模擬集成電路設(shè)計(jì) 課件 第3章 單級(jí)放大器

魏廷存/2018年1

第3章單級(jí)放大器23.1基本電流鏡3.2共源極放大器3.3共漏極放大器（源跟隨器）3.4共柵極放大器3.5共源共柵電流鏡3.6共源共柵放大器3.7放大器的頻率特性

第3章單級(jí)放大器3

單級(jí)放大器的特性直流或低頻增益（DCGain）頻率特性（單位增益帶寬）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度（Slewrate，Settlingtime）功耗、電源電壓（低功耗、低電壓供電）輸入電壓范圍輸出電壓擺幅（無(wú)失真放大范圍）輸入/輸出電阻信噪比（S/N）

以上特性大部分互相制約，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行折衷選擇或優(yōu)化設(shè)計(jì)。4

單級(jí)放大器的分析流程電路結(jié)構(gòu)及工作原理，直流偏置大信號(hào)特性分析，輸入電壓范圍，輸出電壓擺幅小信號(hào)特性分析，電壓放大倍數(shù)，輸入/輸出電阻其它特性分析，優(yōu)缺點(diǎn)分析頻率特性分析，帶寬，相位裕度，動(dòng)態(tài)特性5

3.1基本電流鏡（Currentmirror）如果M1與M2均工作在飽和區(qū)，Iout與IREF的比值由M1與M2的尺寸比率決定，不受工藝誤差、電源電壓和溫度（PVT）變化的影響（理想情況）M1始終工作在飽和區(qū)（由于Vds1=Vgs1，

所以Vds1>Vgs1-Vth，或者，由于Vgd=0，Vgd<Vth），同時(shí)Vds1(Vds1=Vgs1=Vgs2)為M1和M2提供直流偏置電壓。（飽和區(qū)，理想情況）Vgs1=Vgs2Vds1=Vgs16

基本電流鏡的誤差（溝道長(zhǎng)度調(diào)制引起）

由于一般情況下Vds2≠Vds1，輸出電流出現(xiàn)偏差。且λ愈大，電流誤差愈大。因此為了提高電流源的精度，通常使用L尺寸較大的管子形成電流鏡（λ∝1/L）。為了進(jìn)一步減小溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，可采用后面介紹的共源共柵電流鏡。7M1與M2的Vth不同（例如柵氧化層的厚度不同、有源區(qū)擴(kuò)散濃度不同）M1與M2的尺寸誤差（制造工藝引起的幾何尺寸失配）提高電流源精度的其它措施:在電流鏡的版圖設(shè)計(jì)中，M1與M2的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能保持對(duì)稱且緊靠在一起配置，以保證較小的Vth偏差。盡可能將管子的W和L取大一些，以減小尺寸失配誤差的影響。在CMOS制造過(guò)程中存在源/漏區(qū)的橫向擴(kuò)散現(xiàn)象，即Leff=Ldrawn-2LD，由于源/漏區(qū)的橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度LD是與工藝相關(guān)的某一常數(shù)，與柵長(zhǎng)設(shè)計(jì)值Ldrawn無(wú)關(guān)，因此，如果將Ldrawn加倍，但Leff并不能相應(yīng)加倍。為了消除這種誤差，電流鏡中的所有CMOS管通常都采用相同的柵長(zhǎng)L，而輸出電流的調(diào)節(jié)只能通過(guò)調(diào)節(jié)管子的柵寬W來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基本電流鏡的誤差（其它原因引起）8

多路輸出電流鏡9

多路輸出電流鏡（輸出電流導(dǎo)向）SinkcurrentSourcecurrent10

基本電流鏡的輸出電阻（小信號(hào)特性）

基本電流鏡在放大器中的應(yīng)用(具有很大的小信號(hào)電阻rout)：1）提供恒定的直流偏置電流；2）作為放大器的有源負(fù)載使用，具有很大的小信號(hào)電阻。小信號(hào)交流等效電路11基本電流鏡的小信號(hào)等效電路（NMOS）vgs2=012

3.2共源極放大器源極端交流接地（輸入、輸出信號(hào)的公共端）無(wú)源電阻負(fù)載NMOS無(wú)源電阻負(fù)載13

共源極放大器的輸入-輸出特性（大信號(hào)特性）截止區(qū)（Vin<VTH）線性區(qū)（Vin>Vout+VTH）飽和區(qū)（VTH<Vin<Vout+VTH

）

靜態(tài)偏置電壓Vin0不同，放大管工作在不同的區(qū)域，作為放大器應(yīng)保證工作在飽和區(qū)。VinVoutQ14

小信號(hào)電壓放大原理（在飽和區(qū)，電阻負(fù)載）電壓放大的原理：輸入電壓Vin小的變化引起輸出電壓Vout大的變化。15共源極放大器的交流小信號(hào)特性（飽和區(qū)）16

