模拟CMOS集成电路设计 第3章 单级放大器..

I D1 1 2 n Cox Vin VTH 1 Vout 2
Vin , 0,Vout
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，工艺上不好制 造 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
=
Ron Ron RD
V DD W 1 n C ox R D Vin VTH L

Vout 2Vin VTH
工作在线性区时跨导会下降，所以我们通常要确保 根据饱和时的公式我们可求出小信号增益
Vout VDD RD 1 W n C ox Vin VTH 2 L
Av= g m RD
Av 2 n Cox V W I D RD L ID
Av 2 n C ox
W V RD L ID
������ 增大W/L；器件电容增加。 ������ 增大VRD；输出摆幅减小。 ������ 减小ID；RD增加，输出节点的时间常数增加。
沟道长度调制效应
采用NMOS负载，存在体效应 忽略沟道调制，将：
VX 1 RD= g m g mb IX

代入
Av= g m RD
得到：
M1
Av
其中
= g m1
gm2
g m1 1 1 = gm2 1 g mb 2
gmb 2 gm2
2 n Cox W L 1 I D1
概念： M1的栅源之间输入电压信号Vin，通过NMOS的跨导放大，在漏极得到一 个小信号电流。电流通过负载电阻产生电压输出。输入栅源电压，输出栅漏 电压������ 共源放大。 (1)如果输入电压从零开始增大,M1截止, VOUT=VDD。 （2）Vin增大到超过并接近VTH时，M1饱和
Vout VDD RD 1 W n C ox Vin VTH 2 L
gm , RD Av
gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。
小信号分析
Vout g mVin 0 ro // RD
Vout g m (ro // RD ) Vin
很容易得到增益： Av
gm (ro // RD )
g m r0 RD r0 RD
输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流
2
W Vout Vin VTH = g m RD R C = Av D n ox L Vin
增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大时引入非线性
跨导随输入电压的变化
饱和区
I D gm VGS
= nCox 线性区
W VGS VTH L
增益最大化
使用近似公式； I D 1 2 n Cox W LVin VTH 2
Av g m RD RD I D Av
g m RD Av 1 RD I D
再根据 ro
1 I D
结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。
g rR Av m 0 D gm (ro // RD ) r0 RD
2
共源级电路
当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 Vin 比 Vout高出 VTH 即在下图中的A点，在A点满足：
Vin1 vTH VDD RD 1 W n C ox Vin1 VTH 2 L
2
从上式可以计算出Vin1-VTH,并进一步 计算出Vout
3.2.2 采用二极管连接的负载
• 在CMOS工艺中，制造一个有精确阻值和物理尺寸的电阻 是很困难的 。所以常常要求用一个MOS管来代替图3.3 (a) 中的RD。
VX IX
Vx g m g mb VX I X rO
=
1 g m g mb rO
1
=
1 1 rO g m g mb g m g mb
Vo Vin 0, ( RD // ro ) Vin
0, ro
RD
理想电流源负载
假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。 因为 所以
RD
AvBaidu Nhomakorabea gm rO
这称为晶体管的“本征增益”，代表单个晶体管能 达到的最大增益。一般，
问题：Vout=？
gm ro 10 ~ 30
(3)当Vin>Vin1时，M1工作在线性区：
Vout VDD RD
1 W 2 n C ox 2Vin VTH Vout Vout 2 L


（4）如果 Vin的值足够高而进入深线性区， Vout 2Vin VTH ，并从 下图的等价电路中可得：
Vout VDD
若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则：
Vout VDD RD
1 W n C ox Vin VTH 2 L
2 1 Vout
2
Vout Vin
1 W W Vout Vin VTH R C R C V V 1 V D n ox D n ox in TH out = L 2 L Vin
用器件的尺寸、偏置电流来表示跨导，可得
Av
第3章 单级放大器
————本章非常重要 在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大器是最基本的功能块 。
在这一章中将描述四种放大器： 共源放大器； 共栅放大器； 源极跟随器； 共源共栅放大器。
电路设计者一个重要的任务就是采用适当的近似来建立复杂电路的 简单的智力模型。 先从最简化的模型着手，逐渐地在考虑沟长调制和体效应这样的二级效应。
模拟电路设计的八边形法则
3.2 共源级
• 采用电阻负载的共源级（少，因为工艺上 电阻不好制作） • 带二极管接法负载的共源级（缺点是增益 不大） • 采用电流源负载的共源级 • 工作在线性区的MOS为负载的共源级（少， 线性电阻影响因素很多，无法确定） • 带源级负反馈的共源级
3.2.1采用电阻负载的共源级