CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器

2020/6/12
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共源级放大器
• 小信号等效分析
辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出 与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。
线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，可得，输出电压为-IoutRout， 定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。
1/
RS
gm gm
gmb
– 讨论
• 增益<1；
• 当Vin≈VTH时，增益从零开始单调增大； • 随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)， η= gm/gmb随
Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。
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共漏级放大器
• 讨论
– 即使源跟随器采用理想电流来偏置，输入输出特性仍呈现一些非 线性。
• 小信号分析
（考虑晶体管的输出电阻rO及信号的阻抗Rs）
– 增益
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– 输入阻抗
共栅级放大器
因为
有，
2020/6/1若2
则，
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共栅级放大器
– 输出阻抗
• 与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一 致。
因此，输出电阻，
Rout {[1 (gm gmb)rO ]Rs rO}|| RD
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共源共栅级放大器
– 输出阻抗
（考虑两管的沟道长度调制效应） 电路可以看成带负反馈rO1的共源级， 因此，
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共源共栅级放大器
– 讨论
• Rout≈（gm2＋gmb2）rO1rO2，可见M2将M1的输出电 阻提高了（gm2＋gmb2）rO2倍。
• 具有屏蔽特性。屏蔽输入器件，不受输出结点影响。
– 当Vin即一步减小，Vout也逐步减小， 最终M1进入线性区，此时，
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共栅级放大器
– 由大信号分析得到小信号增益
• 当M1处于饱和区时（忽略沟道长度调制）
因此，
而 得到，
讨论：增益是正值；
体效应使共栅极的等效跨导变大了；
2020/6/12 共栅极放大器的输入阻抗较小。
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共栅级放大器
Av
Vout Vin
gmRD 1 gmRS
RD 1 / gm RS
这里，没有考虑体效应 和沟道长度调制效应
增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。
线性化的获得是以牺牲增益为代价的。当gmRS>>1, AV≈RD/RS
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共源级放大器
– 考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小 信号模型为
若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电
202压0/6摆/12幅。
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共源级放大器
• 1.3 电流源负载的共源级放大器
考虑沟道长度调制，
– 讨论
• 获得更大的增益
• M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较 弱，因此对输出摆幅的限制较小。
表现的输出阻抗为
因此，
而Gm≈gm1，所以，电压增益近似等于
消耗较大的电压余度，采用共源共栅电流源的共源共栅放大器的 最大输出摆幅
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直流或低频下！
小结
小信号增益 输出电阻
输入电阻 摆幅 线性度
电阻负载
gm Rout
(RD || rO )
∞
共 二极管 源 负载
gm gm2 gmb2
Av 0
gm1 gm2
(W / L)1 (W / L)2
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Rout 1 / gm2
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– 讨论
共源级放大器
• 增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。 • 高增益要求会造成晶体管的尺寸不均衡。
例：为了达到10倍增益，
，则(W/L)1=50(W/L)2
• 允许的输出电压摆幅减小。
在这个例子中，M2的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的10倍。
• MOS管工作在饱和区时
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– 小信号分析
共源级放大器
Vin V1 gmV1 Vout / RD 0
• 考虑沟道长度调制时，
Av gmRD
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共源级放大器
– 讨论
• 增益对信号电平的依赖关系导致了非线性
增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。
– 将衬底和源连接在一起，就可以消除由体效应带来的非线性。对 于N阱工艺，可采用PMOS来实现。
– 源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。
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共栅级放大器
3、共栅级放大器
• 大信号分析
（Vin从某一个大值开始减少）
– 当Vin≥Vb－VTH时， M1处于关断状态，Vout＝VDD – 当Vin较小时，且M1处于饱和区，
诺顿定理：线性有源单口网络等效
电流源的恒流源等于有源单口网络 的短路电流，内阻等于网络中所有 独立源不激励时的端口电阻。
Gm? Rout?
