模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)-第3章-單級(jí)放大器

1、單級(jí)放大器單級(jí)放大器李凱文 2015021743在大多數(shù)模擬電路和許多數(shù)字電路中，放大器是最基本的功能塊 。將描述四種放大器：共源放大器；共柵放大器；源極跟隨器；共源共柵放大器。 先從最簡(jiǎn)化的模型著手，逐漸地在考慮溝長(zhǎng)調(diào)制和體效應(yīng)這樣的二級(jí)效應(yīng)。1.1 共源級(jí) 采用電阻負(fù)載的共源級(jí)（少，因?yàn)楣に嚿想娮璨缓弥谱鳎?帶二極管接法負(fù)載的共源級(jí)（缺點(diǎn)是增益不大） 采用電流源負(fù)載的共源級(jí) 工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源級(jí)（少，線性電阻影響因素很多，無(wú)法確定） 帶源級(jí)負(fù)反饋的共源級(jí)1.1.1采用電阻負(fù)載的共源級(jí)概念： M1的柵源之間輸入電壓信號(hào)Vin，通過(guò)NMOS的跨導(dǎo)放大，在漏極得到一個(gè)小信號(hào)電流。電

2、流通過(guò)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。共源級(jí)電路(1)如果輸入電壓從零開(kāi)始增大,M1截止,VOUT=VDD。（2）Vin增大到超過(guò)并接近VTH時(shí)，M1飽和221THinoxnDDDoutVVLWCRVV當(dāng)Vin繼續(xù)增大，Vout繼續(xù)減小，這時(shí)還處在飽和區(qū)，直到 比 高出 inVoutVTHV即在下圖中的A點(diǎn)，在A點(diǎn)滿足：21121THinoxnDDDTHinVVLWCRVvV從上式可以計(jì)算出Vin1-VTH,并進(jìn)一步計(jì)算出Vout(3)當(dāng)VinVin1時(shí)，M1工作在線性區(qū)：2221outoutTHinoxnDDDoutVVVVLWCRVV（4）如果 的值足夠高而進(jìn)入深

3、線性區(qū)， ，并從 下圖的等價(jià)電路中可得： inVTHinoutVVV 2DRononDDoutRRVVTHinDoxnDDVVRLWCV1=工作在線性區(qū)時(shí)跨導(dǎo)會(huì)下降，所以我們通常要確保 THinoutVVV 2根據(jù)飽和時(shí)的公式我們可求出小信號(hào)增益inoutvVVA=THinoxnDVVLWCR=DmRg221THinoxnDDDoutVVLWCRVV增益隨Vin的線性增加，當(dāng)輸入信號(hào)擺幅較大時(shí)引入非線性跨導(dǎo)隨輸入電壓的變化飽和區(qū)GSDmVIgTHGSoxnVVLWC=線性區(qū)增益最大化DmRgAv=DRDDoxnvIVILWCA2DRDoxnvIVLWCA2p增大W/L；器件電容增加。p增大VR

4、D；輸出擺幅減小。p減小ID；RD增加，輸出節(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)增加。溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)若代入飽和區(qū)公式時(shí)，考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則： outTHinoxnDDDoutVVVLWCRVV1212inoutVV=outTHinoxnDVVVLWCR1inoutTHinoxnDVVVVLWCR221使用近似公式；221THinoxnDVVLWCIvAvDDDmAIRRgDDDmvIRRgA1DoIr1)/(DomRrg再根據(jù)DDmvRrRrgA00結(jié)論：結(jié)論：增益和跨導(dǎo)gm、輸出阻抗成正比。vDmARg,gm隨Vin線性上升，因此增益是非線性的。小信號(hào)分析0/DooutinmRrVVg)/(Dominou

