計(jì)算見教材例3.15，留給同學(xué)自學(xué)。Rout≈（gm2＋gmb2）rO1rO2，可見M2將M1的輸出電阻提高了（gm2＋gmb2）rO2倍。具有屏蔽特性。屏蔽輸入器件，不受輸出結(jié)點(diǎn)影響。根據(jù)線性電路電壓增益等于-GmRout，增大Rout可以提高增益。例子：粗略計(jì)算，，得到5/12/202432共源共柵級(jí)放大器討論（續(xù)）可用來(lái)構(gòu)成恒定電流源。高的輸出阻抗提供一個(gè)接近理想的電流源。采用PMOS的共源共柵結(jié)構(gòu)，電流源的表現(xiàn)的輸出阻抗為因此，而Gm≈gm1，所以，電壓增益近似等于消耗較大的電壓余度，采用共源共柵電流源的共源共柵放大器的最大輸出擺幅5/12/202433共源共柵級(jí)放大器折疊式共源共柵放大器所謂“折疊”針對(duì)小信號(hào)電流。小信號(hào)分析與共源共柵放大器一致。為了獲得相當(dāng)?shù)男阅?，折疊式共源共柵放大器的總偏置電流應(yīng)該比共源共柵放大器的大。5/12/202434共源共柵級(jí)放大器大信號(hào)分析如果Vin>VDD-|VTH1|，M1截止，電流I1全部通過M2，有Vout=VDD-I1RD如果Vin<VDD-|VTH1|，M1開啟處于飽和區(qū)，隨著Vin↓，ID2↓，當(dāng)ID1=I1時(shí)，ID2＝0，有當(dāng)Vin下降到Vin1以下，ID1趨向大于I1，迫使M1進(jìn)入線性區(qū)使ID1=I1。5/12/202435共