单级放大器及频率特性(1)汇总
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在电路分析中要充分利用交流地，以简化电路结构，方便分析。
大信号与小信号的定义
大信号与小信号
对于MOS管，当栅-源电压为vGS=VGS+vgs时，漏极电流为：
iD
1 2
Cox
W L
VGS vgs Vth 2
1 2
Cox
W L
VGS Vth vgs 2
1 2
Cox
W L
计算机模拟可以达到很高的精度，但是并不能直观地告诉我们哪些参数是最重 要的，它们之间有什么关系。
交流接地(AC Ground)
所谓交流信号就是随时间变化的信号，电路中的任何节点如果电压保持恒 定， 不随信号(或时间)而变化，就成为交流地。
直流电压源、偏置电压都是交流地，差分放大器中也常遇到差分信号的交流地 或差分虚地的情况。
共源放大器
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 分为两种形式：
无源负载共源放大器 有源负载共源放大器
共源放大器
一、无源负载共源放大器
无源负载主要有电阻、电感与电容等。 主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载
VGS Vth 2 vg2s 2 VGS Vth v gs
当 vgs (VGS Vth ) 时：
iD
1 2
Cox
W L
VGS Vth 2 2(VGS Vth )vgs
1 2
Cox
W L
VGS Vth
2
Cox
W L
VGS Vth
vgs
I D gmvgs
所以CMOS放大电路的小信号是与(VGS-Vth)相比而言。
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
2）交流小信号分析
忽略沟道调制效应，此类电路的交流小信号等 效电路如图所示。
Vi
+ -
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+ V-1
gmV1
Vo R
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
围更大。
分析思路
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。
进一步的讨论（分工作区讨论）：
截止区：Vi＜Vth，则Vo＝VDD； 饱和区：Vi＞Vth，且Vi－Vth≤Vo时，有：
Vo VDD RK N (Vi Vth )2
线性区： Vo＜Vi－Vth，有：
Vo VDD RK N 2(Vi Vth )Vo Vo2
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
深线性区：Vo＜＜2（Vi－Vth），此时M1可
等效为一压控电阻，因此可得到如下图所示的
等效电路，则有：
Vo
VDD
Ron Ron
R
1
VDD 2K N R(Vi
Vth )
Vi M1
VDD R
Vo
Ron
Vo VDD
Vth
Vi1 Vi
转移特性曲线
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
注意：在设计放大器时需要保证工作管处于饱和区，即Vo＞Vi－
VDD Vo I D R
而当VGS＞Vth时，MOS管导通，有：
I D K N [2(VGS Vth )VDS VD2S ]
则直流工作方程为（注：VGS＝Vi，VDS＝Vo）： Vo VDD K N [2(Vi Vth )Vo Vo2 ]R
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
工作方程可以直接画出其直流负
VGS2 VGS1
VDD
VDS
载线，如右图所示。
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
由前图可以很直观地发现： 直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易
进入线性区，从而减小了放大器的增益，也即减 小了输入输出的压摆。 直流工作点也不能设置得太小，因为这会使 MOS管进入截止区，进而使放大器不能工作， 直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小。 所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路的 输入输出摆幅直接相关。
大信号与小信号的定义
对于三极管，当BE之间电压为 vBE VBE vbe 时，集电极电流为
i I e I e I e e I e vBE /VT
(VBE vbe )/VT
VBE /VT vbe /VT
vbe /VT
C
S
S
S
C
当 vbe VT ，可以将上式泰勒展开
iC
IC [1
vbe VT
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）放大器结构如右 Vi
图所示。对于共源放大器，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。
VDD R
Vo M1
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
1）直流分析
根据KCL定理，可列出其直流工作的方程：
Vth。 对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，以得到合适的电压
放大增益以及输入输出压摆。
图解法：先画出MOS管的输出
特性（I/V特）曲线，同时在
ID
VDD
同一图上画出其直流负载线， R
VGS5
则直流负载线与MOS管的I/V
VGS4
特性曲线相交的交点即为其直流
VGS3
工作点。 对于电阻负载放大器，根据直流
1 2
vbe VT
2
]
IC
IC VT
vbe
IC
gm vbe
因此，对三极管来说，信号的大小是与VT相比而言。
通常情况下，为保证一定的输入信号范围，(VGS-Vth)需要设置在 100-300mV的范围，过大会影响电路的其它指标；而VT在室温 下只有约26mV，从 这个意义上来说MOS管放大器的输入信号范
单级放大器及频率特性
主要内容
分析思路 共源放大器 源极跟随器 共栅放大器 频率特性 设计案例 共源共栅放大器 折叠式级联放大器
基本考虑
低频放大器设计与分析的一些基本的考虑 手算与计算机模拟
