1、第三章第三章單級放大器單級放大器主要內容主要內容掌握CMOS單級放大器的根本構造和任務原理 共源極、源極跟隨器、共柵級、共源共柵級掌握CMOS單級放大器的設計方法非線性系統的輸入輸出特性非線性系統的輸入輸出特性3.1根本概念根本概念模擬電路設計的八邊形法那么模擬電路設計的八邊形法那么3.2 共源級共源級3.2.1 采用電阻負載的共源級采用電阻負載的共源級(CS)采用電阻負載的共源級采用電阻負載的共源級(CS)斜率斜率(即增益即增益)最大為多少？最大為多少？輸出電壓輸出電壓擺幅最大擺幅最大為多少？為多少？靜態任務點靜態任務點易察看到的兩個問題：易察看到的兩個問題：放大器增益最大可到達多少？放大器

2、增益最大可到達多少？輸出電壓擺幅最大為多少？輸出電壓擺幅最大為多少？V0Vin簡單簡單CS放大器的設計參數放大器的設計參數固定設計參數固定設計參數: kn,VTH, (由制造工藝決議由制造工藝決議)設計目的設計目的: 一定大小的放大器增益一定大小的放大器增益 Av= -gmRD (Avmax= ？)設計可變參數設計可變參數:VDD,ID,VG,W/L,RD (VDD通常也是固定的通常也是固定的)附加設計條件附加設計條件:功耗大小要求；輸入、輸出電壓范圍功耗大小要求；輸入、輸出電壓范圍(擺幅擺幅)限制條件限制條件:MOS管必需任務在飽和形狀管必需任務在飽和形狀輸出電壓擺幅輸出電壓擺幅電阻負載共源

3、級的電阻負載共源級的ID(Vin)、gmVin臨界飽和點臨界飽和點A問題：圖問題：圖b中臨界飽和點中臨界飽和點Agm最大，設為靜態任最大，設為靜態任務務 點放大器可獲得最大增益。這種說法對嗎？為什么點放大器可獲得最大增益。這種說法對嗎？為什么？AM1在飽和區在飽和區M1在線性在線性區區gm=(Vgs-VT)VinA-VTgm=VDSVinAVinA-VTovmaxmA= -gr電阻負載共源級的小信號等效電路電阻負載共源級的小信號等效電路ovmDA = -gr |R本征增益，大約為本征增益，大約為1030WnoxDvmDDLA = -g R = - 2 CI RRDWvnoxLDVA = -2

4、CI0mm0mm11r=(1030) gg11r/gg電阻負載電阻負載CS放大器設計參數的制約關系放大器設計參數的制約關系增益增益AV與與W/L、ID、RD(VRD)三個參數有關。三個參數有關。D DD DL LW Wo ox xn nD Dm mv vR RI IC C2 2R Rg gA AD DR RD DL LW Wo ox xn nv vI IV VC C2 2A A假設堅持為假設堅持為ID、 W/L常數，常數， RD，AV ，這意味著，這意味著VDS ，放大器靜態任務點下移，輸出電壓的擺幅，放大器靜態任務點下移，輸出電壓的擺幅。假設堅持假設堅持ID、RD為常數，為常數， W/L，A

5、V ，但，但MOS管寄管寄生電容生電容，高頻相應，高頻相應(放大器的放大器的f3dB)變差。變差。假設堅持假設堅持W/L、VRD不變，不變，ID ， AV ，這意味著，這意味著RD ，幅員面積，幅員面積，電阻噪聲，電阻噪聲，放大器速度，放大器速度(輸出節點時間常輸出節點時間常數數RC )，溝道調制效應的影響，溝道調制效應的影響 (r0與與RD更接近更接近)。總之，假設為提高增益而使總之，假設為提高增益而使 RD，就會導致輸出電壓的，就會導致輸出電壓的擺幅擺幅，幅員面積，幅員面積，電阻噪聲，電阻噪聲，放大器速度，放大器速度，因此電阻，因此電阻復雜復雜CS放大器普通不常用放大器普通不常用 。3.2

6、.2二極管連結二極管連結MOS管的任務形狀管的任務形狀MOS管二極管連結并導通時管二極管連結并導通時,Vg=Vd,顯然顯然,不論不論是是NMOS還是還是PMOS管管,均任務在飽和區均任務在飽和區!二極管銜接的二極管銜接的MOS管的小信號等效電阻管的小信號等效電阻x xo ox xx xm mb bm mI Ir rV V) )V Vg g( (g gm mb bm mo om mb bm mx xx xg gg g1 1r r| | |g gg g1 1I IV V二極管銜接的二極管銜接的MOS管從源極管從源極看進去的小信號等效電阻：看進去的小信號等效電阻：常用公式常用公式二極管銜接的二極管銜

7、接的MOS管小信號阻抗管小信號阻抗X XD D0 0D DX Xm mm mb b0 0m mm mb b0 0m mm mb bV VR R + +r rR R1 1= =+ +I I1 1+ +( (g g + +g g ) )r r( (g g + +g g ) )r rg g + +g gRinm mb bm mo om mb bm mx xx xg gg g1 1r r| | |g gg g1 1I IV V對于圖對于圖(c)對于圖對于圖(a)、(b)(a)(b)(c)=0時同時同(a)、(b)MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載的共源極NMOS負載時負載時PMOS負載時負載時

