第3章 单级放大器1
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7
3.2 共源级
小信号分析
考虑沟道长度调制时，
2019/1/28
共源级放大器
8 8
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。
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，假如VDD-VRD=Vin-VTH。 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,RC电路充放电时间常数。因此体现了增益、带宽、电压 摆幅之间的关系
讨论： （1）Vin增加，VOut减小 （2）M1在饱和区的条件是VOut =VDS＞Vin-Vth
5
3.2 共源级
c) 当Vin继续增大，有 Vout =VDS ＜ Vin-Vth， M1进入线性区。
Vo VDD RKN 2(Vi Vth )Vo Vo2
VDD R Vo
Vi
M1
d) 当Vin足够高, Vout =VDS ＜ ＜ Vin-Vth，
其中
PMOS二极管连接做负载
没有体效应
2019/1/28
共源级放大器
14 14
3.2 共源级
增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大 时引入非线性
Vout Vin* g m * R D
Vin
VDD RD Vout M1
如果gm是恒定的，那么输入输出满足线性关系。事实 上gm是随Vin线性变化的。因此引入2次非线性
2.3 MOS器件模型-MOS小信号模型
请画出下wk.baidu.com的小信号模型
1
第五讲
2
3.2 共源级
共源放大器
VDD R Vo
所谓共源放大器是指输入输出回路中 都包含MOS管的源极，即输入信号从 MOS管的栅极输入，而输出信号从MOS 管的漏极取出。 根据放大器的负载不同，共源放大器 可以分为两种形式： 无源负载共源放大器 有源负载共源放大器。
大信号分析（直流分析）
考虑Vin从小到大变化
a) 当Vin＜Vth1时，ID=0,则Vout＝VDD-Vth2；
VDD M2 Vout Vin M1
b) 当Vin＞Vth1时，M1、M2管饱和
有：
c) 当Vin＞Vout+Vth1时，M1进入线性区。
18
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
2019/1/28 共源级放大器 9 9
3.2 共源级
电阻负载的缺点
不能精确控制电阻值 电阻值不能大，会导致摆幅下降 电阻的面积大������
VDD RD Vout
改进方法
采用MOS器件为负载 二极管接法 电流源 线性区MOS器件
Vin
M1
10
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
VDD R
cutoff active triode
Vo VDD
Ron Ron R
Vo Vi M1
6
VDD 1 2 K N R(Vi Vth )
Ron
3.2 共源级
MOS管工作在饱和区时，通过直流分析有
VDD RD Vout
Vin
M1
增益随Vin的线性增加，即当输入信号摆幅较大 时引入非线性
Vi
M1
图1 无源负载
VDD L C Vo Vi M1
图2 无源负载
3
电阻负载共源放大器 3.2 共源级
两种分析方法：
大信号分析
直流传输特性分析 直流偏置点分析
Vi
M1 VDD R Vo
小信号分析
直流偏置点附近的小信号分析
4
电阻负载 3.2 共源级
大信号分析（直流分析）
考虑Vin从小到大变化
a) 当Vin＜Vth时，ID=0,则Vout＝VDD；
Vin
VDD RD Vout M1
b) 当Vin＞Vth时，VOut=VDS>Vin-Vth,M1管饱和
有：
cutoff active triode
VOut=VDD-IDRD VOut=VDD-KN(Vin-VTH)2*RD
20
3.3 电流源负载的共源级放大器
电阻、二极管连接MOS管负载的缺点
提高增益，增大负载电阻，会限制输出电压摆幅
VDD RD Vout
Vin
M1
假设ID不变
21
3.3 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。
对Vin微分求Av
19
讨论
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， 允许的输出电压摆幅减小。 ，则(W/L)1=50(W/L)2
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。 若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出 电压摆幅。 2019/1/28 20 共源级放大器
输出摆幅的比较
2019/1/28
共源级放大器
22 22
3.3 电流源负载的共源级放大器 考虑沟道长度调制，
讨论
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 ↓ 1 1 AV 2 I D (1 1 ) I D ID
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接
考虑体效应时
+
V1 gmV1 I V + ro gmbVbs
KVL: V1=-V KCL:I=V/ro-gmv1-gmbVbs I=V/ro+gmv+gmbv
二极管连接的阻抗为
-
-
2019/1/28
共源级放大器
13 13
增益
NMOS二极管连接做负载
ID gm VGS
nCox W (VGS VTH ),饱和区时 L
VDS cons tant
15
MOS管电阻总结
ro
有源电阻
M1
M1
D G M1
D
ro
1 gm
S
1 gm
VGS
VGS
S
G S
M1
该结论同样可以扩展到PMOS管够成的电路
16
第六讲
2011.3.30，创104
17
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级 以二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接(两端电阻相似的小信号特性）
二极管连接的阻抗为
2019/1/28
共源级放大器
11 11
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接
电阻多大
KVL: V1=-V KCL:I=V/ro-gmv1 I=V/ro+gmv
2019/1/28
二极管连接的阻抗为
共源级放大器
12 12
3.2 共源级
小信号分析
考虑沟道长度调制时，
2019/1/28
共源级放大器
8 8
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。
