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CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì) 單級(jí)放大器 2020 3 28 提綱 2 提綱 1 共源級(jí)放大器2 共漏級(jí)放大器 源跟隨器 3 共柵級(jí)放大器4 共源共柵級(jí)放大器 2020 3 28 3 2020 3 28 共源級(jí)放大器 4 1 共源級(jí)放大器 1 1電阻做負(fù)載的共源級(jí)放大器大信號(hào)分析 MOS管工作在飽和區(qū)時(shí) 2020 3 28 共源級(jí)放大器 5 小信號(hào)分析 考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制時(shí) 2020 3 28 共源級(jí)放大器 6 討論增益對(duì)信號(hào)電平的依賴關(guān)系導(dǎo)致了非線性 增大W L 或增大VRD 或減小ID 都可以提高Av 但是 較大的器件尺寸 導(dǎo)致較大的器件電容 較高的VRD會(huì)限制最大電壓擺幅 若VRD保持常數(shù) 減小ID 則必須增大RD 導(dǎo)致更大的輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù) 2020 3 28 共源級(jí)放大器 7 1 2MOS二極管連接做負(fù)載的共源級(jí)MOS二極管連接 二極管連接的阻抗為 二極管連接的阻抗為 考慮體效應(yīng)時(shí) 2020 3 28 共源級(jí)放大器 8 增益NMOS二極管連接做負(fù)載 其中 沒(méi)有體效應(yīng) PMOS二極管連接做負(fù)載 2020 3 28 9 另一種二極管連接nmos管做負(fù)載的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 2020 3 28 10 另一種二極管連接nmos管做負(fù)載的結(jié)構(gòu)電流鏡只采用nmos沒(méi)有體效應(yīng)增益精確好的PSRR兩倍功耗 2020 3 28 共源級(jí)放大器 11 討論增益與輸入信號(hào)無(wú)關(guān) 是器件尺寸的弱函數(shù) 高增益要求會(huì)造成晶體管的尺寸不均衡 例 為了達(dá)到10倍增益 則 W L 1 50 W L 2 在這個(gè)例子中 M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該是M1的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的10倍 若VGS1 VTH1 200mV VTH2 0 7V VGS2 2 7V 嚴(yán)重制約輸出電壓擺幅 允許的輸出電壓擺幅減小 2020 3 28 共源級(jí)放大器 12 1 3電流源負(fù)載的共源級(jí)放大器討論獲得更大的增益M2的輸出阻抗與所要求的M2的最小 VDS 之間聯(lián)系較弱 因此對(duì)輸出擺幅的限制較小 長(zhǎng)溝器件可以產(chǎn)生高的電壓增益 同時(shí)增加W L將引入更大的節(jié)點(diǎn)電容 ID AV 考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制 2020 3 28 共源級(jí)放大器 13 1 4帶源級(jí)負(fù)反饋的共源級(jí)放大器小信號(hào)直接分析方法 這里 沒(méi)有考慮體效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 討論增加源級(jí)負(fù)反饋電阻 使增益是gm的弱函數(shù) 實(shí)現(xiàn)線性的提高 線性化的獲得是以犧牲增益為代價(jià)的 當(dāng)gmRS 1 AV RD RS 2020 3 28 共源級(jí)放大器 14 考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制及體效應(yīng)時(shí) 電路的交流小信號(hào)模型為 2020 3 28 共源級(jí)放大器 15 小信號(hào)等效分析 輔助定理 在線性電路中 電壓增益等于 GmRout 其中Gm表示輸出與地短接時(shí)電路的跨導(dǎo) Rout表示當(dāng)輸入電壓為零時(shí)電路的輸出電阻 線性電路的輸出端口可用諾頓定理來(lái)等效 可得 輸出電壓為 IoutRout 定義Gm Iout Vin 可得Vout GmVinRout Gm Rout 諾頓定理 線性有源單口網(wǎng)絡(luò)等效電流源的恒流源等于有源單口網(wǎng)絡(luò)的短路電流 內(nèi)阻等于網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源不激勵(lì)時(shí)的端口電阻 2020 3 28 共源級(jí)放大器 16 計(jì)算Gm 考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制及體效應(yīng) 由于 所以 因此 2020 3 28 共源級(jí)放大器 17 計(jì)算Rout 計(jì)算流經(jīng)ro的電流 帶入V1 得到 得到 所以 輸出電阻增大 2020 3 28 共源級(jí)放大器 18 計(jì)算Av Av Gm Rout RD 若忽略rO和gmb的影響 即rO 和gmb 0 2020 3 28 共漏級(jí)放大器 19 2 共漏級(jí)放大器 源跟隨器 大信號(hào)分析當(dāng)Vin VTH時(shí) M1處于截止?fàn)顟B(tài) Vout等于零 Vin增大并超過(guò)VTH M1導(dǎo)通進(jìn)入飽和區(qū) Vin進(jìn)一步增大 Vout跟隨Vin的變化 且兩者之差為VGS 2020 3 28 共漏級(jí)放大器 20 小信號(hào)分析 考慮體效應(yīng) 討論增益 1 當(dāng)Vin