8、Rin=1/(gm2+gmb2)/r02Rin=(1/gm2)/r02MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載的共源極 0 1 11 1g gg gg gg g1 1g gA Am m2 2m m1 1m mb b2 2m m2 2 m m1 1v v1 11 1(W/L)(W/L)(W/L)(W/L)A A2 21 1v v n n1 1v vp p2 2(W/L)(W/L)A A(W/L)(W/L)增益與偏置電流無關，即輸入與輸出增益與偏置電流無關，即輸入與輸出呈線性呈線性(大信號時也如此！大信號時也如此！)NMOS二極管二極管PMOS二極管二極管Rin1/(gm2+gmb2)Rin 1

9、/gm2Vbs0Vbs=0問題問題:ID10時，時，M2是任務在飽和區還是線性是任務在飽和區還是線性區區?MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載的共源極(例例1)1 10 00 0( (W W/ /L L) )( (W W/ /L L) )2 2p p1 1n np pn n2 2 那么有那么有：通常：通常：5 50 0( (W W/ /L L) )( (W W/ /L L) )2 21 1于是：于是： 假設假設(W/L)2=1，那么，那么(W/L)11 ; (WL)1很大很大, 假設假設(W/L)1=1，那么，那么(W/L)21, (WL)2也很大也很大,無論如何，無論如何，這都會導致要

10、么輸入寄生電容太大或輸出寄生電容太這都會導致要么輸入寄生電容太大或輸出寄生電容太大，從而減小大，從而減小3dB帶寬。帶寬。 相對而言，相對而言，(W/L)21 要要小小 這表達了增益與速度這表達了增益與速度(帶寬帶寬)的矛盾的矛盾!假設需假設需AV=10MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載的共源極記記Von=VGS-VT表示表示MOS管的過驅動電壓管的過驅動電壓(Von越大越大,MOS管任務電流也越大管任務電流也越大),該式闡明增益是兩管過驅該式闡明增益是兩管過驅動電壓之比，動電壓之比，AV越大，越大，Von2越大，越大，Vomax越小。越小。2 2T TH H2 2G GS S2 22

11、 2p p2 2T TH H1 1G GS S1 11 1n n) )V V( (V VL LW Wu u) )V V( (V VL LW Wu u ID1= ID2 Von2= VDD- Vo - |VTP | Vo= VDD- |VTP | -Von2n n1 1G GS S2 2T TH H2 2o on n2 2V Vp p2 2G GS S1 1T TH H1 1o on n1 1( (W W/ /L L) )| |V V- - V V| |V VA A = = - -= = - -= = - -( (W W/ /L L) )V V- - V VV V設電源電壓設電源電壓 VDD=3

12、V, |VTN|= |VTP| =0.7V 假定假定 Von1 = VGS1-VTH1= Vin-VTH1 0.2V假設假設AV=-10, 那么那么 |VGS2| | AV | Von1+| VTH2 | = 2.7V |VDS2 | = | VGS2 | 2.7V故故 Vo=VDD- | VDS2 | 3-2.7=0.3V, 聯絡到聯絡到M1飽和飽和要求要求: Vo= VDS1VGS1-VTH1 = Von1 =0.2V. 故故Vo的變化范圍僅有的變化范圍僅有0.2V0.3V，輸出電壓擺幅非常，輸出電壓擺幅非常小。小。MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載的共源極(例例2)n n1 1G

13、 GS S2 2T TH H2 2o on n2 2V Vp p2 2G GS S1 1T TH H1 1o on n1 1( (W W/ /L L) )| | V V- - V V| |V VA A= = - -= = - -= = - -( (W W/ /L L) )V V- - V VV V問題問題: 顯而易見顯而易見,Vin, Vo , 又又 VoVin-VTH1 (M1飽和要求飽和要求)故存在故存在Vin max, 那么那么Vin max =?求上例中求上例中Vinmax=? (例例3)n n1 1G GS S2 2T TH H2 2o on n2 2V Vp p2 2G GS S1

14、 1T TH H1 1o on n1 1( (W W/ /L L) )| | V V- - V V| |V VA A= = - -= = - -= = - -( (W W/ /L L) )V V- - V VV V設電源電壓設電源電壓 VDD=3V, | AV |=10, |VTN|= |VTP| =0.7V M1臨界飽和時臨界飽和時:Vo = Von1 = VGS1-VTH1= Vinmax-VTH1又又 |VGS2| = | AV | (Vinmax-VTH1) +| VTH2 |又又 Vo + | VGS2 | = VDD (Vinmax-VTH1) (1+ | AV | ) +| VT

15、H2 |= VDD Vinmax = (VDD - | VTH2 |) / (1+ | AV | ) + VTH1 Vinmax = (3 0.7) / (1+ 10 ) + 0.7=0.91V 0.7V=VTH1 Vin 0.91V易見，易見，M1的輸入電壓范圍也很窄的輸入電壓范圍也很窄!具有階躍偏置電流的二極管銜接器件具有階躍偏置電流的二極管銜接器件 假設假設 I1 越來越小越來越小, VGS 越來越接近越來越接近 VTH I1越來越接近越來越接近 0時時, 忽略漏電流的影響忽略漏電流的影響, 我們有：我們有： VGSVTH2, 因此因此 VoutVDD-VTH2 ! 此即此即NMOS模擬