手算并不能得到精确的结果，为了简化计算，常常需要做很多近似并忽略许 多 细节，即使在直流分析中，10%-20%的误差也是正常的；合理的简化是为 了对电路工作有更深入的直观的理 解，是为了发现和控制影响电路性能的关键 因素，为电路优化提供方向；
大信号与小信号的定义
大信号与小信号
对于MOS管，当栅-源电压为vGS=VGS+vgs时，漏极电流为：
iD
1 2
Cox
W L
VGS vgs Vth 2
1 2
Cox
W L
VGS Vth vgs 2
1 2
Cox
W L
计算机模拟可以达到很高的精度，但是并不能直观地告诉我们哪些参数是最重 要的，它们之间有什么关系。
交流接地(AC Ground)
所谓交流信号就是随时间变化的信号，电路中的任何节点如果电压保持恒 定， 不随信号(或时间)而变化，就成为交流地。
直流电压源、偏置电压都是交流地，差分放大器中也常遇到差分信号的交流地 或差分虚地的情况。
共源放大器
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 分为两种形式：
无源负载共源放大器 有源负载共源放大器
共源放大器
一、无源负载共源放大器
无源负载主要有电阻、电感与电容等。 主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载
VGS Vth 2 vg2s 2 VGS Vth v gs
当 vgs (VGS Vth ) 时：
iD
1 2
Cox
W L
VGS Vth 2 2(VGS Vth )vgs
1 2
Cox
W L
VGS Vth
2
Cox
W L
VGS Vth
vgs
I D gmvgs
所以CMOS放大电路的小信号是与(VGS-Vth)相比而言。
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
2）交流小信号分析
忽略沟道调制效应，此类电路的交流小信号等 效电路如图所示。
Vi
+ -
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+ V-1
gmV1
Vo R
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
围更大。
分析思路
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。
进一步的讨论（分工作区讨论）：
截止区：Vi＜Vth，则Vo＝VDD； 饱和区：Vi＞Vth，且Vi－Vth≤Vo时，有：
Vo VDD RK N (Vi Vth )2
线性区： Vo＜Vi－Vth，有：
Vo VDD RK N 2(Vi Vth )Vo Vo2
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
深线性区：Vo＜＜2（Vi－Vth），此时M1可
等效为一压控电阻，因此可得到如下图所示的
等效电路，则有：
Vo
VDD
Ron Ron
R
1
VDD 2K N R(Vi
Vth )
Vi M1
VDD R
Vo
Ron
Vo VDD
Vth
Vi1 Vi
转移特性曲线
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
注意：在设计放大器时需要保证工作管处于饱和区，即Vo＞Vi－
VDD Vo I D R
而当VGS＞Vth时，MOS管导通，有：
I D K N [2(VGS Vth )VDS VD2S ]
则直流工作方程为（注：VGS＝Vi，VDS＝Vo）： Vo VDD K N [2(Vi Vth )Vo Vo2 ]R
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
工作方程可以直接画出其直流负
VGS2 VGS1
VDD
VDS
载线，如右图所示。
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
由前图可以很直观地发现： 直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易
进入线性区，从而减小了放大器的增益，也即减 小了输入输出的压摆。 直流工作点也不能设置得太小，因为这会使 MOS管进入截止区，进而使放大器不能工作， 直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小。 所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路的 输入输出摆幅直接相关。
大信号与小信号的定义
对于三极管，当BE之间电压为 vBE VBE vbe 时，集电极电流为
i I e I e I e e I e vBE /VT
(VBE vbe )/VT
VBE /VT vbe /VT
vbe /VT
C
S
S
S
C
当 vbe VT ，可以将上式泰勒展开
iC
IC [1
vbe VT
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）放大器结构如右 Vi
图所示。对于共源放大器，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。
VDD R
Vo M1
共源放大器(电阻负载）--忽略沟道调制效应
1）直流分析
根据KCL定理，可列出其直流工作的方程：
Vth。 对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，以得到合适的电压
放大增益以及输入输出压摆。
图解法：先画出MOS管的输出
特性（I/V特）曲线，同时在
ID
VDD
同一图上画出其直流负载线， R
VGS5
则直流负载线与MOS管的I/V
VGS4
特性曲线相交的交点即为其直流
VGS3
工作点。 对于电阻负载放大器，根据直流
1 2
vbe VT
2
]
IC
IC VT
vbe
IC
gm vbe
因此，对三极管来说，信号的大小是与VT相比而言。
通常情况下，为保证一定的输入信号范围，(VGS-Vth)需要设置在 100-300mV的范围，过大会影响电路的其它指标；而VT在室温 下只有约26mV，从 这个意义上来说MOS管放大器的输入信号范
单级放大器及频率特性
主要内容
分析思路 共源放大器 源极跟随器 共栅放大器 频率特性 设计案例 共源共栅放大器 折叠式级联放大器
基本考虑
低频放大器设计与分析的一些基本的考虑 手算与计算机模拟
手算并不能得到精确的结果，为了简化计算，常常需要做很多近似并忽略许 多 细节，即使在直流分析中，10%-20%的误差也是正常的；合理的简化是为 了对电路工作有更深入的直观的理 解，是为了发现和控制影响电路性能的关键 因素，为电路优化提供方向；