第三章 单级放大器

线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，输出电压为 -I Rout，定 out 线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，输出电压为 -I outR out，定 义 G V 。 m=I out/V in，可得 out=-G mV inRout 义 G =I /V ，可得 V =-G V Rout 。
m out in out m in
对于工作在饱和区的PMOS管，等效阻抗 很大，ro=1/λID 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。 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
cutoff active triode
2010/11/4 共源级放大器 8

当Vin>Vin1时，M1工作在线性区 如果Vin足够高，使得M1进入深线性区，Vout《2（VinVth），则M1可以等效于电阻Ron
cutoff active triode
2010/11/4 共源级放大器 9
cutoff active triode

考虑沟长调制效应
cutoff active triode

小信号分析
Baidu Nhomakorabea
考虑沟道长度调制时，
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共源级放大器
15
2、有源负载共源放大器

由于采用电阻负载时存在的缺点，特别是电阻阻 值误差比较大，而且大阻值的电阻所占用的芯片 面积较大，所以经常用有源负载来替代； 有源负载主要包括了二极管连接的MOS管、栅接 固定点位的MOS管
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共源共栅级放大器
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直流或低频下！
小信号增益
电阻负载
小结
输出电阻
( RD || rO )
gm2 1 g mb
输入电阻
摆幅
线性度
g m Rout
gm g m 2 g mb
∞ ∞ ∞ ∞
R D rO 1 ( g m g mb ) rO
－
小
－
较好
共 源 级
二极管 负载
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共漏级放大器
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小信号分析
考虑体效应

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随
Vout增大而减小，所以Av趋近1。
共漏级放大器
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考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，
模拟电路设计的八边形法则
一、共源级放大器


共源级放大器是指输入、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管的漏极输 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和有 源负载共源放大器。
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共源级放大器
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1、无源负载共源放大器
Gm ? Rout?
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共源级放大器
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计算Gm
（考虑沟道长度调制及体效应)
Gm表示输出与地短接时电路的跨导
输出与地短接
由于
，所以
因此，
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输入电压为 零时电路的 输出电阻
计算Rout
流经ro的电流： 得到 所以，
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共源级放大器
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提纲
4

放大器性能的那些参数比较 重要？ 增益、速度、功耗、电源电 压、线性度、噪声、最大电 压摆幅，输入输出阻抗； 这些参数大多互相牵制， 这会导致设计变成一个多维 化的问题。 模拟电路设计八边形法则 所示，折衷选择、互相制约 对高性能放大器提出了许多 难题，要靠直觉和经验才能 得到一个较佳的折衷方案。
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31
三、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，

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
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由大信号分析得到小信号增益
共源级放大器 22
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考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小 信号模型为
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共源级放大器
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小信号等效分析
辅助定理：在线性电路中，电压增益等于 -G Rout，其中 Gm表示输出与 m 辅助定理：在线性电路中，电压增益等于 -G mR out，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 。 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 。
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共漏级放大器
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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。 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 栅 漏 源 栅 漏 衬底 衬底

源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。
共漏级放大器
上节课重点内容

MOS管的工作原理及其判断条件 截止区、线性区、饱和区（恒流区） nCox W MOSFET电流公式及跨导公式 ID (V GS VTH )2 2 L

二级效应 输出电阻表达式
线性区
饱和区
第三章 单级放大器

在大多数模拟电路和许多数字电路中，信 号放大是一个基本的功能。 为什么信号需要放大？
信号太小不能驱动负载 信号太小不能克服后继噪声 信号太小不能为数字电路提供逻辑电平 用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入/输出电阻、 提高增益精度等


单级放大器
学习其分析方法 理解复杂电路的基础
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
当M1处于饱和区时
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； 共栅极放大器的输入阻抗较小。
2010/11/4 共栅级放大器 33
四、共源共栅级放大器

偏置条件
使M1，M2都处于饱和区，
Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态， Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚 阈值导通） Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降， Vx下降。 如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。 2010/11/4 共源共栅级放大器 （与器件尺寸、RD及V b有关）
26

计算Av
A =G (Rout ||RD ) A vv =G m m(R out||R D)
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共源级放大器
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二、共漏级放大器（源跟随器）