16、開關傳送高電平常的閾值損失特性模擬開關傳送高電平常的閾值損失特性 PMOS開關呢？情況又如何？開關呢？情況又如何？在數字電路中在數字電路中,NMOS、PMOS的柵極在開關導通時分別接的柵極在開關導通時分別接“1、“0電平電平,截止時截止時剛好相反剛好相反,兩種開關并聯即兩種開關并聯即構成構成CMOS傳輸門。傳輸門。MOS二極管銜接共源極的最大輸出電壓二極管銜接共源極的最大輸出電壓假設上圖中假設上圖中M2的柵極接一個固定電壓的柵極接一個固定電壓Vb結果又如結果又如何何?M1截止截止MOS二極管銜接共源極的最大輸出電壓二極管銜接共源極的最大輸出電壓M1截止截止MOS二極管銜接負載共源極的小結二極管

17、銜接負載共源極的小結 增益增益AV(W/L)1/(W/L)21/2 = Von2/ Von1。 增益增益AV不高不高(普通普通10)，且輸入、輸出擺幅，且輸入、輸出擺幅小，這一特點限制了它的運用。小，這一特點限制了它的運用。 它的優點是跨導它的優點是跨導gm與電流與電流ID無關，放大器無關，放大器的線性特性好，大信號下也如此。二極管銜的線性特性好，大信號下也如此。二極管銜接的接的MOS管常用來構成有源電流鏡。管常用來構成有源電流鏡。 有改善有改善AV不高、輸出擺幅小這一缺陷的電不高、輸出擺幅小這一缺陷的電路，但效果不是特別明顯。路，但效果不是特別明顯。MOS二極管銜接負載的共源極二極管銜接負載

18、的共源極(例例4)右圖中右圖中M1偏置在飽和區，漏電流為偏置在飽和區，漏電流為I1。知。知IS=0.75I1，求，求AV=？2 2p p1 1n n2 2D D2 2p p1 1D D1 1OXOXn nm2m2m1m1v v(W/L)(W/L)(W/L)(W/L)4 4I I(W/L)(W/L)I I(W/L)(W/L)C Cg gg gA A) )V V( (V V| |V VV V| |T TH H1 1G GS S1 1T TH H2 2G GS S2 24 4A Av v , ,4 4I II ID D2 2D D1 12 2T TH H2 2G GS S2 22 2p p2 2T

19、TH H1 1G GS S1 11 1n n) )V V( (V VL LW W4 4) )V V( (V VL LW W添加添加IS在一樣增益下可在一樣增益下可添加輸出電壓擺幅。添加輸出電壓擺幅。采用電流源負載的共源級采用電流源負載的共源級1 1o ou ut t2 2T TH H1 1i in n1 1C Cn nD D1 1I I) )V V( (1 1) )V V( (V VL LW W0 0. .5 5I IO OX XCj由上式可知由上式可知:假設假設I1為理想恒流為理想恒流,Vin,那么那么Vout也可以這樣了解也可以這樣了解: 靜態時靜態時, I1=ID1,V0為一確定的為一確

20、定的靜態電壓靜態電壓,Ij= 0。Vin,ID1,Ij=I1- ID10,Cj充電充電,V0 Ij電流源負載共源級的輸出電壓擺幅問題電流源負載共源級的輸出電壓擺幅問題記記Von=VGS-VT，常稱，常稱Von為為MOS管的過管的過驅動電壓驅動電壓,它表征它表征MOS管任務電流的大小管任務電流的大小M1、M2飽和要求飽和要求:Von1 =Vin - VTN Vout Vb +| VTP | = VDD Von2輸出電壓擺幅與輸出電壓擺幅與Vin、 Vb有關有關(也常說成與也常說成與Von1、 Von2有有關關,兩種說法是一致的兩種說法是一致的)。堅持。堅持ID不變不變,假設假設(W/L)1,2，

21、Von1、2 ,Vin, Vb , 擺幅添加擺幅添加 (反之減小反之減小)。 但但(WL)，寄生，寄生電容電容，高頻性能變差，高頻性能變差，f3dB 。此即擺幅與帶寬的折衷。此即擺幅與帶寬的折衷。假設堅持假設堅持(W/L)1,2不變，不變， ID (ID 添加普通來說放大器速度添加普通來說放大器速度也添加也添加), Von , Vin , Vb , 擺幅減小擺幅減小(反之添加反之添加)。此即速度。此即速度與擺幅的折衷。與擺幅的折衷。采用電流源負載共源級的采用電流源負載共源級的AVD D1 11 1D Do ox xn no o1 1m mI I1 1L LW WI IC C2 2r rg g假

22、設假設W、ID不變不變, L(r02 ), AV，但過驅動電壓，但過驅動電壓Von，輸出電壓擺幅，輸出電壓擺幅，假設同時堅持，假設同時堅持Von不變不變(即擺幅不變即擺幅不變) ，那么需，那么需W ，這會導致寄生電，這會導致寄生電容容, 放大器帶寬放大器帶寬。這充分表達了模擬設計中的增益、擺幅、帶寬之間。這充分表達了模擬設計中的增益、擺幅、帶寬之間的折衷關系。的折衷關系。(電阻負載電阻負載CS中中 ID不變不變, RD, AV, 擺幅一定擺幅一定)( 1/L)留意增益與留意增益與ID的平方根成反比的平方根成反比!假設假設ID, AV, 過驅動電壓過驅動電壓Von, 擺幅擺幅, 放大器速度放大器

