131011第03章 单极放大器01
单级放大器
①
精确程度取决于匹配。
电流源电路
1 rout = 小信号输出阻抗： λI out
等效电路：
i
没有电流流过 1/gm
1
gm
v gs 2
g m 2 v gs 2
rds 2 v x
∴ v gs 2 = 0 vx 1 ∴ rout = = rds 2 = i λI out
例：
若rds 2 = 100kΩ, ΔV = 0.5V ΔI out = 0.5V / 100kΩ = 5μA
Q I 3 ≈ I ref •
(W L )3 (W L )1 (W L )3 (W L )4 = I ref • = αI ref (W L )1 (W L )3
(W L )4 I 4 = I3 • (W L )3
放大器的基本概念
放大器的输入输出特性在一定信号范围内可表示为：
y (t ) = a0 + a1 x(t ) + a2 x 2 (t ) + .....
I out
Id AC DC
W 1 2 = μ nCox (VGS − VTH ) L 2 =
β
2
(VDS − VTH )2
2I D
VDS = VGS = VT +
Vds
β
分压电路
V G D
①
g mV
g mbVbs
S
ro
若 V =0 bs
Rout
v V = = i g mV + V = 1 gm + 1 ro
mb 2
g m1 1 AV = − g m1 RD = − gm2 1 +η
AV = −
W Q g m = 2 μnCox I D L
第三章 单极低频小信号放大器
课题3.1~3.2放大器的基本概念课型新课授课班级17机电授课时数 2教学目标1．了解扩音机的方框图，知道放大器的放大倍数，会计算增益2．了解单级低频小信号放大器的基本组成，明确电路中电压电流符号法则等3．理解设置静态工作点的作用教学重点静态工作点的作用教学难点增益和静态工作点学情分析学生已经了解三极管的基本特点及作用教学方法讲解法、读书指导法、讨论法教后记通过本次课的学习，学生对三极管的作用已有了一个基本认识，同时也能通过读图利用公式进行计算三极管的静态工作点和增益，但对于增益的求解还存在一些困难，主要是因为学生在对数学习这一块掌握不是很好A ．引入在电子线路中，能将微弱的电信号放大，转换或较强的电信号的电路，称为放大器。
B ．新授课3.1 放大器的基本概念3.1.1 放大器概述 一、晶体三极管的基本结构 1．方框图2．特点 放大器：1 输出功率比输入功率大。
2 有功率放大作用。
变压器的输入功率与输出功率相同，因此不能称为放大器。
3.1.2 放大器的放大倍数 一、放大倍数的分类 1．电压放大倍数A vio v v A v =2．电流放大倍数A iioi i A i =3．功率放大倍数A pv i p A A V I V I P P A ⋅===ii oo o 1 二、放大器增益放大倍数较大，可取对数，称为增益Ｇ。
单位为分贝（用dB 表示）。
1．功率增益G p = 10 lg A p （dB ） 2．电压增益G v = 20 lg A v （dB ） 3．电流增益G i = 20 lg A i （dB ） 例题：1．放大电路第一级40 dB ，第二级 -20 dB ，求总的增益，（学生思考：变压器是否是放大器）（教师画电路图，讲解放大器的基本工作原理）（师生共同得出结论：变压器不是放大器）（教师讲解电压放大倍数，学生探讨研究电流和功率的放大倍数）（教师讲解放大倍数的增益表示法，学生练解：总的增益为(40- 20) dB = 20dB2．电压放大倍数为1 000，电流放大倍数为100，功率放大倍数为多少？解：G p= 10 lg (1000 ⨯ 100 ) = 50 dBG v= 20 lg1 000 = 60 dBG i= 20 lg100 = 40 dB3．第一级电压放大倍数为0.01，第二级为1 000，求总放大倍数和增益。
131101第03章 单极放大器03 - 副本 (2)..