無(wú)源電阻負(fù)載放大器的優(yōu)缺點(diǎn)無(wú)源電阻負(fù)載（直流電阻與交流電阻相同）的缺點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)Av=-gm(RD//rds)

為了增大Av→增大RD→限制輸出電壓的擺幅（放大管進(jìn)入線性區(qū)）CMOS工藝條件下制作大電阻（數(shù)百KΩ）會(huì)占用較大芯片面積；增加靜態(tài)（直流）功耗（Ids2×RD）無(wú)源電阻負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)（與有源電阻負(fù)載相比）：

寄生電容和噪聲電壓較小，適應(yīng)于低增益高頻放大器（例如RF電路中）。17

共源極放大器（電流鏡作為有源負(fù)載）NMOS放大管PMOS放大管Activeload的作用:

提供恒定的直流偏置電流和很大的小信號(hào)等效電阻rds2，并且消耗較小的電壓余度（直流電阻小，交流電阻大）。Activeload18

共源極放大器的大信號(hào)特性NMOS放大管1）當(dāng)Vin<Vth1時(shí)，M1截止，其漏極電流為零，M2處于深度線性區(qū)，其漏-源電壓Vds2接近于零，此時(shí)Vout≈VDD

2）當(dāng)Vin>Vth1時(shí)，M1和M2都進(jìn)入飽和區(qū)，漏極電流基本保持恒定（電流鏡的作用），隨著Vin增加Vout逐漸減小

（反相）3）當(dāng)Vin>Vout+Vth1（或Vout<Vin-Vth1）時(shí)，M1進(jìn)入線性區(qū)（跨導(dǎo)gm1減?。?/p>

輸出電壓Vout的下限是M1的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（Vin-Vth1），而輸出電壓的上限是VDD減去M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（|VGS2–Vth2|），因此，輸出電壓的擺幅是電源電壓減去兩個(gè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，即：Vin-Vth1<Vout<VDD-|VGS2–Vth2|

19

Ids=0

時(shí)CMOS管的兩種工作狀態(tài)20

輸出電壓的擺幅為了保證M1與M2均工作在飽和區(qū)，輸出電壓被限制在以下范圍：

Veff1(=Vin-Vth1)<Vout<VDD-|Veff2|給輸入電壓Vin設(shè)置合適的直流偏置電壓（合適的靜態(tài)工作點(diǎn)），通常取過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為：Veff=0.2~0.3V（太小會(huì)進(jìn)入弱反型區(qū)）。第2章中指出：在漏極電流確定的前提下，增加W/L并相應(yīng)減小過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可使跨導(dǎo)gm增大。21

電流鏡作為有源負(fù)載時(shí)的小信號(hào)電壓放大原理注意與電阻負(fù)載的放大原理不同：

如果M1和M2均被偏置在飽和區(qū)，由于電流鏡的作用，M1中的漏極電流為常數(shù)，輸入電壓是如何被放大？由M1的電流表達(dá)式可知，如果ID1為常數(shù)，則Vin↑→Vout↓，即電壓被放大（注意,Vin在平方項(xiàng)，而Vout是一次項(xiàng)，故電壓被放大）（見(jiàn)下頁(yè)）。rds2=∞r(nóng)ds2≠∞Activeload22

電流鏡作為有源負(fù)載時(shí)的放大原理有源負(fù)載的輸出電阻不為無(wú)窮大時(shí)，電壓放大倍數(shù)將減小。1）如果放大管M1和有源負(fù)載M2的輸出電阻均為無(wú)窮大，電壓放大倍數(shù)如何？

—只取決于放大器的外接負(fù)載大小，無(wú)負(fù)載時(shí)輸出電壓不確定。2）輸出端加入電阻負(fù)載RL后，電壓放大倍數(shù)會(huì)如何變化？—減小23

電壓放大倍數(shù)（飽和區(qū)）討論電壓增益：數(shù)值例：分析：小信號(hào)電流分析法:Δv

→Δi→Δv基于小信號(hào)等效電路的直觀分析法。當(dāng)輸入電壓變化Δvin時(shí)，放大管M1的漏極電流變化Δi=gm1×Δvin，Δi流入M1和M2的并聯(lián)電阻(rds1//rds2)，產(chǎn)生輸出電壓Δvout。24

電壓放大倍數(shù)（飽和區(qū)）討論

本征增益：

但是，W1L1↑→Cgs1↑→頻率特性變差。為了提高放大倍數(shù)，可適當(dāng)減小偏置電流ID（受到放大器的速度和噪聲要求的限制）。有源負(fù)載電阻：（在偏置電流ID和W2不變的情況下，L2

↑→|Vgs2-Vth2|↑→|Veff2|min↑）結(jié)論:在ID確定的情況下，適當(dāng)增大管子的尺寸（保持寬長(zhǎng)比W/L不變），可提高電壓增益。缺點(diǎn)是寄生電容增大，頻率特性變差。25