VTH時(shí) 增益從零開(kāi)始單調(diào)增大 隨gm變大 Av接近gm gm gmb 1 1 gm gmb隨Vout增大而減小 VSB增加 所以Av趨近1 2020 3 28 共漏級(jí)放大器 21 采用電流源的源跟隨器 戴維南等效 小信號(hào)分析 另外一種方法 當(dāng)rO2 即考查本征增益 本征增益 2020 3 28 共漏級(jí)放大器 22 考慮M1 M2的溝道長(zhǎng)度效應(yīng) 并驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載 更一般的情況 考慮晶體管的輸出電阻 體效應(yīng)以及輸出負(fù)載的情況 2020 3 28 共漏級(jí)放大器 23 討論即使源跟隨器采用理想電流來(lái)偏置 輸入輸出特性仍呈現(xiàn)一些非線性 將襯底和源連接在一起 就可以消除由體效應(yīng)帶來(lái)的非線性 對(duì)于N阱工藝 可采用PMOS來(lái)實(shí)現(xiàn) 源跟隨器使信號(hào)直流電平產(chǎn)生VGS的移動(dòng) 會(huì)消耗電壓余度 2020 3 28 共柵級(jí)放大器 24 3 共柵級(jí)放大器 大信號(hào)分析 Vin從某一個(gè)大值開(kāi)始減少 當(dāng)Vin Vb VTH時(shí) M1處于關(guān)斷狀態(tài) Vout VDD 當(dāng)Vin較小時(shí) 且M1處于飽和區(qū) 當(dāng)Vin即一步減小 Vout也逐步減小 最終M1進(jìn)入線性區(qū) 此時(shí) 2020 3 28 共柵級(jí)放大器 25 由大信號(hào)分析得到小信號(hào)增益當(dāng)M1處于飽和區(qū)時(shí) 忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制 討論 增益是正值 體效應(yīng)使共柵極的等效跨導(dǎo)變大了 共柵極放大器的輸入阻抗較小 因此 而 得到 2020 3 28 共柵級(jí)放大器 26 小信號(hào)分析 考慮晶體管的輸出電阻rO及信號(hào)的阻抗Rs 增益 2020 3 28 共柵級(jí)放大器 27 輸入阻抗 有 因?yàn)?若 則 2020 3 28 共柵級(jí)放大器 28 輸出阻抗與計(jì)算帶負(fù)反饋的共源級(jí)放大器的輸出電阻情況一致 因此 輸出電阻 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 29 4 共源共柵級(jí)放大器 偏置條件使M1 M2都處于飽和區(qū) 大信號(hào)分析 Vin VTH1 M1 M2處于截止?fàn)顟B(tài) Vout VDD 且Vx Vb VTH2 忽略亞閾值導(dǎo)通 Vin VTH1 開(kāi)始出現(xiàn)電流 Vout下降 Vx下降 如果Vin足夠大 M1或M2將進(jìn)入線性區(qū) 與器件尺寸 RD及Vb有關(guān) 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 30 小信號(hào)分析增益 兩個(gè)集體管均工作在飽和區(qū) 若 0 由于輸入管產(chǎn)生的漏電流必定流過(guò)整個(gè)共源共柵極電路 所以 Av Vout Vin gm1V1RD Vin 當(dāng)忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)時(shí) 共源共柵級(jí)放大器的電壓增益與共源級(jí)放大器的電壓增益相同 Av Vout Vin gm1RD 而V1 Vin 所以 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 31 輸出阻抗 考慮兩管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 電路可以看成帶負(fù)反饋rO1的共源級(jí) 因此 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 32 討論 精確電壓增益計(jì)算見(jiàn)教材例3 15 留給同學(xué)自學(xué) Rout gm2 gmb2 rO1rO2 可見(jiàn)M2將M1的輸出電阻提高了 gm2 gmb2 rO2倍 具有屏蔽特性 屏蔽輸入器件 不受輸出結(jié)點(diǎn)影響 根據(jù)線性電路電壓增益等于 GmRout 增大Rout可以提高增益 例子 粗略計(jì)算 得到 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 33 討論 續(xù) 可用來(lái)構(gòu)成恒定電流源 高的輸出阻抗提供一個(gè)接近理想的電流源 采用PMOS的共源共柵結(jié)構(gòu) 電流源的表現(xiàn)的輸出阻抗為 因此 而Gm gm1 所以 電壓增益近似等于 消耗較大的電壓余度 采用共源共柵電流源的共源共柵放大器的最大輸出擺幅 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 34 折疊式共源共柵放大器所謂 折疊 針對(duì)小信號(hào)電流 小信號(hào)分析與共源共柵放大器一致 為了獲得相當(dāng)?shù)男阅?折疊式共源共柵放大器的總偏置電流應(yīng)該比共源共柵放大器的大 2020 3 28 共源共柵級(jí)放大器 35 大信號(hào)分析 如果Vin VDD VTH1 M1截止 電流I1全部通過(guò)M2 有Vout VDD I1RD 如果Vin VDD VTH1 M1開(kāi)啟處于飽和區(qū) 隨著Vin ID2 當(dāng)ID1 I1時(shí) ID2 0 有 當(dāng)Vin下降到Vin1以下 ID1趨向大于I1 迫使M1進(jìn)入線性區(qū)使ID1 I1 2020 3 28 36 小結(jié) 直流或低頻下 2020 3 28 37 小結(jié) 電路仿真是必不可少的 不要讓計(jì)算機(jī)替你去思考