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共源级放大器
– 计算Gm
（考虑沟道长度调制及体效应)
由于
，所以
2020/6/12 因此，
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– 计算Rout
共源级放大器
计算流经ro的电流,带入V1，得到： 得到 所以，
但是，
较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。
较高的VRD会限制最大电压摆幅。 若VRD保持常数，减小ID，则必须增大RD，导致更大的 输出节点时间常数。
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共源级放大器
• 1.2 MOS二极管连接做负载的共源级
– MOS二极管连接
二极管连接的阻抗为
• 考虑体效应时
二极管连接的阻抗为
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共源级放大器
– 增益
• NMOS二极管连接做负载
其中
• PMOS二极管连接做负载
没有体效应
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• 另一种二极管连接nmos管做负载的结构
– 优点？ – 缺点？
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• 另一种二极管连接nmos管做负载的结构
– 电流镜只采用nmos – 没有体效应 – 增益精确 – 好的PSRR – 两倍功耗
• 长沟器件可以产生高的电压增益。
• 同时增加W、L将引入更大的节点电容。
• ↑ID→ AV ↓
AV
2I D
1
(1 1)I D
1 ID
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共源级放大器
• 1.4 带源级负反馈的共源级放大器
– 小信号直接分析方法
Vin V1 gmV1gRs
讨论
Vout / RD gmV1 0
• 大信号分析
当Vin<VTH时，M1处于截止状态， Vout等于零；
Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱 和区；
Vin进一步增大， Vout跟随Vin的变化， 且两者之差为VGS。
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Hale Waihona Puke Baidu
• 小信号分析
考虑体效应
共漏级放大器
Vout
/ Vin
g m RS
/ [1 (gm
gmb )RS )
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（与器件尺寸、RD及Vb有关）
共源共栅级放大器
• 小信号分析
– 增益
两个集体管均工作在饱和区； 若λ＝0，由于输入管产生的漏 电流必定流过整个共源共栅极 电路，所以，
Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin
而V1=Vin，所以
Av=Vout/Vin=-gm1RD •当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增 益与共源级放大器的电压增益相同。
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共源共栅级放大器
4、共源共栅级放大器
• 偏置条件
使M1，M2都处于饱和区，
• 大信号分析
– Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态， Vo值ut=导VD通D，）且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚阈
– Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降， Vx下降。
2020/6–/12如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。
• 根据线性电路电压增益等于-GmRout，增大Rout可以 提高增益。
• 例子：
粗略计算，
，
得到
精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。
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共源共栅级放大器
讨论（续）
可用来构成恒定电流源。 高的输出阻抗提供一个接近理想的电流源。 采用PMOS的共源共栅结构，电流源的
忽略λ
1 gm2 gmb2
忽略λ
∞
级
gm RD
带源级 负反馈
1 gm Rs
忽略λγ
{[1 (gm gmb)Rs ]rO Rs} || RD
∞
共漏极
（电流源负载）
gm
1
gm gmb
忽略λ
1
gm gmb
忽略λ
∞
共栅极
(gm gmb )RD
忽略λ
{[1 (gm gmb)rO ]Rs rO}
RD rO
|| RD
1 (gm gmb )rO
共源共栅级
2020（/6电/1流2 源负载）
gm1 (gm2 gmb2)rO2rO1
(gm2 gmb2 )rO2rO1
∞
－
小 －
小 － 小
－
较好 好
差 － － 36
小结
电路仿真是必不可少的！
不要让计算机替你去思考！
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输出电阻增大！
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– 计算Av
共源级放大器
Av=-Gm(Rout||RD)
gm RD
(RD RS ) / rO 1 ( gm gmb )RS
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若忽略rO和gmb的影响，即rO→∞和gmb=0,
Av
gmRD 1 gmRS
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共漏级放大器
2、共漏级放大器（源跟随器）
CMOS模拟集成电路设计
单级放大器
提纲
提纲
• 1、共源级放大器 • 2、共漏级放大器（源跟随器） • 3、共栅级放大器 • 4、共源共栅级放大器
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2020/6/12
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共源级放大器
1、共源级放大器
• 1.1 电阻做负载的共源级放大器
– 大信号分析
cutoff active triode