23、速度(ID), 這表達了增益這表達了增益、擺幅、速度之間的折衷關系。、擺幅、速度之間的折衷關系。假設假設L、ID不變不變, W, AV，過驅動電壓，過驅動電壓Von ，輸出電壓擺幅，輸出電壓擺幅 ,這會導這會導致寄生電容致寄生電容, 放大器帶寬放大器帶寬。這表達了模擬設計中的增益、擺幅、帶寬。這表達了模擬設計中的增益、擺幅、帶寬之間的折衷關系。之間的折衷關系。留意其留意其AV與擺幅之間的關與擺幅之間的關系同帶電阻負載系同帶電阻負載CS的差別的差別D DI IL LW W o o2 2o o1 1m mv vr r| | |r rg gA A問題問題: 靜態任務點靜態任務點Vout如何計算如何計

24、算? 2 22 21 12 2D D1 1i in nT TN ND D2 2D DD Db bT TP PI I( (V VV V ) ) I I( (V VV VV V ) )2 22 2假設假設M1、M2飽和，不思索飽和，不思索溝道調制效應即溝道調制效應即0，那，那么：么：上式與上式與Vout大小無關！，即大小無關！，即表示假設表示假設M1、M2飽和，飽和， Vout可以為恣意值！這顯然與實踐可以為恣意值！這顯然與實踐不符！不符！電流源負載共源級的靜態點問題電流源負載共源級的靜態點問題(1)靜態時靜態時(Vin、 Vb為一固定常數為一固定常數)， Vout的大小由溝道的大小由溝道調制效應

25、調制效應 (1、2)決議，假設不思索溝道調制效應那決議，假設不思索溝道調制效應那么無法求得靜態任務點，這種情況叫靜態任務點無法么無法求得靜態任務點，這種情況叫靜態任務點無法“目測目測靜態任務點不能靜態任務點不能“目測目測靜態任務點可以靜態任務點可以“目測目測2 22 21 12 2i in nT TN ND DD D0 0T TP P1 10 0D DD DT TP Pi in nT TN N2 2( (V V - -V V ) ) = =( (V V - -V V - -| |V V | |) )2 22 2V V = = V V - -| |V V | |- -( (V V - -V V

26、) ) n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+ 1V0 )= P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)21+ 1(V0 -VDD)假設不思索溝道調制效應：假設不思索溝道調制效應：靜態點不能靜態點不能“目測帶來的問題目測帶來的問題(1)半電路半電路ISS變化變化2ISS導致導致V01變化變化V01等效于等效于Vin變化變化Vin導致導致V0變化變化V0ISS的變化導致靜態點電壓的猛烈變化的變化導致靜態點電壓的猛烈變化恒流源負載的恒流源負載的CS用作差分輸入級的半電路時用作差分輸入級的半電路時, ISS假設假設因輸因輸入共模電壓入共模電壓Vin1=Vin2發生變化帶來溝道調制效應發生變化帶來溝

27、道調制效應(ISS通常是以單通常是以單NMOS構構成的簡單恒流源成的簡單恒流源)導致導致ISS有一微小變化有一微小變化2ISS, 其靜態電壓其靜態電壓V01因因r01/r02較較大而變化一較大量大而變化一較大量2ISS(r01/r02 ) (特別是共源共柵構造尤其明顯特別是共源共柵構造尤其明顯), 這將導這將導致后級因此無法正常任務。該電路作為差分對的半邊電路時，必需輔以穩致后級因此無法正常任務。該電路作為差分對的半邊電路時，必需輔以穩定定Vout靜態電壓的電路靜態電壓的電路(通常稱為共模反響電路通常稱為共模反響電路)才干正常任務！才干正常任務！靜態點不能靜態點不能“目測目測 與能與能“目測的

28、差別目測的差別 Vout= ISS / gm3 Vout-VDD,即即: VbVDD/2+VTH2+Vout/2 Vb 、 (W/L)2 還應滿足還應滿足 Ron2 大小的要求大小的要求如何確定如何確定Vb？產生上述條件的產生上述條件的Vb很難很難, 且且AV不高不高, 故這種放大器很少采用故這種放大器很少采用!O ON N2 2m mv vR Rg gA A| |) )V V| |V V( (V VC C1 1R RT TH HP Pb bD DD DL LW Wo ox xn nO ON N2 22 2CS放大器小結放大器小結帶電阻負載的帶電阻負載的CS增益增益AV=-gmRD, 因因RD

29、, 芯片幅員面積芯片幅員面積, 且噪聲且噪聲,輸出擺幅輸出擺幅,故難于獲得高增益故難于獲得高增益, 但因電阻的匹配好但因電阻的匹配好, 常用于作低失調放大器的差分輸入級。常用于作低失調放大器的差分輸入級。帶帶MOS二極管銜接負載的二極管銜接負載的CS增益增益AV=-gm1/ gm2 ,因擺幅、因擺幅、帶寬、芯片幅員面積等緣由難于獲得高增益帶寬、芯片幅員面積等緣由難于獲得高增益, 因此用得較少因此用得較少。帶恒流源負載的帶恒流源負載的CS增益增益AV=-r01/ r02 ,因高增益與輸出擺因高增益與輸出擺幅沒有不可防止的矛盾幅沒有不可防止的矛盾,故用得最多故用得最多,用作差分輸入級的半電用作差分

