第三章单级放大器
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
单级放大电路
单级放大电路单级放大电路是一种基本的电子电路，其主要功能是对输入信号进行放大。
在该电路中，信号通过一个单一的放大器管或晶体管进行放大，在电气和电子系统中广泛应用，例如音频放大器、收音机、电视和计算机等。
本文将对单级放大电路的原理及其应用进行详细介绍。
下面介绍一下单级放大电路的工作原理。
如图1所示，单级放大电路由一个放大器管和两个电阻组成，其中一个电阻（R1）连接到电源Vcc和基极，另一个电阻（R2）则连接到集电极和负载。
输入信号从基极输入，经过放大后，由集电极输出，流过负载RL。
这组电路的名称是共射极电路。
从图1中，我们可以了解到，单级放大电路的输入信号经过电阻R1之后进入到晶体管的基极中，此时晶体管的发射极上加上了一定量的电流，流入集电极经过输出电阻RL，再流回电源的负极。
在电路的过程中，电子从电源VCC中流入到集电极，通过放大作用，然后流经负载RL，分别在负载端产生输出电压和输出电流。
此时，放大器管的VM（电压增益）可以通过公式计算得到：VM=Vout/Vin其中，Vout是输出电压，Vin是输入电压。
揭示单极放大电路的模型，如果它有一个电流源，这个电流源的电流为β×Ib（β指的是晶体管的放大因子，Ib指的是基极电流），晶体管就像是一个电流比例器，输出电流正比于输入电流的放大系数β。
因此，VM可以写成：VM=β×Rc / Rin其中Rc是输出电阻，Rin是输入电阻，β=I c / Ib是晶体管的放大因子（Ic指的是集电电流）。
单级放大电路由于其简单性，经常被用来放大低频信号。
它也被广泛应用在音频放大器中。
下面我们来具体介绍单级放大电路在音频放大器中的应用。
在音频放大器中，单级放大电路经常被用作前置放大器。
前置放大器是用于放大输入信号的电路，从而提供更高的信噪比和输入阻抗。
单级放大电路在前置放大器中起到了重要作用，因为它是实现信号放大的关键部分。
值得注意的是，在设计单级放大电路时，必须考虑到负反馈的作用，因为负反馈可以降低噪声和非线性失真。
《单级放大器》课件
共栅放大器
适用于宽带、低噪声、高速应 用，具有较高的增益和带宽。
差分放大器
适用于抑制共模干扰和消除零 点漂移，具有较高的线性度和
较低的失真。
06
CATALOGUE
单级放大器的调试与维护
单级放大器的调试方法
静态工作点的调试
通过调节偏置电阻，观察放大器的输 入和输出波形，确保工作点设置在合 适的区域。
03
CATALOGUE
单级放大器的电路分析
电压放大倍数
电压放大倍数是指输出电压与输入电压的比值，用于衡量放大器对信号的放大能力 。
电压放大倍数的大小取决于电路元件的参数和连接方式，可以通过计算和测量来确 定。
电压放大倍数的计算公式为：A = (Rc / Re) * (1 + β)，其中Rc是集电极电阻，Re是 发射极电阻，β是晶体管的电流放大倍数。
失真
表示放大器输出信号与输入信 号相比产生的畸变程度。
02
CATALOGUE
单级放大器的基本结构和工作 原理
单级放大器的基本结构
输入级
偏置电路
接收微弱信号并将其放大，是放大器 的第一级。
为放大器提供合适的工作点，使放大 器正常工作。
输出级
输出放大的信号，是放大器的最后一 级。
单级放大器的工作原理
设计反馈网络
为了稳定放大器的性能，需要设 计合适的反馈网络。
确定放大倍数
根据需求确定放大器的放大倍数 。
考虑散热和封装
对于大功率放大器，需要考虑散 热和封装问题。
单级放大器的设计实例
01
02
03
04
共射放大器
适用于低频、大功率应用，具 有较高的输入阻抗和较低的输
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
单级低频小信号放大器
第三章 单级低频小信号放大器
NanFeng
3.1.1 放大器概述
第 三 章 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
一、放大电路（放大器）：能把微弱的电 信号放大，转换成较强的电信号的电路。 放大器必须对电信号有功率放大作用。
3.1 放 大 器 的 基 本 概 念
3.1.２ 放大器的放大倍数
解：ic= βib=100*20uA=2000uA=2mA
RL’=RL//RC=(RL*RC)/(RL+RC)=3K*3K/(3K+3K)=1.5K
vo=-icRL’=-2mA*1.5k=-3V
作业：如图， RC=3K,RL=1K, ib=20uA,β=100,求vo P51:3-16
vo=vce=-ic*(RC//RL)
3.2 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
ห้องสมุดไป่ตู้
3.2.3 共发射极电路的放大和反相作用
第 三 章 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