電阻負(fù)載與電流鏡有源負(fù)載的比較Vdd*電流鏡有源負(fù)載的等效電阻隨Vin變化:

線性區(qū)（小電阻，接近于0）飽和區(qū)（大電阻）線性區(qū)飽和區(qū)Q26共源放大器的設(shè)計(jì)方法和流程確定Ids（根據(jù)速度（SR）、功耗或噪聲特性要求）確定M1和M2的Vgs(Vgs=Veff+Vth，Veff

=

0.2~0.3V)確定M1和M2的寬長(zhǎng)比W/L:確定M1和M2的尺寸：L=(4~8)Lmin，W=寬長(zhǎng)比×L仿真驗(yàn)證（可同時(shí)增大W和L，保持W/L不變，可提高增益）27

反相器放大器（推挽放大器）線性放大區(qū)域*為了使M1和M2均工作在飽和區(qū)，必須給Vin設(shè)置合適的靜態(tài)偏置電壓。28

反相器放大器（推挽放大器）為了使M2處于飽和區(qū)：Vout<Vin+|VTH2|為了使M1處于飽和區(qū)：Vout>Vin-VTH1

M1和M2均工作在飽和區(qū)時(shí)的電壓放大倍數(shù)（NMOS與PMOS同時(shí)起放大作用）:較單級(jí)NMOS或PMOS共源放大器增益大

如果將放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在Vin=Vdd/2，則可獲得最大電壓增益和最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。例如用在ADC的比較器中(將輸入和輸出瞬間短路使Vin=Vdd/2)。缺點(diǎn)：與共源放大器相比，輸入電壓范圍和輸出擺幅較?。ň扔趦蓚€(gè)閾值電壓之和：VTH1+|VTH2|

）。Q29

3.3共漏極放大器（源極跟隨器/Sourcefollower）NMOS放大管Drain端交流接地ActiveloadActiveload的作用:

提供恒定的直流偏置電流和很大的小信號(hào)等效電阻rds2，并且消耗較小的電壓余度（直流電阻小，交流電阻大）。30

源極跟隨器的大信號(hào)特性當(dāng)Vin<VTH1+Veff2時(shí)，M1處于截止區(qū)，ID1=0，M2處于深度線性區(qū)，Vout=0。當(dāng)Vin>VTH1+Veff2時(shí)，M1和M2都進(jìn)入飽和區(qū)，由于電流鏡的作用，漏極電流基本保持恒定。如果忽略M1的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)和體效應(yīng)（VTH1隨Vout變化），則M1的漏極電流可表示為:

Vout隨Vin線性增加，但其差值始終保持為VTH1+Veff1。因此，源極跟隨器的輸入和輸出電壓之間產(chǎn)生直流電平位移，Vout=Vin-(VTH1+Veff1)。由于Vin<VDD（最大工作電壓），M1始終工作在飽和區(qū)(Vgd≤0)，不會(huì)進(jìn)入線性區(qū)。

31

源極跟隨器的大信號(hào)特性源極跟隨器的輸入電壓范圍是：輸出電壓范圍是：

其中輸出電壓的下限受M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Veff2限制。

32

電流鏡有源負(fù)載時(shí)的小信號(hào)等效電路電壓增益:（接近于1但小于1）

數(shù)值例:

≈≈

源極跟隨器的電壓增益接近于單位增益(正值)，說(shuō)明源極輸出電壓跟隨輸入電壓變化，這就是“源極跟隨器”名稱的由來(lái)。

33

電流鏡有源負(fù)載時(shí)的小信號(hào)輸出電阻輸出電阻:（小）數(shù)值例:34

Sourcefollower的特性分析1）體效應(yīng)的影響

2）源極跟隨器的特點(diǎn)具有很高的輸入電阻和較低的輸出電阻，故在電路中通常作為電壓緩沖器（buffer）來(lái)使用，驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載；電壓放大倍數(shù)接近于1而小于1，且輸入-輸出特性具有一定的非線性（主要由體效應(yīng)引起:Vout變化→Vsb

→gs1→

Av變化）。

gs1是導(dǎo)致Av偏離1的主要原因，但gs1減小了輸出電阻rout。

35消除體效應(yīng)的Sourcefollower（NMOS放大管）優(yōu)點(diǎn)：Av增加，更接近于1消除了由體效應(yīng)所引起的輸入-輸出非線性現(xiàn)象缺點(diǎn)：導(dǎo)致工藝及版圖復(fù)雜化（需要雙阱工藝：Psub/n-well/p-well），一般CMOS工藝不支持（NMOS具有同一p型襯底，且接地）。36消除體效應(yīng)的Sourcefollower（PMOS放大管）優(yōu)點(diǎn)：