5、tRrgVV)/(DomvRrgA很容易得到增益：DDmRrRrg00輸出阻抗：輸入為零時(shí)，在輸出加電壓激勵(lì)，得到電流)/(, 0oDinoinrRVVVor , 0DR理想電流源負(fù)載假定I1是理想電流源，M1處在飽和區(qū)。DR3010omrg因?yàn)樗設(shè)mvrgA這稱為晶體管的“本征增益”，代表單個(gè)晶體管能達(dá)到的最大增益。一般，問(wèn)題：Vout=？ outTHinoxnDVVVCI12121outinVV, 0,電阻負(fù)載的缺點(diǎn)不能能確確制電阻值電阻值不能大，會(huì)導(dǎo)導(dǎo)擺幅下降電阻的的面大，工藝上不好制造改進(jìn)方法p采用MOS器件為負(fù)載二極管接法電流源線性區(qū)MOS器件1.1.2 采用二極管連接的負(fù)載 在C

6、MOS工藝中，制造一個(gè)有能確阻值和物理尺寸的電阻是很困難的 。所以常常要求用一個(gè)MOS管來(lái)代替圖3.3 (a) 中的RD。XOxXmbmIrVVggXXIV=11OmbmrggOmbmrgg1=mbmgg1采用NMOS負(fù)載，存在體效應(yīng)忽略溝道調(diào)制，將：XXIVmbmgg1代入RD=DmRgAv=得到：vA=2211mbmmggg21mmgg11=22mmbgg其中用器件的尺寸、偏置電流來(lái)表示跨導(dǎo)，可得 vA=221122DoxnDoxnILWCILWC1121LWLW=111M如果忽略 隨輸出電壓的變化，增益與偏置電流和電壓無(wú)關(guān) (只要處在飽和區(qū))。換言之，當(dāng)輸入和輸出電平發(fā)生變化時(shí)，增益仍保

7、持不變，表明輸入輸出特性相對(duì)呈線性。 采用大信號(hào)分析得出的結(jié)論是一樣的：即如VTH2隨Vout的變化很小，電路表現(xiàn)出線性的輸入-輸出特性用PMOS器件來(lái)代替NMOS，無(wú)須考慮體效應(yīng)，則小信號(hào)電壓增益等于：vA=21LWLWpn例如，要獲得增益為10， 21LWLWpn=100，由于pn2必須使 21)/(50LWLW在某種意義上，高增益要求強(qiáng)的輸入器件和弱的負(fù)載器件，缺點(diǎn)是高增益會(huì)造成溝寬和溝長(zhǎng)過(guò)大而不均衡（因此會(huì)導(dǎo)導(dǎo)大的輸入或者負(fù)載電容），同時(shí)還會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)嚴(yán)重的局限性：允許的輸出電壓擺幅的減小。2111THGSnVVLW2222THGSpVVLW21DDII所以vTHGSTHGSAVVV

8、V2122有2M1M在上的的例子中， 驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該是 的十倍。比如，當(dāng) mVVVTHGS20011VVTH7 . 02VVGS7 . 22和可得這嚴(yán)重的限制了輸出電壓的擺幅 性能改進(jìn)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?。?75. 0IIS21mmvggA214LWLWpn=(a) 在相同增益條件下，降低了MOS管的W/L比。(b) I2 減小，Vgs2減小，Vout的擺幅提高1.1.3 采用電流源負(fù)載的共源級(jí) 對(duì)共源放大器，有DmRgAv=VDAR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：(a) MOS管的輸出阻抗很大。長(zhǎng)溝道器件可以提高增益(b

9、) 對(duì)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(c)對(duì)M1， 對(duì)給定的I值：擺幅增加1.1.4 工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源級(jí) 工作在深線性區(qū)的MOS器件的特性像電阻一樣,因此可以用來(lái)作為共源級(jí)的負(fù)載。)()/(122THPbDDponVVVLWCROX這種電路使M2的柵壓偏置在足夠低的電平，保證M2在全部輸出電壓擺幅范圍內(nèi)工作在深線性區(qū)。這個(gè)電路的主要缺點(diǎn)源于RON2對(duì)THPbOXpVVC,的依賴。因?yàn)樗鼈冸S工藝和溫度的改變而改變，而且產(chǎn)生一個(gè)能確的Vb會(huì)增加電路的復(fù)雜性。1.1.