放大器可分为直流通路和交流通路: 直流通路：
3.2 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
交流通路：
3.2.3 共发射极电路的放大和反相作用
3.2 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
3.3.2 估算法
第 三 章 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
二、估算输入电阻、输出电阻和放大倍数
3.3 放 大 电 路 的 分 析 方 法
2、放大器的输入电阻ri和输出电阻ro
ri=RB//rbe≈rbe
ro≈RC
3.3.2 估算法
第 三 章 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
第 三 章 单 级 低 频 小 信 号 放 大 器
CMOS模拟集成电路设计-单级放大器(一)
第 3 章 单级放大器（一）
分离器件构成的音频放大器
2
用CMOS集成电路实现的音频放大器
二者有哪些区别？
3
4
3.1 共源级放大器
电阻做负载的共源级放大器
大信号分析
cutoff active triode
MOS管工作在饱和区时
5
线性区时
6
小信号分析
用小信号模型求解小信号增益
30
Av
gm RD 1 gm RS
RD 1/ gm RS
Av = “在漏极节点看到的电阻”/ “在源
极通路上看到的电阻”
这是一个经验结果，仅适合带源级负反馈的共源级 的分析，但是这个结论可以极大地简化电路的分析。
31
1 从MOS源极看到的阻抗约等于 gm gmb
证明如下：
漏端的电阻被大大衰减了，这 个特性被称为阻抗变换特性
W L
(VIN
VTH
)
跨导随着Vin的变化而变化，引入非线性
如果RS较大， Av
1/
RD gm RS
RD RS
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。
25
考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为
计算的复杂性大大增加… 我们需要建立一种直观的联系来分析问题
思考：
随着放大倍数的 提高，输入电压 范围越来越小， 我们真的能保证 输入信号在这么 小的范围内吗？
反馈
22
电流增大，增益怎么变化？
| Av | gmro
2nCox
ID
W
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.
三极管及单级放大器的工作原理
三极管及单级放大器的工作原理三极管是一种电子元件，由德国物理学家维尔海姆发明于1947年。
三极管是一种半导体器件，它的主要作用是放大信号。
三极管一般有三个电极，分别为发射极Emitter、基极Base和集电极Collector。
在三极管中，由于基极的控制作用，可以使发射极-集电极间的电流得到放大，从而实现电信号的放大功能。
下面，我们就从单级放大器的工作原理来进一步的讲解三极管的工作原理。
1. 单级放大器的基本构成单级放大器一般由输入阻抗、耦合电容、三极管放大电路、输出耦合电容和负载电阻等组成。
其中，输入阻抗和输出耦合电容在电路中起到了阻挡直流信号，只通交流信号的作用。
负载电阻则是为了将放大后的信号输出到外部设备中去。
2. 单级放大器的工作原理当正弦交流信号加入到输入端时，由于输入阻抗的阻挡，将只有交流信号进入到三极管放大电路中。
这时，三极管中的 VT1 和 VT2极性一样，导通电流增大，被放大的信号经过装置耦合电容 C1 的耦合，使得 VT2 的发射极至集电极间的电流和 VT1 的发射极至集电极间的电流变大，从而实现信号的放大功能。
要实现对信号的放大，必须让三极管处于放大区，在这个区间中，集电极输出法线信号放大电路工作是最稳定的。
但是在放大区的情况下，VT1 和 VT2 能够承受的最大电流限制了输出电压的最大值。
因此，单级放大器需使用电源抑制电路来限制输出电压幅度，防止三极管被烧毁。
3. 单级放大器的特点与应用单级放大器的优点是结构简单，操作方便，易于调整，可以被广泛应用。
但是，相比于其他形式的放大器，它的缺点是它的增益不高，而且容易受到温度和其他环境因素的影响。
因此，它通常被用作早期级或者是辅助放大。
总而言之，三极管的工作原理是通过基极对发射极-集电极之间的电流进行控制，从而实现对电流的放大。
而单级放大器作为放大器的一种，是通过构成在管子前端的简单放大部分，起界面功能，以达到放大信号的作用。
在电子电路中，三极管和单级放大器一直都扮演着不可替代的重要角色，它们的应用与发展将助力人类 soc 经济和文化的持续繁荣。
chapter3单级放大器