M1，M2—由兩個(gè)分離的獨(dú)立n-well實(shí)現(xiàn)，以消除M1的體效應(yīng)。工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：與NMOS相比，輸出電阻略高。這是由于PMOS的空穴遷移率低，

μp=(0.25~0.5)μn，對(duì)于相同的器件尺寸和偏置電流，跨導(dǎo)gm變小，導(dǎo)致源極跟隨器的輸出電阻rout略微增大。37

源極跟隨器的應(yīng)用

如果在共源放大器與低阻抗負(fù)載之間插入源極跟隨器，則可以起到隔離低阻抗負(fù)載的作用，使總的電壓增益保持近似不變。源極跟隨器的輸出電阻愈小，其電壓損失也愈小，總的電壓增益就愈大。理想情況下，如果源極跟隨器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零，電壓增益為1，則共源放大器的輸出電壓可以無(wú)損耗地傳輸?shù)捷敵龆耍ɡ纾琒pice模型中的E器件）。電壓緩沖器E器件38

源極跟隨器的應(yīng)用

如果在共源放大器的輸出端直接接大電容負(fù)載CL，由于共源放大器的輸出電阻rout較大，則輸出端產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率非常?。é?1/(rout×CL)，主極點(diǎn)）。如果在共源放大器與大電容負(fù)載之間插入源極跟隨器，則由于源極跟隨器的輸出電阻很小，使得輸出端的極點(diǎn)頻率增大，有利于擴(kuò)展放大器的帶寬。電壓緩沖器39源極跟隨器的設(shè)計(jì)方法和流程確定Ids1,2（根據(jù)速度（SR）、功耗或噪聲特性要求）確定M1和M2的Vgs（Vgs

=Veff+Vth，Veff

=

0.2~0.3V）確定M1和M2的寬長(zhǎng)比W/L:確定M1和M2的尺寸：L=(4~8)Lmin，W=寬長(zhǎng)比×L仿真驗(yàn)證（可同時(shí)增大W和L，但保持W/L不變，可使電壓增益更接近于1）40

3.4

共柵極放大器特點(diǎn)：具有較低的輸入電阻，通常與共源極電路組合形成共源共柵電路。Gate端交流接地

ActiveloadNMOS放大管41

共柵極放大器的大信號(hào)分析1）當(dāng)

時(shí)，，M1截止，M2處于深度線性區(qū)，

2）當(dāng)時(shí)，假定M1和M2都進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)漏極電流ID1為

42

共柵極放大器的大信號(hào)分析由于電流鏡的作用，漏極電流為恒定值（忽略M2的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）。由上式可知，隨著Vin減小，Vout相應(yīng)降低。3）當(dāng)（Vds1<Vgs1-VTH1）時(shí)，M1進(jìn)入線性區(qū)

為了使M1和M2都工作在飽和區(qū)，輸出電壓的下限是：而上限則是VDD減去M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，即:

因此，輸出電壓Vout的范圍（最大擺幅）是：由于Vb=VGS1+Vin=VTH1+Veff1+Vin，當(dāng)Vin的范圍確定以后，可根據(jù)此式確定Vb的大小。43

共柵極放大器的小信號(hào)特性流過(guò)rds1的電流為:，因此，電壓增益為：44

共柵極放大器的小信號(hào)特性電壓增益可近似為：通常情況下，由于由上式可知，電壓增益是正值，即輸入電壓與輸出電壓同相位。共柵放大器的電壓增益與共源放大器接近，但是由于存在體效應(yīng)，共柵放大器的電壓增益略高一些。

體效應(yīng)使共柵放大器的電壓增益提高的原因，可由下式分析而得：

基于小信號(hào)模型的等效電路分析結(jié)果與管子的實(shí)際物理效應(yīng)完全一致！45

共柵極放大器的輸入電阻流過(guò)rds1的電流為:因此，輸入電阻：

共柵極放大器的輸入電阻較低。另外，體效應(yīng)減小了輸入電阻，這是由于輸入電壓的變化引起M1的閾值電壓變化的緣故。

輸出電阻：

46共柵極放大器的電壓放大倍數(shù)(考慮信號(hào)源內(nèi)阻)電壓放大倍數(shù)：

輸入信號(hào)源的內(nèi)阻會(huì)導(dǎo)致共柵極放大器的有效電壓增益降低47數(shù)值例：gm1=1mA/V，rds1=100kΩ，

AVs=50

共柵極放大器的小信號(hào)特性

電壓放大倍數(shù)的近似估算：48共源、共漏、共柵放大器性能比較性能指標(biāo)共源放大器共漏放大器共柵放大器電壓增益（低頻）高低（<1）高帶寬（高頻）小大中等輸入電阻高高低輸出電阻高低高49

