模拟CMOS集成电路设计单级放大器.pptVIP

第3章 单级放大器 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 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。 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。 采用大信号分析得出的结论是一样的：即 性能改进 3.2.3 采用电流源负载的共源级 对共源放大器，有 3.2.4 工作在线性区的MOS为负载的共源级 工作在深线性区的MOS器件的特性像电阻一样,因此可以用来作为共源级的负载。 3.2.5 带源级负反馈的共源级 在模拟电路的八边形的法则中我们可知道，线性化也是一个重要的考虑因素之一。 线性化是希望我们的变量和因变量之间是一种最简单的关系，即它们的增长比例相同。也就是一种线性函数。 但我们知道漏电流和过驱动电压是一种平方关系，如何让他们也呈现出一种线性关系呢？ 本节中是通过用一个负反馈电阻串联在在晶体管的源端来实现。 3.3 源跟随器 源跟随器（共漏放大器）概念 以M1漏极为基准，以栅-漏电压为输入，以源-漏电压驱动负载。 实现阻抗转换 大信号分析 当VinVth时，M1 截止。 当Vin增加,M1导通，得出Vout=Vin-Vth 因为体效应，Vth随Vout而改变，Av 1，非线性。 小信号分析： 增益的非线性 提高增益线性度 输入阻抗 输出阻抗 3.4 共栅级 其特点为： a) 能驱动较小的输出电阻。 例，共源放大器的输出跟一个源跟随器。 b) 电压放大倍数≤1，是电压缓冲器，输入和输出电平转换。 大信号分析 电流恒定，跨导恒定，Rs=∞： 电流偏置 PMOS源跟随器，可消除体效应所引起的非线性 它使用两个分离的n阱以消除M1的体效应，但P管的低迁移率导致它的输出阻抗 比N管的输出阻抗更高。 低频时输入电流为零，输入阻抗无限大。 直观的： 源跟随器实现大阻抗到小阻抗的转换 源跟随器的戴维南等效 用电阻模拟gmb—对源跟随器成立 戴维南等效电路--〉分压电路 例：求增益 * ————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。 共源级电路 (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 当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 比 高出 即在下图中的A点，在A点满足： 从上式可以计算出Vin1-VTH,并进一步 计算出Vout (3)当VinVin1时，M1工作在线性区： （4）如果 的值足够高而进入深线性区， ，并从 下图的等价电路中可得： = 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 = = 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 = 线性区 增益最大化 Av= ??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 若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则： = 使用近似公式； 再根据 结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。 gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。 小信号分析 很容易得到增益： 输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流 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 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=？ 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 = = 采用NMOS负载，存在体效应 忽略沟道调制，将： 代入 RD= Av= 得到： =