Chapter 3Single-Stage Amplifiers2009-3-51contentsFourtypes typesof ofamplifiers: amplifiers: •• Four Common-sourcetopology topology •• Common-source Common-gatetopology topology •• Common-gate •• •• Sourcefollowers followers Source Cascode( 共源共栅 configuration Cascode( 共源共栅 ))configurationLarge-signalcharacteristics characteristics •• Large-signal Small-signalcharacteristics characteristics(( Lowfrequency frequencybehavior behavior)) •• Small-signal Low Intuitivetechniques( techniques( 直观方法 andmodels modelsto toformulate( formulate( 用 •• Intuitive 直观方法 ))and 用 公式表达 thebehavior behaviorof ofmost mostcircuits circuitsby byinspection inspection(( 观 公式表达 ))the 观 察 )ratherthan thanlengthy lengthycalculation.. calculation.. 察 )rather2009-3-523.1 basic concepts• The input-output characteristic of an amplifier:y (t ) = a 0 + a1 x(t ) + a 2 x 2 (t ) + L + a n x n (t ),y (t ) ≈ a 0 + a1 x(t )x1 ≤ x ≤ x 2• So long as x(t) is small enough, reasonable approximationa1 x (t ) << a 0 • when the bias point （偏置点a0） is disturbed negligibly.(受到的扰动忽略不计)。
单级放大器知识讲座
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载单级放大器知识讲座地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容单级放大器由于模拟或数字信号太小而不能驱动负载等，在模拟电路中就必须采用放大器对信号进行放大。
在本章中重点描述五种放大器结构：共源、共栅、源极跟随器和级联结构以及CMOS放大器。
对于每一种结构，先进行直流分析，然后进行低频交流小信号分析。
分析方法一般都先采用一个简单模型进行分析，然后逐步增加一些诸如沟道调制效应、衬底效应等二阶效应的分析。
放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工作电压、线性、噪声、最大电压摆幅以及输入、输出阻抗等。
其中的大部分性能指标之间是相互影响的，因而进行设计时必须实现多维的优化。
3.1 共源放大器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三种形式：无源负载共源放大器及有源负载共源放大器。
3.1.1 无源负载共源放大器无源负载主要有电阻、电感与电容等，这里主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载时共源放大器的特性。
1 电阻负载共源放大器电阻负载共源（CS）放大器结构如图3.1(a)所示。
对此进行直流分析（确定工作点）与低频交流小信号分析。
对于共源放大器，根据第二章的分析，对于低频交流信号从栅极输入时，其输入阻抗很大，所以在分析时可不考虑输入阻抗的影响。
（a） (b)图3.1 (a)电阻负载的共源级(b) 深三极管区的等效电路（1）直流分析先忽略沟道调制效应，根据KCL定理，由图3.1(a)可列出其直流工作的方程：（3.1）而当VGS＞Vth时，MOS管导通，根据萨氏方程有：（3.2）把式（3.2）代入式（3.1）中，可得到其直流工作方程为（注：VGS＝Vi，VDS＝Vo）：（3.3）对方程（3.3）进行进一步的讨论：截止区：Vi＜Vth，则Vo＝VDD；饱和区：Vi＞Vth，且Vi-Vth≤Vo时，有：（3.4）三极管区： Vo＜Vi－Vth，有：（3.5）深三极管区：Vo＜＜2（Vi－Vth），根据第二章可知，此时M1可等效为一压控电阻，因此可得到如图3.1（b）所示的等效电路，则有：(3.6)根据以上分析，可以得到共源放大器的直流转换特性曲线，即Vo与Vi的关系曲线如图3.2（a）所示。
单级放大器实验报告
单级放大器实验报告引言单级放大器作为电子学中最基本的电路之一，在各种电子设备中广泛应用。