3.5

共源共柵電流鏡（Cascodecurrentmirror）50

1.共源共柵電流鏡（Cascodecurrentmirror）

對(duì)于圖（a）的普通電流鏡，由于VDS2≠VDS1（VDS1通常不變，而VDS2隨輸出端負(fù)載發(fā)生變化），溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致輸出電流的精度降低；另外，電流鏡作為有源負(fù)載使用時(shí)希望輸出電阻更大。如圖（b）所示，如果在普通電流鏡的上面再疊加一個(gè)電流鏡，則形成共源共柵電流鏡。由于VC=VGS4+VA=VGS3+VB。如果VGS4=VGS3，則可保證VA=VB(VDS1=VDS2)。51

1.共源共柵電流鏡因此，如果M1~M4管的尺寸滿足上式，那么：注意，雖然M4和M3管存在體效應(yīng)，但由于VA=VB，閾值電壓對(duì)稱，即VTH3=VTH4則有如果滿足：由于如果忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則52

共源共柵電流鏡的大信號(hào)特性

假定M1~M4的特性和尺寸都相同

1）如果負(fù)載端電壓VL≥VC-VTH3，M2和M3都工作在飽和區(qū)，此時(shí),

IOUT=IREF，并且VA=VB2）隨著負(fù)載端電壓VL減小，M3先于M2進(jìn)入線性區(qū)。當(dāng)VL<VC-VTH3時(shí)，M3首先進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)為了維持漏極電流近似不變，M3要求更大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（VC不變，VB減小→VGS3增大），這將迫使VB也下降，同時(shí)IOUT也開(kāi)始逐漸減小。53

共源共柵電流鏡的大信號(hào)特性3）隨著負(fù)載端電壓VL進(jìn)一步減小，VB繼續(xù)下降，最終當(dāng)VB<VA-VTH2時(shí)（VA不變），M2也進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)IOUT隨著VL減小急劇下降（線性區(qū)表現(xiàn)為電阻性質(zhì)）。4）最后當(dāng)VL=0時(shí)，IOUT=0，M2和M3都工作在深度線性區(qū)。54

共源共柵電流鏡所消耗的電壓余度

VL,min≥2Veff+VTH，即VL必須大于兩個(gè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與一個(gè)閾值電壓之和。假定M1~M4的特性和尺寸都相同，并且忽略體效應(yīng)

為了使M2和M3都工作在飽和區(qū)，要求VL的最小電壓為:

這是由于要求VA=VB引起的，即VDS2=VGS1=VGS2=VTH+Veff。如果單純考慮M2，為了使其工作在飽和區(qū)，VDS2≥(VGS2-VTH)即可，此時(shí)VL,min≥2Veff

。55

共源共柵電流鏡所消耗的電壓余度總結(jié)

（a）作為恒流源使用時(shí)，為了提高輸出電流的精度（需要保證VA=VB），要求VL,min≥2Veff+VTH（b）作為有源負(fù)載使用時(shí)，為了提高輸出電壓的擺幅，VL,min≥2Veff即可（此時(shí)VA≠VB）56

帶源極負(fù)反饋電阻的電流鏡（飽和區(qū)）

（Source-degeneratedcurrentmirrors）由于Rs的存在，輸出電阻近似增加到原來(lái)(rds2)的(gm2Rs)倍！求輸出電阻57

共源共柵電流鏡的輸出電阻gmrds(共柵)=10~100

采用共源共柵電流鏡，可以使底部管子M2的Vds免受輸出電壓Vout變化的影響，使Vds2盡可能保持不變（對(duì)于同樣的輸出電壓Vout變化，M2的Vds變化減小為原來(lái)的1/Av3，Av3為共柵放大器M3的電壓增益），從而有效抑制了溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，提高了電流源的精度(減小了輸出電流的波動(dòng)，提高了輸出電阻)。rout(共源共柵)≈gmrds(共柵)

×rds(共源)M1~M4均在飽和區(qū)58

共源共柵電流鏡（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)：作為恒流源使用，可提高輸出電流的精度（例如可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的恒流源充放電,形成高精度RC振蕩電路）。作為放大器的有源負(fù)載使用，可提高放大器的增益（由于輸出阻抗提高）。缺點(diǎn)：消耗了較大的電壓余度。作為恒流源使用時(shí)（即要求VA=VB，以消除溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)引起的電流誤差），要求Vout≥2Veff+VTH,即Vout必須大于兩個(gè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與一個(gè)閾值電壓之和。而當(dāng)用作有源負(fù)載時(shí)，為了盡可能增大輸出擺幅，可不要求VA=VB（此時(shí)電流精度有所降低），只要Vout≥2Veff即可。59

2.