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。
AV 2 I D (1 1 ) I D ID
2010/11/4 共源级放大器
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2.3 带源级负反馈的共源级放大器
小信号直接分析方法
这里，没有考虑体效应 和沟道长度调制效应
当Rs》1/gm时，等效跨导Gm≈1/Rs

讨论
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。
器件工作在线性区时，跨导会下降，因此我们必须确保M1工作 在饱和区，即确保Vout>Vin-Vth，工作在图中A点的左侧。
MOS管工作在饱和区时
把上式输入输出特性的斜率看做小信号增益，于是：
上式可以理解成：M1将输入电压的变化ΔVin转换成漏极电流 变化gmΔVin，进一步转换成输出电压的变化- gmRDΔVin。
cutoff active triode
Vin<Vth时，M1截止 Vth<Vin<Vin1时，M1饱和区
gm=0
gm随Vin的增加而增加 Vin>Vin1时，M1线性区 VDS=Vout，gm会下降

Av的最大化
cutoff active triode
增大W/L：寄生电容增大，带宽减小。 增大VRD： 在同样的ID时，VRD也相应增大，缺点是导致输出 摆幅减小，输入信号范围减小。 减小ID： 必须增大负载电阻保持VRD不变，RD会很大，输出节 点时间常数增大。

2.2 电流源负载的共源级放大器
★ 应用时有时要求单级有很大的电压增 益，根据Av=-gmRD，我们可以增大共源极的 负载电阻。 ★ 但是对于电阻或者二极管连接的负载而 言，增大阻值会限制输出电压的摆幅。 ★ 一个更切实可行的方法是用电流源代替负 载。
M1和M2都工作在饱和区！！
2010/11/4 共源级放大器 20


2.1 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
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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
可以看出，如果忽略η 随输出电压的变化，增益和 偏置电压或电流没有关系； 表示输入和输出电压发生变 化时，增益相对保持不变， 输入输出呈线性关系。


大信号分析
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小信号分析

增益
两个晶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。

例子： 粗略计算，

，
得到
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共源共栅级放大器
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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
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
2010/11/4 共源级放大器 10

ID随Vin的变化关系
cutoff active triode
Vin<Vth时，M1截止 Vth<Vin<Vin1时，M1饱和区
ID=0 ID随Vgs的增加而增加
Vin>Vin1时，M1线性区，若Ron1《RD，则ID最终接近VDD/RD

gm随Vin的变化关系
大信号分析

输入电压从0开始增加，M1开始截止，Vout=VDD 流经RD，Vout减小。如果VDD不是非常小，NMOS管处于 饱和区。
当Vin接近于NMOS管阈值电压Vth时，M1开始导通，电流

进一步增大Vin，Vout下降更多，M1继续工作在饱和区，直 到Vin=Vout+Vth(即Vds=Vgs-Vth，图中A点），M1开始工 作在线性区。
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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
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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。 根据线性电路电压增益等于-GmRout，增大Rout可以 提高增益。
共源级放大器 18
2010/11/4

讨论
增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。 高增益要求会造成集体管的尺寸不均衡。
例：为了达到 10 倍增益， 例：为了达到 10 倍增益，
，则 (W/L) =50(W/L) ，则 (W/L) 11 =50(W/L) 22
允许的输出电压摆幅减小。
在这个例子中， M M1的过驱动电压的 10倍。 2的过驱动电压应该是 在这个例子中， M 2的过驱动电压应该是 M 1的过驱动电压的10倍。 若 V -VTH1=200mV ，|VTH2|=0.7V ，|VGS2|=2.7V ，严重制约输出电 GS1 若 V GS1-V TH1=200mV，|V TH2|=0.7V，|V GS2|=2.7V，严重制约输出电 压摆幅。 压摆幅。 19 2010/11/4 共源级放大器

1.1 电阻做负载的共源级放大器
借助于自身的跨导，MOS管可以将Vgs的变化转换成 小信号漏电流，小信号漏电流流过电阻产生输出电压。共 源极放大器就是起到这样的作用。
共源极放大器由NMOS管M1，和负载 RD组成。 输入信号Vin，输出为Vout，工作电源 电压为VDD
2010/11/4 共源级放大器 7