30、輸入級的半電路時需共模反響電路以穩定靜態直流任務點。路時需共模反響電路以穩定靜態直流任務點。由于存在密勒效應，頻帶普通，常同由于存在密勒效應，頻帶普通，常同CB結合構成結合構成CSCB放大器，用于高速運放作差分輸入放大級。放大器，用于高速運放作差分輸入放大級。帶源極負反響的共源級帶源極負反響的共源級(=0，=0)D Dm mv vR RG GA AS Sm mD Dm mv vR Rg g1 1R Rg gA AS Sm mm mm mR Rg g1 1g gG G假設假設gmRD1, AVRD/RS, 輸入與輸出呈輸入與輸出呈線性線性, 因因AV, 輸入電壓線性范圍輸入電壓線性范圍, 這是這

31、是以犧牲增益為代價的。同時以犧牲增益為代價的。同時RS的引入的引入, 輸輸出電壓出電壓V0min=Von1+VRS (比無比無RS時時:V0min=Von1大了大了VRS) 。輸出擺幅。輸出擺幅 。等效跨導等效跨導假定假定=0，=0帶源極負反響的共源級帶源極負反響的共源級(=0，=0)S Sm mD DS Sm mD Dm mv vR R1 1/ /g gR R R Rg g1 1R Rg gA ARS=0RS 0RS=0、 RS 0漏電流和跨導曲線的差別漏電流和跨導曲線的差別從源級看進去的阻抗從源級看進去的阻抗源級反響電阻源級反響電阻負載電阻負載電阻帶源極負反響的共源級帶源極負反響的共源級(

32、=0，=0) 留意到留意到 M2 銜接為二極管，銜接為二極管， 故其小信號等效電阻故其小信號等效電阻為為 1/gm2。 于是，于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)Rin= 1/gm2S Sm mD DS Sm mD Dm mv vR R1 1/ /g gR R R Rg g1 1R Rg gA A從源級看進去的阻抗從源級看進去的阻抗源級反響電阻源級反響電阻負載電阻負載電阻帶源極負反響的共源級帶源極負反響的共源級(=0，=0)S Sm mD Dm mv vR Rg g1 1R Rg gA AS Sm mD Di in nm mD D1 1m mo ou ut tS Sm mi in n

33、1 1S S1 1m mi in nS SD Di in n1 1R Rg g1 1R RV Vg gR RV Vg gV VR Rg g1 1V VV VR RV Vg gV VR RI IV VV VmDmD= -G R= -G R等效跨導等效跨導假定假定=0，=0在講解思索溝道調制效應和在講解思索溝道調制效應和襯偏效應襯偏效應(0，0)，的帶，的帶源極負反響的共源級之前我源極負反響的共源級之前我們先來看一個輔助定理！們先來看一個輔助定理！輔助定理輔助定理在線性電路中，電壓增益在線性電路中，電壓增益Av=-GmRout，其中，其中Gm表示輸出對地短接時電路的跨導；表示輸出對地短接時電路的跨

34、導；Rout表示當輸表示當輸入電壓為零時電路的輸出電阻。如上圖所示。假入電壓為零時電路的輸出電阻。如上圖所示。假設電路的設電路的Gm、Rout可以經過察看確定，這個輔可以經過察看確定，這個輔助定理將會非常有用。助定理將會非常有用。Vout=-IoutRout，定義，定義Gm=Iout/Vin，那么，那么Vout =GmVinRout Av=Vout/Vin=-GmRout輔助定理輔助定理 P57 例題3.6帶負反響的共源級的等效跨導帶負反響的共源級的等效跨導Gmo oS Smbmbm mS So om mininoutoutm mo oS SoutoutS SoutoutmbmbS Souto

35、utininm mo oS SoutoutX Xmbmb1 1m mrorobsbsmbmb1 1m moutoutrr)R)Rg g(g(g11R Rr rg gV VI IG Gr rR RI I) )R RI I( (g g) )R RI I(V(Vg gr rR RI IV Vg gV Vg gI IV Vg gV Vg gI I0，0共源極的輸出電阻共源極的輸出電阻Routo oS So ombmbm mOUTOUTr rRR)r)rg g(g(g11R Rr ro oS SX Xm mb bS SX Xm mr ro ob bs sm mb b1 1m mX XI IR RI Ig

36、 g) )R RI I( (g gI IV Vg gV Vg gI IS SX XX XS Sm mb bm mX Xo oX XR RI I) )I I) )R Rg g( (g g( (I Ir rV V恒流源負載、帶源極負反響的增益恒流源負載、帶源極負反響的增益! ! r rg gA Ao om mv vAV與與RS無關無關帶源級負反響電阻的帶源級負反響電阻的CS放大器小結放大器小結因引入負反響電阻因引入負反響電阻RS , AV , 輸入線性范圍輸入線性范圍,常在高線性的常在高線性的V/I變換電路中用作差分輸變換電路中用作差分輸入級的半電路。入級的半電路。因輸出阻抗較高因輸出阻抗較高,

37、利用該特性可在利用該特性可在MOS管的管的源級參與負反響電阻以構成高性能電流源。源級參與負反響電阻以構成高性能電流源。因負反響電阻因負反響電阻RS的引入的引入, 輸出電壓允許的最輸出電壓允許的最小值添加小值添加, 即輸出擺幅即輸出擺幅。即因此多耗費了。即因此多耗費了一些電壓余度。一些電壓余度。源極跟隨器及其小信號等效電路源極跟隨器及其小信號等效電路m mb bm mm mb bm mo ou ut tg gg g1 1g g1 1| | |g g1 1R RS Sm mS SS Sm mm mb bm mm mS SS Sm mb bm mS Sm mv vR R1 1/ /g gR R) )