寬擺幅共源共柵電流鏡（NMOS）1）為了使M4工作在飽和區(qū)，必須有：Vb-Vth≤Vgs12）為了使M1工作在飽和區(qū)，必須有：Vgs1-Vth≤VA=Vb-Vgs4因此，Vb應(yīng)滿足以下條件：Vgs4+(Vgs1-Vth)≤Vb≤Vgs1+Vth（Wide-swingcascodecurrentmirror）這里假定所有管子均工作在飽和區(qū)，且Vth均相同，并忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。（VA=VB）（M1~M4的尺寸關(guān)系）60

2.寬擺幅共源共柵電流鏡（NMOS）

此時(shí)，M2和M3所消耗的電壓余度最?。ㄅc普通共源共柵電流鏡相比，減小了一個(gè)閾值電壓），而且可以精確地鏡像IREF(VA=VB)。但這種結(jié)構(gòu)需要另外提供一個(gè)偏置電壓Vb。適應(yīng)于低電源電壓供電的模擬CMOS集成電路。

如果以下條件成立，Vb有解：Vgs4+(Vgs1-Vth)≤Vgs1+Vth，即Vgs4-Vth≤Vth或

Veff4≤Vth

即選擇M4的尺寸，使其過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓小于一個(gè)閾值電壓。

如果選擇Vb的最小值，即，Vb=Vgs4+(Vgs1-Vth)=Vgs3+(Vgs2-Vth)，則Vout的最小值為：

Vout,min=Vb-Vth=Vgs3+(Vgs2-Vth)-Vth=(Vgs3-Vth)+(Vgs2-Vth)=2Veff61

2.寬擺幅共源共柵電流鏡（PMOS）

對(duì)于PMOS管，其飽和區(qū)工作的條件是：VSD>VSG-|VTHP|。為了使M0~M3均工作在飽和區(qū)，我們考慮偏置電壓Vb應(yīng)滿足的條件。為了使M0工作在飽和區(qū)，應(yīng)滿足Vb+|VTH|>VDD-|VGS1|，而為了使M1工作在飽和區(qū)，應(yīng)滿足VDD-(Vb+|VGS0|)>|VGS1|-|VTH|，因此Vb應(yīng)滿足以下條件：VDD-|VGS1|-|VTH|<Vb<VDD-|VGS1|+|VTH|-|VGS0|（1）

對(duì)于左圖所示的由PMOS管M0~M3組成的寬擺幅共源共柵電流鏡，假定所有管子的尺寸和閾值電壓均相同。試分析偏置電壓Vb的取值范圍，以及該電流鏡消耗的最小電壓余度（VL的最大值）。62

2.寬擺幅共源共柵電流鏡（PMOS）

如果VDD-|VGS1|-|VTH|<VDD-|VGS1|+|VTH|-|VGS0|，即(|VGS0|-|VTH|)<|VTH|的話，式（1）中的Vb有解（即是可實(shí)現(xiàn)的）。此時(shí)，必須選擇M0的寬長(zhǎng)比足夠大，使它的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（|VGS0|-|VTH|）始終小于管子的閾值電壓（|VTH|）。

如果選擇合適的Vb使其滿足式（1），則M0~M3均工作在飽和區(qū)，同時(shí)如果使M0~M3的尺寸均相同，則|VGS3|=|VGS0|，即VA=VB，因此M1和M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓相等。

如果選擇Vb的最大值（使M2和M3所消耗的電壓余度最小），即Vb=VDD-|VGS1|+|VTH|-|VGS0|，此時(shí)，為了使M2和M3均工作在飽和區(qū)，要求VB-VL>VB-Vb-|VTH|（VSD>VSG-|VTHP|），即63

2.寬擺幅共源共柵電流鏡（PMOS）VL(max)=Vb+|VTH|=VDD-|VGS1|+|VTH|-|VGS0|+|VTH|=VDD-(|VGS1|-|VTH|)-(|VGS0|-|VTH|)=VDD-|Veff1|-|Veff0|（2）

此時(shí)M2和M3所消耗的電壓余度最小，其值為M2和M3的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓之和。而且此時(shí)輸出電流IOUT可以精確地鏡像輸入電流IREF(VA=VB)

。64

3.6共源共柵放大器（CascodeAMP）優(yōu)點(diǎn)(與共源極相比)：具有很高的輸出電阻以及很高的電壓增益；消除了M1的Cgd的密勒效應(yīng)，有利于改善共源極放大器的頻率特性缺點(diǎn)：輸出電壓擺幅減小，不適合于低電源電壓電路。Telescopic-CascodeAMP（套筒式共源共柵放大器）NMOSPMOSActiveLoadActiveLoad65

3.6共源共柵放大器（NMOS）大信號(hào)特性:1)

當(dāng)時(shí)，M1截止，漏極電流為零，此時(shí)，M2和M4均工作在深度線性區(qū)，，

(Vgs2≈VTH2，VA電位不固定）2)當(dāng)時(shí)，漏極電流開(kāi)始增加，下降，也下降（由于漏極電流增加，M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓必定同時(shí)增加，而不變，因此必須下降，使得Vgs2增加），直到M1，M2，M4都進(jìn)入飽和區(qū)（Ids恒定）。