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，假如VDD-VRD=Vin-VTH。 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,RC电路充放电时间常数。因此体现了增益、带宽、电压 摆幅之间的关系
讨论： （1）Vin增加，VOut减小 （2）M1在饱和区的条件是VOut =VDS＞Vin-Vth
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3.2 共源级
c) 当Vin继续增大，有 Vout =VDS ＜ Vin-Vth， M1进入线性区。
Vo VDD RKN 2(Vi Vth )Vo Vo2
VDD R Vo
Vi
M1
d) 当Vin足够高, Vout =VDS ＜ ＜ Vin-Vth，
其中
PMOS二极管连接做负载
没有体效应
2019/1/28
共源级放大器
14 14
3.2 共源级
增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大 时引入非线性
Vout Vin* g m * R D
Vin
VDD RD Vout M1
如果gm是恒定的，那么输入输出满足线性关系。事实 上gm是随Vin线性变化的。因此引入2次非线性
2.3 MOS器件模型-MOS小信号模型
请画出下wk.baidu.com的小信号模型
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第五讲
2
3.2 共源级
共源放大器
VDD R Vo
所谓共源放大器是指输入输出回路中 都包含MOS管的源极，即输入信号从 MOS管的栅极输入，而输出信号从MOS 管的漏极取出。 根据放大器的负载不同，共源放大器 可以分为两种形式： 无源负载共源放大器 有源负载共源放大器。
大信号分析（直流分析）
考虑Vin从小到大变化
a) 当Vin＜Vth1时，ID=0,则Vout＝VDD-Vth2；
VDD M2 Vout Vin M1
b) 当Vin＞Vth1时，M1、M2管饱和
有：
c) 当Vin＞Vout+Vth1时，M1进入线性区。
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3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
2019/1/28 共源级放大器 9 9
3.2 共源级
电阻负载的缺点
不能精确控制电阻值 电阻值不能大，会导致摆幅下降 电阻的面积大������
VDD RD Vout
改进方法
采用MOS器件为负载 二极管接法 电流源 线性区MOS器件
Vin
M1
10
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
VDD R
cutoff active triode
Vo VDD
Ron Ron R
Vo Vi M1
6
VDD 1 2 K N R(Vi Vth )
Ron
3.2 共源级
MOS管工作在饱和区时，通过直流分析有
VDD RD Vout
Vin
M1
增益随Vin的线性增加，即当输入信号摆幅较大 时引入非线性
Vi
M1
图1 无源负载
VDD L C Vo Vi M1
图2 无源负载
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电阻负载共源放大器 3.2 共源级
两种分析方法：
大信号分析
直流传输特性分析 直流偏置点分析
Vi
M1 VDD R Vo
小信号分析
直流偏置点附近的小信号分析
4
电阻负载 3.2 共源级
大信号分析（直流分析）
考虑Vin从小到大变化
a) 当Vin＜Vth时，ID=0,则Vout＝VDD；
Vin
VDD RD Vout M1
b) 当Vin＞Vth时，VOut=VDS>Vin-Vth,M1管饱和
有：
cutoff active triode
VOut=VDD-IDRD VOut=VDD-KN(Vin-VTH)2*RD
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3.3 电流源负载的共源级放大器
电阻、二极管连接MOS管负载的缺点
提高增益，增大负载电阻，会限制输出电压摆幅
VDD RD Vout
Vin
M1
假设ID不变
21
3.3 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。
对Vin微分求Av
19
讨论
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， 允许的输出电压摆幅减小。 ，则(W/L)1=50(W/L)2
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。 若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出 电压摆幅。 2019/1/28 20 共源级放大器
输出摆幅的比较
2019/1/28
共源级放大器
22 22
3.3 电流源负载的共源级放大器 考虑沟道长度调制，
讨论
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 ↓ 1 1 AV 2 I D (1 1 ) I D ID
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接
考虑体效应时
+
V1 gmV1 I V + ro gmbVbs
KVL: V1=-V KCL:I=V/ro-gmv1-gmbVbs I=V/ro+gmv+gmbv
二极管连接的阻抗为
-
-
2019/1/28
共源级放大器
13 13
增益
NMOS二极管连接做负载
ID gm VGS
nCox W (VGS VTH ),饱和区时 L
VDS cons tant
15
MOS管电阻总结
ro
有源电阻
M1
M1
D G M1
D
ro
1 gm
S
1 gm
VGS
VGS
S
G S
M1
该结论同样可以扩展到PMOS管够成的电路
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第六讲
2011.3.30，创104
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3.2 MOS二极管连接做负载的共源级 以二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接(两端电阻相似的小信号特性）
二极管连接的阻抗为
2019/1/28
共源级放大器
11 11
3.2 MOS二极管连接做负载的共源级
MOS二极管连接
电阻多大
KVL: V1=-V KCL:I=V/ro-gmv1 I=V/ro+gmv
2019/1/28
二极管连接的阻抗为
共源级放大器
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