本实验目的是通过对单级放大器的实验研究，深入了解其工作原理以及性能特点。
实验目的1. 了解单级放大器的基本工作原理；2. 掌握单级放大器电路的搭建方法；3. 研究单级放大器的输入输出特性，并对放大器的增益、带宽等性能参数进行分析。
实验材料1. 电压源（DC power supply）；2. 电阻、电容、二极管等基本被动元件；3. 简易信号发生器（Function generator）；4. 示波器（Oscilloscope）；5. 多用途测试仪（Multimeter）等实验设备。
实验内容1. 搭建单级放大器电路：根据实验要求，选择合适的二极管和电阻等被动元件，按照电路图要求搭建单级放大器电路。
2. 电路参数测量：a. 输入电阻（Rin）测量：通过改变输入信号的电压和输入电流，测量单级放大器对输入信号的阻抗；b. 输出电阻（Rout）测量：通过改变输出负载的电阻值，测量单级放大器对输出信号的阻抗；c. 输入电容（Cin）测量：将输入信号的频率变化，并测量输入电容的等效电容；d. 输出电容（Cout）测量：将输出信号的频率变化，并测量输出电容的等效电容。
3. 增益和带宽测量：a. 静态电压放大倍数(Av)测量：通过引入恒定直流电压，测量单级放大器的静态电压放大倍数；b. 动态电压增益(Av)测量：通过改变输入信号频率，测量单级放大器在不同频率下的动态电压增益；c. 带宽测量：通过测量输入信号频率-输出信号频率之间的电压降低，确定单级放大器的带宽。
实验结果与分析通过对单级放大器的实验测量，得到了大量的数据，并进行了分析与整理。
根据所得数据，我们得出以下结论：1. 单级放大器的输入输出特性：在正常工作范围内，单级放大器的输入阻抗较高，输出阻抗较低。
输入电容和输出电容对输入输出特性有一定影响。
2. 增益和带宽：单级放大器的增益与输入信号频率密切相关，随着频率的增加，动态电压增益逐渐减小。
单级放大电路知识点总结
单级放大电路知识点总结一、导言单级放大电路是一种用于增强信号的电路，它可以将输入信号的幅度放大到更大的范围内。
在电子设备中，单级放大电路通常用于放大音频信号、视频信号或其他类型的数据信号。
单级放大电路的设计和使用对于理解电子设备的工作原理至关重要。
本文将对单级放大电路的基本知识点进行总结，以帮助读者更好地理解这一重要的电子电路。
二、单级放大电路的基本原理单级放大电路的基本原理是利用放大器来放大输入信号的幅度。
放大器通常使用晶体管或运放等元件构成。
在单级放大电路中，输入信号通过一个放大器进行放大，然后输出信号被提取出来。
在放大过程中，放大器会增加信号的幅度，从而使得输出信号的幅度比输入信号大。
三、单级放大电路的组成单级放大电路通常由以下几部分组成：1. 输入电路：用于接收输入信号，并将其传递给放大器；2. 放大器：用于放大输入信号的幅度；3. 输出电路：用于提取输出信号，并将其传送给下游电路。
四、单级放大电路的分类根据放大器所使用的元件不同，单级放大电路可以分为晶体管放大电路和运放放大电路两种类型。
1. 晶体管放大电路晶体管放大电路是利用晶体管来构成放大器的一种电路。
晶体管是一种半导体器件，能够将小信号放大到较大的幅度。
晶体管放大电路通常包括晶体管放大器、输入匹配电路和输出匹配电路。
晶体管放大电路的特点是结构简单、成本较低，但是对温度和电压的变化比较敏感。
2. 运放放大电路运放放大电路是利用运放（运算放大器）来构成放大器的一种电路。
运放是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的电子元件，特别适合用于放大小信号。
运放放大电路通常包括运放、反馈电路和输入输出电阻。
运放放大电路的特点是增益稳定、精度高，但是价格较晶体管放大电路高。
五、单级放大电路的性能指标单级放大电路的性能指标包括增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应和失真等。
这些指标可以用来评价放大电路的性能，并且对于不同应用场合的放大电路设计具有重要意义。
第3章单级放大器_源跟随器
xiaoyanghqu@
华侨大学IC设计中心
3.3 源跟随器(共漏极）（Source Follower）
对共源级的分析指出，在一定范围的电源电压 下，要获得更高的电压增益，负载阻抗必须尽 可能大。如果这种电路驱动一个低阻抗负载， 为了使信号电平的损失小到可以忽略不计，就 必须在放大器后面放置一个“缓冲器”。源跟 随器（也叫做共漏级放大器）就可以起到一个 电压缓冲器的作用。
GM = g m
RO = 1 1 1 || || ro ≈ g m g mb g m + g mb
ROut = RS // Ro = RS //
1 g m + g mb
Av = Gm Rout
Rs = gm Rs ( g m + g mb ) + 1
1 g m + g mb RS = = 1 RS ( g m + g mb ) + 1 RS + g m + g mb RS
Rout
1 rO 1 rO 2 RL = gmb + gm