66

3.6共源共柵放大器（NMOS）3)隨著Vin的進(jìn)一步增加，Vout和VA繼續(xù)下降，最后將使得M2或M1進(jìn)入線性區(qū)。例如，當(dāng)VA<Vin-VTH1時(shí)，M1進(jìn)入線性區(qū)；而當(dāng)Vout<Vb-VTH2時(shí)，M2進(jìn)入線性區(qū)。通常由于M2（共柵極）的增益遠(yuǎn)大于M1（共源極）的增益，因此M2先于M1進(jìn)入線性區(qū)。67

3.6共源共柵放大器（NMOS）共源共柵放大器的輸出電壓擺幅：

M1和M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓之和M4的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為了使M1和M2均工作在飽和區(qū)，應(yīng)滿足：，由于，所以應(yīng)滿足：

為了使M4工作在飽和區(qū)，則應(yīng)滿足：

Vb如何確定？

3.6共源共柵放大器（NMOS）

電壓放大原理：基于大信號(hào)特性的分析1）假定ID4恒定，Vin↑→Vds1↓→Vgs2↑(Vb固定)→Vds2↓→Vout↓2）如果考慮電流鏡的輸出電阻rds4，則ID4不恒定，上述分析仍成立，只是此時(shí)由于rds4的存在，導(dǎo)致Vout的變化量減小。

共源共柵放大器的電壓增益大于共源放大器69

套筒式共源共柵放大器的小信號(hào)等效電路可根據(jù)此小信號(hào)等效電路推導(dǎo)出放大器的電壓增益（課后練習(xí)）70

套筒式共源共柵極放大器的小信號(hào)特性是由M1和M2組成的“共源共柵結(jié)構(gòu)”的輸出電阻，它與共源共柵電流鏡的輸出電阻相同電壓增益受到rds4的限制

gm1是共源極放大管M1的跨導(dǎo)（輸入電壓端）71

采用共源共柵電流鏡負(fù)載的共源共柵放大器提高有源負(fù)載的等效電阻，以提高電壓增益電壓增益的提高是以犧牲輸出電壓擺幅為代價(jià)的，輸出電壓的上限變?yōu)椋?/p>

共源共柵電流鏡作為有源負(fù)載72采用共源共柵電流鏡負(fù)載的共源共柵放大器（續(xù)）相當(dāng)于兩級(jí)共源極放大器的增益！式中假定：典型數(shù)值例：gm=0.5mA/V,rds=100kΩ→Av=-1250*通過(guò)增大輸出電阻以提高放大器的增益，但輸出電壓擺幅較小。73

上述共源共柵放大器的設(shè)計(jì)方法和流程確定Ids1,2,3,4（根據(jù)速度（SR）、功耗或噪聲特性要求）確定M1~M4的Vgs（Vgs

=Veff+Vth，Veff

=

0.2~0.3V）確定M1~M4的寬長(zhǎng)比W/L:確定M1~M4的尺寸：L=(4~8)Lmin，W=寬長(zhǎng)比×L仿真驗(yàn)證（可同時(shí)增大W和L，提高增益）確定Vb：Vb=Vgs2+Veff174PMOS輸入套筒式共源共柵放大器課后作業(yè)：試分析該放大器的大信號(hào)特性、輸出擺幅以及小信號(hào)電壓增益等。共源共柵電流鏡作為有源負(fù)載75折疊式共源共柵放大器（Folded-CascodeAMP)折疊式共源共柵放大器的特點(diǎn)：輸出電壓擺幅較大（與套筒式相比—在運(yùn)算放大器中使用時(shí)）偏置電流較大:Ibias同時(shí)給M1和M2提供偏置電流，為了達(dá)到與套筒式共源共柵相同的特性（例如相同的gm）,Ibias應(yīng)增加1倍。Currentmirror（直流偏置電流）有源負(fù)載折疊點(diǎn)共源極：NMOS共柵極：PMOS76

折疊式共源共柵放大器的結(jié)構(gòu)折疊式共源共柵放大器：（a）NMOS輸入；（b）PMOS輸入

小信號(hào)電流在A點(diǎn)被折疊！77

折疊式共源共柵放大器的大信號(hào)特性假定已給M2的柵極加入了合適的直流偏置電壓Vb，使M2工作在飽和區(qū)。1)當(dāng)時(shí)，M1截止，，此時(shí)，偏置電流全部流入M2，輸出電壓。

2)當(dāng)時(shí)，M1導(dǎo)通并工作在飽和區(qū)，此時(shí)，M2的漏極電流為

隨著Vin增加，ID1增大，ID2

減?。ù藭r(shí)|Vgs2|減小，由于Vb不變，VA下降），Vout相應(yīng)減小。78

折疊式共源共柵放大器的大信號(hào)特性3）最后當(dāng)時(shí)，減小到0，=0，此時(shí)M2工作在深度線性區(qū)（）。設(shè)此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓為，則