10、5 帶源級(jí)負(fù)反饋的共源級(jí) 在模擬電路的八邊形的法則中我們可知道，線性化也是一個(gè)重要的考慮因素之一。 線性化是希望我們的變量和因變量之間是一種最簡(jiǎn)單的關(guān)系，即它們的增長(zhǎng)比例相同。也就是一種線性函數(shù)。 但我們知道漏電流和過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓是一種平方關(guān)系，如何讓他們也呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系呢？ 本節(jié)中是通過(guò)用一個(gè)負(fù)反饋電阻串聯(lián)在在晶體管的源端來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Vin增加，ID也增加，同樣在Rs上的壓降也會(huì)增加，換句話說(shuō)，輸入電壓的一部分出現(xiàn)在電阻Rs上，而不是作為柵源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓上，因此導(dǎo)導(dǎo)ID的變化變得平緩。從另一個(gè)角度看，Vout=VDD-IDRD, Vout與Vin的非線性源于ID與Vin 之間的非線性。而ID與

11、Vin之間的關(guān)系要是也偏向于線性就好了。所以現(xiàn)在我們就分析ID與Vin之間的關(guān)系。即等效跨導(dǎo)Gm的關(guān)系。并希望Gm接近于一個(gè)固定的值。Vout=VDD-IDRDId隨Vin的增加緩慢，而不再是平方律關(guān)系推導(dǎo)Gm：提高線性度的代價(jià)是，增益下降，擺幅下降。當(dāng)Rs為一個(gè)很大的值時(shí)，Gm是一個(gè)固定的值，正符合我們要求。也就是SinDRVI/這表明Vin的大部分變化落在Rs上。我們可以說(shuō)，漏電流是輸入電壓的線性函數(shù)。但它是以犧牲增益為代價(jià)的。利用小信號(hào)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。增益與跨導(dǎo)ro很大，則：式中：Av、Gm隨Vin變化：a)

12、 Vin很小時(shí)，M1 導(dǎo)通b) Vin增加時(shí)，c) Vin很大時(shí)，計(jì)算Av的等效方法從漏極結(jié)點(diǎn)看到的電阻阻以源極通路上（Vin=0）的總電阻。輸出阻抗：等效圖中忽略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考慮和一般情況下的增益。重寫(xiě)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。例：恒流源負(fù)載：恒流源的輸出阻抗無(wú)窮大，Rd可忽略結(jié)論：Av和Rs無(wú)關(guān)。因?yàn)镮o恒定，流過(guò)Rs的電流變化為零，導(dǎo)導(dǎo)Rs上的電壓沒(méi)有變化，等效為：1.2 源跟隨器 源跟隨器（共漏放大器）概念p 以M1漏極為基準(zhǔn)，以柵-漏電壓為輸入，以源-

13、漏電壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載。p 實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換其特點(diǎn)為：a) 能驅(qū)動(dòng)較小的輸出電阻。例，共源放大器的輸出跟一個(gè)源跟隨器。b) 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(hào)分析p當(dāng)VinVth時(shí)，M1 截止。p當(dāng)Vin增加,M1導(dǎo)通，得出Vout=Vin-Vthp因?yàn)轶w效應(yīng)，Vth隨Vout而改變，Av：電流偏置PMOS源跟隨器，可消阻體效應(yīng)所引起的非線性它使用兩個(gè)分離的n阱以消阻M1的體效應(yīng)，但P管的低遷移率導(dǎo)導(dǎo)它的輸出阻抗比N管的輸出阻抗更高。 輸入阻抗低頻時(shí)輸入電流為零，輸入阻抗無(wú)限大。 輸出阻抗直觀的：源跟隨器實(shí)現(xiàn)大阻抗到小阻抗的轉(zhuǎn)換源跟隨器的戴維南等效用電阻模擬gmb對(duì)源跟隨器成立戴維