38、R Rg gg gg g( (1 1/ /g gR R) )R Rg g( (g g1 1R Rg gA A問題問題: M1會隨會隨Vin而進入線性區嗎而進入線性區嗎?源極跟隨器的輸出電阻源極跟隨器的輸出電阻m mb bm mm mb bm mX XX Xo ou ut tX Xm mb bX Xm mX Xg g1 1/ / /g g1 1g gg g1 1I IV VR R0 0V Vg gV Vg gI IX X1 1V VV V襯偏效應等效于在輸出端襯偏效應等效于在輸出端接了一個電阻接了一個電阻1/gmb這僅對源跟隨器是正確的這僅對源跟隨器是正確的！襯偏效應使源跟隨器襯偏效應使源跟隨器

39、的輸出電阻減小了！的輸出電阻減小了！恒流源偏值源極跟隨器的增益恒流源偏值源極跟隨器的增益mbmmVgggA1= 2 =0，10代維南等效代維南等效恒流源負載的源極跟隨器恒流源負載的源極跟隨器m mL Lo o2 2o o1 1m mb bL Lo o2 2o o1 1m mb bv vg g1 1| | |R Rr r| | |r r| | |g g1 1| | |R Rr r| | |r r| | |g g1 1A A如何求如何求Vout的擺幅的擺幅?擺幅擺幅、 Vb、偏值電流、偏值電流I0、頻、頻率呼應的折衷關系如何？率呼應的折衷關系如何？1 0， 2 0，10輸出端視在輸出端視在輸入阻抗

40、輸入阻抗此項一直不變此項一直不變例例3.8：計算以下圖電路的電壓增益：計算以下圖電路的電壓增益AVm1m1mb2mb2m2m2o2o2o1o1mb1mb1mb2mb2m2m2o2o2o1o1mb1mb1v vg g1 1) )g gg g1 1|r r|r r|g g1 1( (g gg g1 1|r r|r r|g g1 1A A輸出端視在輸出端視在輸入阻抗輸入阻抗0 02 2m m2 2m mb b2 21 1/ / /r rg g+ + g g1 0, 2 0從從M2源端看進去的源端看進去的阻抗為：阻抗為：10, 20從從M1源端看進去的源端看進去的阻抗為：阻抗為：0 01 1m mb

41、b1 11 1/ / /r rg gM1襯偏襯偏效應的等效應的等效電阻效電阻M1襯偏襯偏效應的等效應的等效電阻效電阻源跟隨器與共源放大器的級聯源跟隨器與共源放大器的級聯1. 僅有僅有CS 放大器，放大器， M1任務在飽和區時任務在飽和區時: VXVonM1=Vin-VTH12. 加上源跟隨器后，加上源跟隨器后， M3任務在飽和區時任務在飽和區時: VX VGS2+VonM3= VGS2+(Vb-VTH3)用作電平挪動的源跟用作電平挪動的源跟隨器會耗費電壓余度隨器會耗費電壓余度(減小輸出擺幅減小輸出擺幅)P-SUB上沒有體效應的上沒有體效應的PMOS源跟隨器源跟隨器源級跟隨器小結源級跟隨器小結源

42、級跟隨器的源級跟隨器的AV1，因輸出電阻較大，普，因輸出電阻較大，普通只用來驅動小電容通只用來驅動小電容(或高阻或高阻)負載，不宜負載，不宜用來驅動低阻、大電容負載。用來驅動低阻、大電容負載。源級跟隨器的最能夠的運用是用來構成電源級跟隨器的最能夠的運用是用來構成電平位移電路。平位移電路。驅動低阻、大電容負載常用襯底驅動低阻、大電容負載常用襯底NPN (PNP)構成射極跟隨器來驅動。構成射極跟隨器來驅動。例例3.9 源極跟隨器的運用源極跟隨器的運用在所關懷的頻率下在所關懷的頻率下C1交流交流短路，求短路，求AV？M1任務在任務在飽和區時，輸入端允許的飽和區時，輸入端允許的最大直流電平為多少？最大

43、直流電平為多少？為了允許接近為了允許接近VDD的輸入的輸入直流電平，電路改為直流電平，電路改為(b)圖圖所示，所示，M1、M3的柵源電的柵源電壓應滿足什么樣的關系才干保證壓應滿足什么樣的關系才干保證M1個任務在飽和區？個任務在飽和區？AV=-gm1r01/r02/(1/gm2)VinmaxVDD-|VGS2|+VTN假設假設Vin=VDD，那么，那么VX=VDD-VGS3，要保證，要保證M1任務在飽和任務在飽和區，那么有：區，那么有：VDD-VGS3-VTNVDD-|VGS2|，即，即VGS3+VTN |VGS2|共柵放大器共柵放大器D Dm mD Dm mb bm mv v) )R R( (

44、1 1g g) )R Rg g( (g gA AD Do oS So om mb bm mo ou ut t| | |R R r r R R) )r rg g( (g g 1 1R R直接耦合的共柵級直接耦合的共柵級電容耦合的共柵級電容耦合的共柵級輸入輸入輸出特性輸出特性共柵放大器的輸入電阻共柵放大器的輸入電阻X XD D0 0D DX Xm mm mb b0 0m mm mb b0 0m mm mb bV VR R + +r rR R1 1= =+ +I I1 1+ +( (g g + +g g ) )r r( (g g + +g g ) )r rg g + +g gRDIX+r0IX-(g