体效应使源跟随器的 输出电阻减小了！
电子工程学院
源极跟随器的输出电阻(例)
习题2.2：W/L=50/0.5，ID=0.5mA，求gm
g mNMOS 2μ C R outNMOS
W n ox L
ID 3.66 mA/V
若是PMOS管，该值还会增 加近乎1倍
1 1 273Ω g m 3.66
M1体效应 的等效电 阻
1 ||ro 1||ro 2 || 1 gmb1 gm2 gmb2 //r01 Av 1 1 1 g mb1 M1体效应 ( ||ro 1||ro 2 || ) gmb1 gm2 gmb2 gm1 的等效电
阻
1
源跟随器与共源放大器的级联
用作电平移动的源跟 随器会消耗电压余度 减小输出摆幅
（VDS< Vgs - VTH）
条件:Vin<VDD
电子工程学院
源极跟随器的输出电阻-体效应的影响
V1 VX
电流源的大小和它两端的压降成正比 体效应等效于在输出端接了一个电阻 1/gmb——这仅对源跟随器是正确的！
IX g m VX g m bVX 0
VX 1 1 1 Ro u t || IX g m g m b g m g m b
Ch. 3|RL gmb
此 项 始 终 不 变
例3.8：计算下图电路的电压增益AV λ1≠ 0, λ2 ≠ 0 γ1≠0, γ2≠0
输出端视在输入 阻抗
Av
RS 1/gm R S
从M2源端看进去的 阻抗为：
1 //r02 g m2 + g mb2
从M1源端看进去的 阻抗为：
源级跟随器小结
1. 2. 3.
单级放大器的实验报告
电子线路实验报告题目：单级放大电路实验第一部分：multisim仿真一：仿真模型的建立过程1)启动multisim 10.0，在place中点击component的元件库中，将电路所需的元件（信号源[ac power]，直流电源[vcc],三极管[BJT NPN],电阻[resistor],滑线变阻器[potentiometer],电容[cap electrolit]，地端[ground])一一调用，放工作区中。
2)将放置好的元件移动，旋转，然后，按照位置适当的连接完成。
3)在已经连接好的电路中选中一个元件，单击左键，在出现的快捷菜单中，选择属性[properties],在打开的页面中修改元件的参数，选择适当的参数来保证下面的仿真工作顺利进行。
4)最后在操作界面顶端的工作菜单中，点击选项[options],选择sheetproperties,在打开的对话界面中，在Net Name 栏中，选择show all 选项，是电路中每条线路上都显示标号，以便仿真与电路的修改。
5) 完成后的单级放大电路的multisim原理图如下所示。
图1-1二：实际操作中的错误错误最开始仿真过程无法进行，万用表测量值为负值，不符合实际中的电压情况，没有实现放大的功效。
原因在绘制multisim原理图时，忽略了节点的作用，在分压偏置的两个R1，R2中间，没有节点，没有完成正常的分压偏置作用。
三：电路原理分析1)电路中必须根据放大管的类型加入合适的直流电源，以便设置合适的静态工作点，并且作为输出的能源。
对于晶体管放大电路，电源的极性和大小要保证发射结的正向偏置，且基极与发射极之间的静态电压要大于开启电压，保证晶体管导通，集电结要处于反向偏置，保证晶体管工作在放大区。
2)电阻的取值要得当，与电源相配合，是放大管有合适的静态工作点。
3)加入输入信号时候，要能够作用输出回路，改变基极和发射极之间的电压，从而改变基极或发射极的电流。
单级低频小信号放大器说课PPT课件
9. 布置课外作业---2′。.
16
作业 书P50 习题3第 3-8 小题
.
15
八、时间安排
1. 组织教学---2′；
2. 温习提问---3；
3. 新课导入---2′； 4.单管共发射极放大电路---6′； 5.电路中电压和电流符号写法的规定---5′； 6.放大器的静态工作点---10′；
7.案例分析---5
8. 小结归纳---5′；
2.放大器的放大倍数有哪几种？
电压放大倍数（Av=vo/vi），电流放大倍数(Ai=io/ii)，功率放大倍数 Ap=Po/Pi=I压、电流、功率增益公式？
电压增益：Gv=20lgAv（dB）
电流增益：Gi=20lgAi（dB）
功率增益：Gp=10lgAp（dB）
Ib、Ibm分别表示基极正弦电流有效值和峰值
.
10
三、放大器的静态工作点
1.静态
当放大电路没有输入信号时的工作状态
2.静态工作点
静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作 状态，这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上一个确 定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q ，设置静态工 作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时， 不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置，集电 结反向偏置的三极管放大状态
.
12
5.直流通路
6.计算公式
IBQ=EC-VBEQ / RB （VBEQ硅管0.7V，锗管0.3V） ICQ=BIBQ VCEQ=EC-ICQ*RC
.
13
7.例题讲解（同学做，老师辅导，讲解） 见书P47.
.