14、南等效電路-分壓電路共柵級(jí) 在共源放大器和源跟隨器中，輸入信號(hào)都是加在MOS管的柵極。把輸入信號(hào)加在MOS管的源端也是可以的 。（a)直接耦合的共柵級(jí) （b）電容耦合的共柵級(jí) 共柵級(jí)大信號(hào)分析共柵級(jí)小信號(hào)分析（計(jì)入晶體管的輸出阻抗以及信號(hào)源的阻抗 ）D0|mVoutinIGVD0|mVoutinIGVD01|m omb omVoutinosm osmb osg rg rIGVrR g rR g rR |outoDRRR1() ommbosoRggr Rr/dmxxombxxsdinIg VVrg VVR IV /(1/)()(1 (1/)(1/)/(1/)/(1 (1/)dmxxombxmom

15、bsdindmombsmombindinmombmombsIg VVrg VgrgR IVIgrgRgrgVIVgrggrgR 共柵極增益D01|1m omb omVoutinosm osmb osm omb oog rgrIGVrR g rR grRg rgrR oosm osmb osRrR g rR grR|oDoutoDoDR RRRRRR111m omb ooDvmoutooDm omb om omb oDDoDosm osmb osDg rg rR RAG RRRRg rg rg rg rRRRRrR g rR g rRR 共柵極增益其輸出電阻1()ommbosom osRggrR

16、rg r R1m omb ovmoutDosm osmb osDg rg rAG RRrR g rR g rRR 0,1,1(),sm oom omb ovDmmbDosm osmb osDRg rrg rg rARggRrR g rR g rRRD當(dāng)并且R 時(shí)，與書(shū)上的3.100相符輸出阻抗與源極負(fù)反饋的共源極一樣|oDoutoDoDR RRRRRR共柵級(jí)輸入阻抗1 ()DOXinXmmbORrVRIggrroI.)mbogrm結(jié)果表明，當(dāng)在源端看輸入阻抗時(shí)，漏端的阻抗要阻以(g共源共柵級(jí)共源共柵級(jí)共源共柵級(jí)輸出阻抗電流源負(fù)載的共源共柵級(jí) 1222)(OOmbmoutrrggR1mmgG12

17、221()vmmmbOOAgggr r比電流源負(fù)載的共源級(jí)的增益增大了 倍222()mmbOggr所以經(jīng)常用共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)提高增益增加L與采用共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)提高增益的比較提高增益的兩種方法：1、采用共源共柵增大增益2、在給定的偏置電流情況下通過(guò)增大輸入晶體管的長(zhǎng)度來(lái)增大增益 假設(shè)共源級(jí)的輸入管的長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)的四倍而寬度保持不變 221THGSoxnDVVLWCI過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓增大為原來(lái)兩倍，晶體管消耗的電壓余度與共源共柵級(jí)相同 DDoxnOmIILWCrg12L1共源共柵級(jí)輸出阻抗 共源共柵結(jié)構(gòu)有兩種普遍應(yīng)用的例子：一是用來(lái)增加放大器的輸出阻抗，從而提高放大器的增益。二是構(gòu)成恒定的電流源，高的輸出阻抗意味著更好的電流源。共源共柵級(jí)輸出阻抗333433341()outPmmbOOOmOORggrrrgr r 222122211()outNmmbOOOmOORggrrrgr r 221334|outoutNoutPmOOmOORRRgr rgr r 11221334(|)(|)vmoutNoutPmmOOmOOAgRRggr rgr r 共源共柵級(jí)屏蔽特性屏蔽特性 共源共柵晶體管“屏蔽”輸入器件，使它不受輸出結(jié)點(diǎn)電壓變化的影響。這種共源共柵結(jié)構(gòu)的屏蔽特性在許多電路中很有用。 共源共柵級(jí)屏蔽特性屏蔽特性)()(2121221DSDSTHboxnD