45、m+gmb)VX=VX假設假設= 0，Rin=1/ (gm+gmb)，輸入呈現低阻抗，輸入呈現低阻抗特征特征RD 減小了減小了(gm+gmb)r0倍倍！呈現出阻抗變換特性！呈現出阻抗變換特性！共柵放大器阻抗變換特性的運用共柵放大器阻抗變換特性的運用 假定傳輸線的特征阻抗為假定傳輸線的特征阻抗為 50 假設假設 =0, 那么漏電流的變化那么漏電流的變化gm1VX都是從都是從RD抽取的抽取的，故兩個電路的增益都是，故兩個電路的增益都是 AV -gmRD. 為使結點為使結點X處的反射最小，傳輸線的負載阻抗必需等于其處的反射最小，傳輸線的負載阻抗必需等于其特征阻抗。特征阻抗。RD 50時，時，(a)

46、一定存在波反射，一定存在波反射，(b)中選那中選那么適宜的么適宜的M1就可使就可使RinM2=1/ (gm+gmb)=50,從而消除波從而消除波反射反射!共柵放大器的輸出電阻共柵放大器的輸出電阻 ) )R Rg g( (g g 1 1r rr r R R) )r rg g( (g g 1 1R RS Sm mb bm mo oo oS So om mb bm mO OU UT Tr ro oS SX Xm mb bS SX Xm mr ro ob bs sm mb b1 1m mX XI IR RI Ig g) )R RI I( (g gI IV Vg gV Vg gI IS SX XX XS

47、 Sm mb bm mX Xo oX XR RI I) )I I) )R Rg g( (g g( (I Ir rV VRS為信號源內阻為信號源內阻共柵放大器的輸出電阻很大，約為共柵放大器的輸出電阻很大，約為r0的的1+(gm+gmb)RS 倍倍! 了解這一點是了解共源共柵電路的根底。了解這一點是了解共源共柵電路的根底。共柵放大器的增益共柵放大器的增益AVD DD DS SS So ombmbm mo oo ombmbm mv vR RR RR RR R)r)rg g(g(gr r1 1)r)rg g(g(gA A共柵放大器增益共柵放大器增益AV的討論的討論D DD DS SS So om mb

48、 bm mo oo om mb bm mv vR RR RR RR R) )r rg g( (g gr r1 1) )r rg g( (g gA AS Sm mb bm mD Dm mb bm mv v) )R Rg g( (g g) )R Rg g( (g gA A1limr0這同帶源級負反響電阻這同帶源級負反響電阻RS的的CS增增益益,只是符號相反只是符號相反,給出直觀解釋給出直觀解釋00rr1lim) )g g( (g g) )g g( (g gA Am mb bm mm mb bm mv vRD這同帶恒流源負載的這同帶恒流源負載的CS增益增益,只是符號相反只是符號相反,給出直觀解釋給出

49、直觀解釋共柵放大器小結共柵放大器小結Ai1，AV=gm(RD /r0) ，AV同同CS放大器相放大器相當當輸入阻抗低，有阻抗變換特性。輸入阻抗低，有阻抗變換特性。輸出阻抗高，可用于提高增益和構成高性能輸出阻抗高，可用于提高增益和構成高性能恒流源。恒流源。由于沒有密勒效應，頻帶最寬，常同由于沒有密勒效應，頻帶最寬，常同CS結合結合構成構成CSCB放大器，用于高速運放作差分輸放大器，用于高速運放作差分輸入放大級。入放大級。共源共柵共源共柵 Cascade 放大器放大器輸入輸入輸出特性輸出特性為什么為什么VXmax=Vb-VT2？Vin時，時，M1、M2誰先進入線性區？誰先進誰先進入線性區？誰先進入

50、線性區對恒流特性和輸出擺幅有何關系入線性區對恒流特性和輸出擺幅有何關系? 當當 VX Vin VTH1 時時 M1 進入線性區進入線性區 當當Vout Vb VTH2時時M2進入線性區進入線性區 容易分析，容易分析， Vb 較小時，較小時， M1比比M2先進入線性區先進入線性區共源共柵放大器的偏值條件共源共柵放大器的偏值條件M1 飽和時飽和時: VX Vin VTH1， 即：即：Vb Vin VTH1 + VGS2 或：或： Vb Von1 + VGS2 M2 飽和時飽和時: Vout Vb VTH2， 即即: Vout Von1 + VGS2 VTH2 或：或： Vout Von1 + Vo

51、n2共柵管共柵管M2的添加雖然提高了從的添加雖然提高了從M2漏端看進去的阻漏端看進去的阻抗、改善了放大器的頻率特性，但輸出電壓擺幅減抗、改善了放大器的頻率特性，但輸出電壓擺幅減小了一個大小等于小了一個大小等于M2的過驅動電壓。這是靠犧牲的過驅動電壓。這是靠犧牲擺幅來獲取帶寬和增益的提高。擺幅來獲取帶寬和增益的提高。共源共柵放大器的小信號等效電路共源共柵放大器的小信號等效電路1= 0， 2 = 0，20D Dm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1D Do o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2| | |R R) ) g g( (g gr r r r | |

52、 |R R r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Ro ou ut t | | |R R) ) g g( (g gr r r rg gA AD Dm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V例：求以下圖電路的例：求以下圖電路的AV(假定假定=0)1 1) )g g( (g gR R) )g g( (g gR RV Vg gg gg g1 1R RR RV Vg gI Im mb b2 2m m2 2P Pm mb b2 2m m2 2P Pi in nm m1 1m mb b2 2m m2 2P PP Pi in nm m1 1D D2 21 1)