14
七、总结、布置作业
本次学习，我们主要学习了单极低频小信号放大器的单管 共发射极放大电路组成及其各个元件的作用，讲了电路中 电压和电流符号写法的规定，还讲了放大器的静态工作点， 使同学知道了为什么要设置静态工作点，静态工作点的作 用，及其静态工作点的计算。
第三章 单级放大器
电流源电路
放大器的基本概念
放大器的输入输出特性在一定信号范围内可表示为：
在一个足够窄的范围内：x的变化很小
输出随输入增量变化是线性的。
放大器的基本概念
模拟电路需要考虑的八大参数 模拟电路设计需要考虑的八个参数： gain, linearity, noise, power dissipation, input/output impedance, speed, voltage swing and supply voltage. 本章重点分析参数: gain, input/output impedance, 涉及 linearity, voltage swing and voltage supply 八大参数互相制约，优化的折中方案。
单级放大器
Chapter3
单级放大器
本章主要内容： 直流偏置 分压电路 电流镜电路 单级放大器 共源放大器 源跟随器 共栅放大器 共源共栅放大器 大信号特性：偏置状态，输入、输出动态范围 小信号特性：增益，输出电阻，输入电阻。
分压电路
分压电路
分压电路
分压电路
分压电路
电流源电路
电流源电路
共源放大器
共源放大器
VDD RD Vin M1 Vout
B VDS’
45
Vout
A
0
Vi
n=
VD
S+
VT
VT
Vin=VDS’+VT
Vin
大信号分析： 饱和区--Triode区分界点:过Vin轴上Vin=VT点做45℃斜率直线交 于Vout-Vin转移特性曲线于B点,B点满足Vin=VDS+VT, Vin超过 VDS’+VT, MOS器件进入Triode区.
第三章 单级放大器
要获得10倍的增益，M2的过驱动电压必须是M1的十倍。若M1的 过驱动电压为200mV，M2的阈值电压为-0.7V的话，那么
VSG2 = 2.7V
这将严重制约输出电压的摆幅。
CMOS模拟集成电路设计 第三章 单级放大器
CMOS模拟集成电路设计 第三章 单级放大器
Copyright 2013 Zheng Ran
11
3.2 共源级放大器
若考虑沟道调制效应，计算前述共源级的小信号增益。
W 1 RD rO Vout = VDD − RD unCox (Vin − VTH ) 2 (1 + λVout ) ⇒ Av = − g m 2 L RD + rO rO = 1 /(λI D )
引入恒流源阻抗为无穷大，因此其小信号增 益为其本征增益。 恒流源控制流过器件的电流，小信号Vin如 何作用呢?根据
1 W I D1 = u nCox (Vin − VTH ) 2 (1 + λVout ) = I1 2 L
Vin增大，Vout必定减小以保持乘积为常数。
CMOS模拟集成电路设计 第三章 单级放大器 Copyright 2013 Zheng Ran
CMOS模拟集成电路设计 第三章 单级放大器 Copyright 2013 Zheng Ran 16
3.2 共源级放大器
g m1 g m1 1 1 Av = − g m1 ( || ro1 ) ≈ = gm 2 + gmb2 gm 2 + gmb2 gm 2 1 + η
又可得到
Av = − 2un Cox (W / L)1 I D1 1 (W / L)1 1 =− 2un Cox (W / L) 2 I D 2 1 + η (W / L) 2 1 + η
共射单极放大电路工作原理
共射单极放大电路工作原理
共射单极放大电路是一种常见的电子放大器电路，其工作原理如下：
1.输入信号：
输入信号通过耦合电容C1进入基极端口，并在基极-发射极之间形成输入回路。
由于发射极和集电极间连接的电阻(RE)的作用，基极电压相对于发射极电压存在一个相位差。
2.偏置电压：
偏置电路（通常由二极管、电阻和电源组成）产生一个稳定的偏置电压，将集电极极化到适当的工作点，使得晶体管工作在放大区。
这个偏置电压有助于确保晶体管在正向工作区域。
3.放大过程：
当输入信号为正半周时，输入电流从基极流向发射极，导致发射极电流增加。
由于发射极和集电极间存在电阻，因此集电极电流也会相应增加。
这样，输出电压经过集电极电阻(RC)放大。
4.输出信号：
输出信号通过耦合电容C2从集电极提取出来，并连接到负载
电阻RL。
由于集电极电流的变化，输出电压也会随之变化。
输出信号约为输入信号的放大倍数，放大倍数由集电极和发射极电阻的比值决定。
总结：