1 Av = g m rO1 rO 2 RL g mb + g m
衬偏效应影响
华侨大学IC设计中心
即使源跟随器用理想电流源来偏置，输入－输出 特性仍表现出一些非线性，这源于阈值电压与源 极电压之间的非线性。
Av = Gm Rout Rs g = gm = m = 1 ( g m + g mb ) (1 + η ) Rs ( g m + g mb ) + 1
源跟随器电压增益与输入电压Leabharlann 系Av = Gm Rout
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PMOS负载时
单级放大器 Ch. 3 # 13
Rin≈1/(gm2+gmb2)
MOS二极管连接负载的共源极（ λ＝0 ） 1 gm 1 1 Av gm 1 gm 2 gm b 2 gm 2 1 η
(W/L) 1 1 Av (W/L) 1 η 2
Rin ≈ 1/gm2
n (W/L)1 Av p (W/L)2
单级放大器 Ch. 3 # 24
电流源负载共源级的输出电压摆幅问题
记Von=VGS-VT，常称Von为MOS管的过驱 动电压,它表征MOS管工作电流的大小 M1、M2饱和要求: Von1 =Vin - VTN ≤ Vout ≤ Vb +| VTP | = VDD – Von2
1. 输出电压摆幅与Vin、 Vb有关(也常说成与Von1、 Von2有关,两 种说法是一致的)。保持ID不变,若(W/L)1,2↑，Von1、2 ↓ ,Vin↓, Vb ↑, 摆幅增加 (反之减小)。 但(W·L)↑，寄生电容↑，高频 性能变差，f3dB ↓ 。此即摆幅与带宽的折衷。 2. 若保持(W/L)1,2不变， ID ↑(ID 增加一般来说放大器速度也增 加), Von ↑, Vin ↑, Vb ↓, 摆幅减小(反之增加)。此即速度与摆幅 的折衷。
单级放大器 Ch. 3 # 17
求上例中Vinmax=? (例3)
AV = μ(W/L)1 | V - VTH2 | V n = - GS2 = - on2 μ(W/L)2 VGS1 - VTH1 Von1 p
• • • • • • • •
设电源电压 VDD=3V, | AV |=10, |VTN|= |VTP| =0.7V ∵ M1临界饱和时:Vo = Von1 = VGS1-VTH1= Vinmax-VTH1 又∵ |VGS2| = | AV | (Vinmax-VTH1) +| VTH2 | 又∵ Vo + | VGS2 | = VDD ∴ (Vinmax-VTH1) (1+ | AV | ) +| VTH2 |= VDD ∴ Vinmax = (VDD - | VTH2 |) / (1+ | AV | ) + VTH1 ∴ Vinmax = (3 – 0.7) / (1+ 10 ) + 0.7=0.91V ∴ 0.7V=VTH1< Vin ≤ 0.91V 易见，M1的输入电压范围也很窄!
单级放大器 Ch. 3 # 7
电阻负载共源级的小信号等效电路
Av = -g m ro||RD
Av = -g m RD = - 2μnCox W ID RD L
Avmax = -g m ro
本征增益，大约为10~30
Av = - 2μnC
W ox L
VRD ID
r0
1 1 = (10~ 30) >> gm gm
单级放大器 Ch. 3 # 22
MOS二极管连接负载的共源极(例4)
右图中M1偏置在饱和区，漏电流为I1。 已知IS=0.75I1，求AV=？
μn C O X(W/L)ID1 gm1 1 Av gm2 μp (W/L)ID 2 2 4μ (W/L) n 1 μp (W/L) 2
单级放大器 Ch. 3 # 6
电阻负载共源级的ID(Vin)、gm（Vin）
VinA VinA-VT M1在饱和区 gm=β(Vgs-VT) A VinA-VT
M1在线性区 gm=βVDS 临界饱和点A
问题：图（b）中临界饱和点（A）gm最大，设为静态工作 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？
简单CS放大器的设计参数
输 出 电 压 摆 幅
• • • • •
固定设计参数: kn’,VTH, λ (由制造工艺决定) 设计目标: 一定大小的放大器增益 Av= -gmRD (Avmax= ？) 设计可变参数:VDD,ID,VG,W/L,RD (VDD通常也是固定的) 附加设计条件:功耗大小要求；输入、输出电压范围(摆幅) 限制条件:MOS管必须工作在饱和状态
μ 通常： n
2μp
• 若(W/L)2=1，则(W/L)1>>1 ; (WL)1很大, 若(W/L)1=1 ，则(W/L)2<<1, (WL)2也很大,无论如何，这都会导致 要么输入寄生电容太大或输出寄生电容太大，从而减 小3dB带宽。 • 相对而言，(W/L)2<<1对带宽的影响比(W/L)1>>1 要小 • 这体现了增益与速度(带宽)的矛盾!