53、 )g g( (g gR RR R) )R Rg g( (g gg gV VR RI IA Am mb b2 2m m2 2P PD DP Pm mb b2 2m m2 2m m1 1i in nD DD D2 2V VM1的小信號電流的小信號電流gm1Vin被被Rp和向和向M2源端源端看進去的阻抗看進去的阻抗1/(gm2+gmb2)分成兩部分，分成兩部分，故：故：因因Vout=ID2RD，所以：，所以：共源共柵放大器的輸出電阻共源共柵放大器的輸出電阻) )g g( (g gr rr r r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Rm mb b2 2m m2 2o o2 2o o

54、1 1o o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2o ou ut t留意：左邊電路的輸留意：左邊電路的輸出阻抗就是共源放大出阻抗就是共源放大器帶負反響電阻器帶負反響電阻RS的的的輸出阻抗的輸出阻抗上式表示共源共柵構造具有很高的輸出阻抗，對提高上式表示共源共柵構造具有很高的輸出阻抗，對提高放大器小信號增益、提高電路源的恒流特性非常有利放大器小信號增益、提高電路源的恒流特性非常有利恒流源負載的共源共柵放大器恒流源負載的共源共柵放大器) )g g( (g gr rr r r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Rm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1

55、 1o o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2o ou ut t) )g g( (g gr rr rg gA Am mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V理想恒流源如何近似產生？理想恒流源如何近似產生？共源共柵共源共柵 Cascade 放大器放大器) ) g gr r( (r r| | |) )g gr r ( (r rg gA Am m3 3o o4 4o o3 3m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V因因M1、M2的高輸出阻抗，欲得的高輸出阻抗，欲得高增益要求所帶負載也必需是高高增益要求所帶負載也必需是高輸出阻抗，故負載

56、也常用共源共輸出阻抗，故負載也常用共源共柵電路源。柵電路源。用共源共柵電流源近似替代理想恒流源用共源共柵電流源近似替代理想恒流源該電路的靜態任務點該電路的靜態任務點Vout能能“目測嗎目測嗎?為什為什么么?共源共柵電路靜態任務點不能共源共柵電路靜態任務點不能“目測帶來的問目測帶來的問題題CSCB恒流源負載用作差分輸入級的半電路時恒流源負載用作差分輸入級的半電路時, ISS假設因輸入共模電壓發假設因輸入共模電壓發生變化生變化(Vin1=Vin2=Vincm)帶來溝道調制效應帶來溝道調制效應(ISS通常是以單通常是以單NMOS構成的構成的簡單恒流源簡單恒流源)導致導致ISS有一微小變化有一微小變化

57、2ISS, 其靜態電壓其靜態電壓V01= V02因因(gm5r05r07)/ (gm3r03r01)很大而變化一很大量很大而變化一很大量ISS(gm5r05r07)/ (gm3r03 r01) , 這將導致后級因此無法正常任務。該電路作為差分對的半邊電路時，這將導致后級因此無法正常任務。該電路作為差分對的半邊電路時，必需輔以穩定必需輔以穩定Vout靜態電壓的電路靜態電壓的電路(通常稱為共模反響電路通常稱為共模反響電路)才干正常任務！才干正常任務！ISS的微小變化會導致的微小變化會導致Vout靜態任務點的極大變化靜態任務點的極大變化M1M3M5M7半電半電路路VincmV01VinV02Rin=

58、 gm3r03r01Rin= gm5r05r07Vout= gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 VinV01(02)= gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISS靜態點不能靜態點不能“目測目測 與能與能“目測的目測的差別差別二極管銜接的二極管銜接的MOS管用作差分輸入級的半電路時管用作差分輸入級的半電路時, ISS假設因輸入共模電壓假設因輸入共模電壓Vin1=Vin2=Vincm發生變化帶來溝道調制效應發生變化帶來溝道調制效應(ISS通常是以單通常是以單NMOS構成的構成的簡單恒流源簡單恒流源)導致導致ISS有一微小變化有一微小變化2ISS, 其靜態電壓其靜態電壓

59、V01= V02因因(1/gm5)/ (gm3r03r01) (1/gm5) 較小而變化一較小量較小而變化一較小量ISS/gm5, 這比這比CSCB恒流源恒流源負載時遠遠小的多。故該電路作為差分對的半邊電路時，勿需輔以穩定負載時遠遠小的多。故該電路作為差分對的半邊電路時，勿需輔以穩定Vout靜態電壓的電路靜態電壓的電路(通常稱為共模反響電路通常稱為共模反響電路)就能正常任務！就能正常任務！ISS的微小變化會導致的微小變化會導致Vout靜態任務點的極大變化靜態任務點的極大變化M1M3M5M7V01VinV02Rin= gm3r03r01Rin= 1/gm5Vout= gm1/gm5 Vin gm

60、1gm3r03r01 / gm5r05r07 VinV01(02)= ISS/gm5 gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISSVincm半電路半電路不能不能“目測時的變化目測時的變化量量添加添加L與采用共源共柵構造來提高增益的比較與采用共源共柵構造來提高增益的比較L LI I1 1I IL LW WC C2 2r rg gD DD DO OX Xn no om m假定假定ID不變，假設不變，假設(a)中中L變為原來的變為原來的4倍而倍而W堅持不變，那堅持不變，那么么Vonb=2Vona，與，與(b)中層疊的兩個中層疊的兩個MOS管耗費的電壓余度管耗費的電壓余度一樣一樣因因gm