共射单极放大电路借助晶体管的放大特性，将输入信号放大到
较大的输出信号。
通过适当的偏置电网络，可以确保晶体管在放大区工作。
同时，由于存在电阻网络，使得输入和输出信号有一定的相位差，需要在设计中进行合理补偿。
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采用电阻负载的共源级 采用二极管负载的共源极 采用电流源负载的共源极 采用工作在线性区的MOS为负载的共源极 带源级负反馈的共源极
电子工程学院
采用电阻负载的共源级(CS)
Ch. 3 # 12
采用电阻负载的共源极
采用电阻负载的共源极： 借助自身的跨导，MOS管 可以将栅-源电压的变化转 换成小信号的漏极电流， 小信号的漏电电流流过电 阻就会产生输出电压。
(a)
对于图(a)、(同 、 (a) (b)
Vx 1 1 ||ro Ix gm gm b gm gm b
对于图(c)
VX R D + r0 RD 1 = ≈ + IX 1+(g m + g mb )r0 (g m + g mb )r0 g m + g mb
信号太小： 不能驱动负载 不能克服后继噪声 不能为数字电路提供逻辑电平 本章主要讨论：CMOS单极放大器的低频特性 简化的目的：采用适当的近似来建立复杂电路的简单 模型
模拟电路设计的八边形法则
放大器参数选择
功耗、电源电压、线性度、噪声和 最大电压摆幅、输入输出阻抗
#4
电子工程学院
电子工程学院
模拟设计的小信号概念(1)
(1 + gmr0 )VX = (r0 + RD + gm RDr0 )I X
r0 RD g m r0 RD VX Rin IX 1 g m r0 1 RD RD g m g m r0
gmR0>>1
例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
Vgs = -VX
VX = (IX + gmVgs )r0 + IX RD (IX - gmVX )r0 + IX RD
易观察到的两个问题：
•放大器增益最大可达到多少？
•输出电压摆幅最大为多少？
电子工程学院
Ch. 3
增益的计算
Δy = f(x0 +Δx)- f(x0 )≈f(x0 )Δx
Δy A= = f(x0 ) Δx
考虑饱和区，根据其斜率考虑小信号增益 f（x）
Vout VDD I D RD VDD RD
W ox L
VRD ID
1 1 = (10~ 30) >> gm gm
1 1 r0 // ≈ gm gm
Ch. 3 # 22
电阻负载CS放大器设计参数的制约关系
A v g m R D 2μ C
W n ox L
IDR D Av 2μ C
W n ox L
VR D ID
•增益AV与W/L、ID、RD(VRD)三个参数有关。 •若保持ID、RD为常数， W/L↑，AV ↑，但MOS管寄生电容↑，高频相应(放 大器的f3dB↓)变差。 •若保持为ID、 W/L常数， RD↑，AV ↑，这意味着VDS ↓，放大器静态工作点下 移，输出电压的摆幅↓。 •若保持W/L、VRD不变，ID ↓， AV ↑，这意味着RD ↑，版图面积↑，电阻噪声 ↑，放大器速度↓(输出节点时间常数RC ↑)，沟道调制效应的影响↑ (r0与RD更 接近)。 •总之，若为提高增益而使 RD↑，就会导致输出电压的摆幅↓，版图面积↑，电 阻噪声↑，放大器速度↓，因此电阻复杂CS放大器一般不常用 。
注意该值(|vgs(t)| 0.1V)比BJT相对与VBE
= 0.7V的|vbe(t)| 10mV大得多,这是因为Id 与Vgs成平方关系,而Ic与Vbe成指数关系, Ic=f(vbe)曲线比 Id=f(vgs)曲线陡峭得多。
Ch. 3 # 8
电子工程学院
MOS管的小信号电阻r0
0.005λ0.03[V-1]
电子工程学院
共源极
• • • • •
采用电阻负载的共源级 采用二极管负载的共源极—工作在饱和区MOS 采用电流源负载的共源极 采用工作在线性区的MOS为负载的共源极 带源级负反馈的共源极
二极管连结MOS管的工作状态
（精确制作电阻比较困难，可以用MOS管来代替.将栅极和漏 极短接，相当于一个小信号电阻）
电子工程学院
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
Av = -gm ro||RD
NMOS负载时，考虑等效输出阻 抗,λ≠0，γ≠0
1 Av gm 1 ( ||ro 1||ro 2) gm 2 gm b 2
Rin=(1/gm2)//r02
PMOS负载时，考虑等效输出 阻抗, λ≠0，γ=0 1 Av g m 1( ||ro 1||ro 2 ) gm 2