如果繼續(xù)增大，最終M1進(jìn)入線性區(qū)（電流鏡Ibias也進(jìn)入線性區(qū)）。為了使M1和M2都工作在飽和區(qū)，通常取79

折疊式共源共柵放大器的輸出擺幅輸出電壓下限：輸出電壓上限：折疊式共源共柵放大器的實(shí)例在運(yùn)算放大器中使用時(shí)，折疊式比套筒式消耗較小的電壓余度。80

折疊式共源共柵放大器的電壓增益M2是PMOS管，μp小→gm2小

輸出電阻減小的原因

與套筒式共源共柵放大器相比，由于輸出電阻減小，電壓增益也相應(yīng)有所下降（假定gm1不變）。這個(gè)結(jié)果也可以直接從電路結(jié)構(gòu)中觀察到，由于M1產(chǎn)生的小信號(hào)電流的一部分流入M4的輸出電阻，導(dǎo)致流入M2的小信號(hào)電流減小，因此電壓增益下降。81

折疊式共源共柵放大器的輸出擺幅PMOS輸入折疊式共源共柵放大器課后作業(yè)：試分析該電路的大信號(hào)特性、輸出擺幅以及小信號(hào)電壓增益等。82

折疊式共源共柵放大器總結(jié)與套筒式共源共柵放大器相比，盡管折疊式的電壓增益有所下降且功耗較大，但由于具有以下優(yōu)點(diǎn)而在運(yùn)算放大器中得到廣泛應(yīng)用：運(yùn)算放大器中，折疊式比套筒式消耗較小的電壓余度（參照第4章）；由于折疊式共源共柵放大器的輸入和輸出直流電平相近（這是由于共源極和共柵極分別采用不同性質(zhì)的MOS管），易于實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋（例如用作OutputBuffer）；消除了M1（輸入端的共源放大器）的Cgd的密勒效應(yīng)，有利于改善放大器的頻率特性（減小了共源放大器或整個(gè)共源共柵放大器的等效輸入電容，詳見(jiàn)3.7）。83

3.7

放大器的頻率特性

主要由CMOS元器件的寄生電容（含布線電容）以及外接負(fù)載電容所引起的放大器性能在高頻時(shí)的變化：放大倍數(shù)的增益下降和相位偏離±180度輸入/輸出阻抗變化瞬態(tài)響應(yīng)速度變化電源抑制比、共模抑制比下降引起輸出信號(hào)失真（頻率失真或線性失真）84

傳遞函數(shù)的概念z1,z2,···zm:零點(diǎn)

(zero)p1,p2,···pn：極點(diǎn)(pole)H(S)Vin(S)Vout(S)對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，極點(diǎn)都應(yīng)位于s平面的左半平面！85s平面內(nèi)左半平面單個(gè)極點(diǎn)P1引起的頻率特性變化波特圖：Bodeplots（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）極點(diǎn)位置單個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生的最大相移是-90o86

s平面內(nèi)左半平面單個(gè)零點(diǎn)Z1引起的頻率特性變化零點(diǎn)位置Z110Z1102Z1103Z10.1Z1Z110Z1102Z1103Z10.1Z1單個(gè)零點(diǎn)產(chǎn)生的最大相移是90o87

具有多個(gè)左半平面極點(diǎn)和零點(diǎn)時(shí)的頻率特性放大器的頻域或帶寬（-3dB頻率）：88

1.共源極放大器的頻率特性（飽和區(qū)）直流增益二階電路右半平面的零點(diǎn)：左半平面的兩個(gè)極點(diǎn)精確表達(dá)式：89

1.共源極放大器的頻率特性（飽和區(qū)）直流增益零點(diǎn)兩個(gè)極點(diǎn)精確表達(dá)式：假設(shè)假設(shè)分母：90

1.共源放大器的頻率特性零點(diǎn)的產(chǎn)生原理當(dāng)信號(hào)頻率等于ωZ時(shí)，分別由前饋通路和放大管的gm1產(chǎn)生的兩個(gè)輸出電流分量幅度相等、相位相反，因此相互抵消，使得小信號(hào)輸出電壓vout變?yōu)榱?。由于?dāng)ω=

ωZ時(shí)，小信號(hào)輸出電壓vout=0，因此91

1.共源極放大器的頻率特性極點(diǎn)近似估算（每個(gè)獨(dú)立結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)極點(diǎn)）

①

②密勒效應(yīng)注意：密勒等效法只對(duì)輸入/輸出端等效，因此這里將零點(diǎn)忽略了。

Ri和Ci分別是該結(jié)點(diǎn)與地之間的總電阻和總電容（輸入信號(hào)為零）。92

1.共源極放大器的頻率特性密勒定理：密勒等效法93

1.共源極放大器的頻率特性放大器的帶寬（-3dB頻率）：（主要由決定）共源極放大器的帶寬主要受C