单级放大器 Ch. 3 # 19
MOS二极管连接共源极的最大输出电压
M1截止
若上图中M2的栅极接一个固定电压Vb结果又如何?
单级放大器 Ch. 3 # 20
MOS二极管连接共源极的最大输出电压
M1截止
单级放大器 Ch. 3 # 21
MOS二极管连接负载共源极的小结
• 增益AV[(W/L)1/(W/L)2]1/2 = Von2/ Von1。 • 增益AV不高(一般<10)，且输入、输出摆幅 小，这一特点限制了它的应用。 • 它的优点是跨导gm与电流ID无关，放大器的 线性特性好，大信号下也如此。二极管连接 的MOS管常用来构成有源电流镜。 • 有改善AV不高、输出摆幅小这一缺点的电 路，但效果不是特别明显。
1 1 r0 // ≈ gm gm
单级放大器 Ch. 3 # 8
电阻负载CS放大器设计参数的制约关系 W VR D W A v g m R D 2μnCo x L IDR D Av 2μnCo x L ID •增益A 与W/L、I 、R (V )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 。
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?
单级放大器 Ch. 3 # 14
MOS二极管连接负载的共源极(例1)
若需AV=10
μn (W/L) 1 则有： μ (W/L) 100 p 2
(W/L) 1 于是： (W/L) 50 2
单级放大器 Ch. 3 # 9
V
D
D
RD
3.2.2二极管连结MOS管的工作状态
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!!!
单级放大器 Ch. 3 # 10
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：
单级放大器 Ch. 3 # 18
具有阶跃偏置电流的二极管连接器件
在数字电路中,NMOS、PMOS 的栅极在开关导通时分别接 “1”、“0”电平,截止时 刚好相反,两种开关并联即 构成CMOS传输门。
• 若 I1 越来越小, VGS 越来越接近 VTH • I1越来越接近 0时, 忽略漏电流的影响, 我们有： VGS≈VTH2, 因此 Vout≈VDD-VTH2 !!! • 此即NMOS模拟开关传送高电平时的阈值损失特性 • PMOS开关呢？情况又如何？
μ(W/L)1 | VGS2 - VTH2 | Von2 n AV = = = μ(W/L)2 VGS1 - VTH1 Von1 p
记Von=VGS-VT表示MOS管的过驱动电压(Von越大 ,MOS管工作电流也越大),该式表明增益是两管过驱 动电压之比，AV越大，Von2越大，Vomax越小。
单级放大器 Ch. 3 # 16
Vx (gm gm b)Vx Ix ro
常 用 公 式
单级放大器 Ch. 3 # 11
Vx 1 1 ||ro Ix gm g m b gm g m b
二极管连接的MOS管小信号阻抗
(a)
对于图(a)、(b)
(b)
Rin
(c)
λ=0 时 同 、 (a) (b)
Vx 1 1 ||ro Ix gm g m b gm g m b
第三章 单级放大器
单级放大器 Ch. 3 # 1
主要内容
• •
掌握CMOS单级放大器的基本结构和工作原理 共源极、源极跟随器、共栅级、共源共栅级 2
3.1基本概念
非线性系统的输入输出特性
模拟电路设计的八边形法则
单级放大器 Ch. 3 # 3
单级放大器 Ch. 3 # 15
MOS二极管连接负载的共源极
∵ Von2= VDD- Vo - |VTP |
∴ Vo= VDD- |VTP | -Von2
∵ ID1= ID2 ∴
W W 2 2 un (VG S 1 VT H 1) up (VG S 2 VT H 2) L 1 L 2
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
单级放大器 Ch. 3 # 12
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
NMOS负载时
Rin=(1/gm2)//r02
MOS二极管连接负载的共源极(例2)