Vout VDD I D RD VDD RD
nCoxW
2L
(Vin VTH ) 2
（3）三级管区：输入电压Vin增大至Vin1 =Vout +VTH ， M1工作在线形区，此区跨导会下降。（不希望出现）
采用电阻负载的共源级(CS)
V0
斜率(即增益)最大为多少？
为摆 输 多幅 出 少最 电 ？大 压 静态工作点 Vin
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二极管连接的MOS管的小信号等效电阻
二极管连接的MOS管从源极看进去的 小信号等效电阻： （b：衬底）
Vx (gm gm b)Vx Ix ro
常 用 公 式
Vx 1 1 ||ro Ix gm gm b gm gm b
考虑体效应，从源级看过来，阻抗减小
二极管连接的MOS管小信号阻抗
电子工程学院
Ch. 3
电子工程学院
MOS二极管连接负载的共源极（ λ＝0 ）
η gm b 2 / g m 2
Rin≈1/(gm2+gmb2)
1 gm 1 1 Av gm 1 gm 2 gm b 2 gm 2 1 η
(W/L) 1 1 Av (W/L) 2 1 η
时
模拟CMOS集成电路设计： 间：2009年12月10日
韩 可 电子工程学院
Email: hanke@ Tel : 62283724
第3章单级放大器
• • • • •
3.1 基本概念 3.2 共源级 3.3 源跟随器 3.4 共栅极 3.5 共源共栅极
为什么要放大
MOS管二极管连结并导通时,Vg=Vd,显然,不论 是NMOS还是PMOS管,均工作在饱和区
Ch. 3 # 25
求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
Vgs = VX - I X RD VX = (I X - g mVgs )r0 + I X RD
(I X + g m RD I X - g mVX )r0 + I X RD
Rin ≈ 1/gm2
n (W/L)1 Av p (W/L)2
(后面讲述推导)
增益与偏置电流无关，即输入与输出 呈线性(大信号时也如此！) 问题:ID10时，M2是工作在饱和区还是线性区?
MOS管的交流电流分量为:
? 1 W 1 W 2 W W 2 id k n ' (VG S VT H )vg s k n ' v g s k n ' (VG S VT H)vg s k n ' v g s L 2 L L 2 L
小信号的假定条件:
|vg s| 2(V GS V T H)
VDS >Vgs - VTH
MOSFET的跨导gm
跨导：漏电流的变化量除以栅源电压的变化量
gm = I D VGS
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
含义：跨导越大，VGS微小的变化也会引起漏电流产生 很大的变化. 器件进入三极管区,跨导下降 跨导是MOS管固有的衡量指标
跨导：漏电流的变化量除以栅源电 压的变化量。
Ch. 3 # 6
电子工程学院
模拟设计的小信号概念(3)
MOS管总电流为:
1 W 1 W 2 iD ID id k n ' (vG S VT H ) k n ' (VG S v g s VT H )2 2 L 2 L 1 W W 1 W 2 2 k n ' (VG S VT H ) k n ' (VG S VT H )vg s k n ' v g s 2 L L 2 L
VA 1 ro ID λ ID
1 W 2 iD (μ n C o x ) (vG S VT H ) (1 λv D S ) 2 L
Ch. 3 # 9
第3章单级放大器
• • • • •
3.1 基本概念 3.2 共源级 3.3 源跟随器 3.4 共栅极 3.5 共源共栅极
共源极
• • • • •
电子工程学院
电子工程学院
电阻负载共源级的ID(Vin)、gm（Vin）
VinA
VinA-VT
VinA-VT A
M1在饱和区
gm=β(Vgs-VT)
M1在线性区
gm=βVDS 临界饱和点A
电子工程学院
例3.1 M1漏电流和跨导与输入电压Vin的函数关系
Vin>VTH，漏电流显著增大
跨导：饱和区增大，三极管区迅速减小
nCox W 2 ID = [2(VGS - VTH )VDS - VDS ] 2L
W g m nCox VDS L
采用电阻负载的共源极
将不同的I/V特性代入得到(b) 图曲线： （1）截止区：输入电压Vin从0 开始增大,但小于阈值电压， M1截止，输出电压Vout为VDD （2）饱和区：输入电压Vin增 大至VTH ，M1开始导通，RD有 电流流过，输出电压Vout小于 VDD