3单级放大器教学课件

学习目的学习目的n对下面四类单级放大器有直观的认识，并能对下面四类单级放大器有直观的认识，并能够分析其大信号特性和小信号特性：够分析其大信号特性和小信号特性：n共源放大器共源放大器n共漏放大器（源级跟随器）共漏放大器（源级跟随器）n共栅放大器共栅放大器n共源共栅放大器（级联放大器）共源共栅放大器（级联放大器）q直筒式级联放大器直筒式级联放大器q折叠式级联放大器折叠式级联放大器4/23/20241Common Source Stage AmplifierCommon Drain Stage Amplifier(also called Source-follower Amplifier)Common Gate Stage AmplifierCascode Stage Amplifier Telescopic Cascode Amplifier Folded Cascode AmplifierTheir corresponding names in the English materials and literatures（在英文资料和文献中其对应的说法）（在英文资料和文献中其对应的说法）4/23/20242n大信号分析的要求大信号分析的要求q列出直流方程，解出直流工作点；列出直流方程，解出直流工作点；q作出直流传输曲线作出直流传输曲线n小信号分析的要求小信号分析的要求q增益大小的分析增益大小的分析q输入阻抗的分析输入阻抗的分析q输出阻抗的分析输出阻抗的分析电路的大信号分析和小信号分析的要求电路的大信号分析和小信号分析的要求4/23/20243直观掌握每一类带不同负载的放大器的电路图（如直观掌握每一类带不同负载的放大器的电路图（如共源放大器）：共源放大器）：以无源器件为负载的共源放大器以无源器件为负载的共源放大器(用电阻作负载用电阻作负载)：学习内容学习内容4/23/20244）二极管连接的）二极管连接的MOS管为负载的共源放大器管为负载的共源放大器以有源器件为负载的共源放大器：以有源器件为负载的共源放大器：）MOS管电阻为负载的共源放大器管电阻为负载的共源放大器4/23/20245）以）以MOS管电流源为负载管电流源为负载的共源放大器的共源放大器)MOS管推挽放大器管推挽放大器）带负反馈电阻的共源放大器）带负反馈电阻的共源放大器4/23/202461.放大器的输入输出特性放大器的输入输出特性若若 在足够小的范围取值在足够小的范围取值,则则3.1 基本概念基本概念 看作是工作点看作是工作点,看作是小信号增益看作是小信号增益.若满足若满足,偏置点受到的扰动忽略不计偏置点受到的扰动忽略不计,高阶项可以忽略高阶项可以忽略.线性关系线性关系随着随着,高阶项显现高阶项显现非线性非线性大信号分析大信号分析4/23/202472.Analog Design Octagon(设计考虑的八个参数设计考虑的八个参数)gain,linearity,noise,power dissipation,input/output impedance,speed,voltage swing and supply voltage.（这八个参数互相制约，在设计时要采用（这八个参数互相制约，在设计时要采用Tradeoff/compromise的方法。）的方法。）本本章章重重点点分分析析参参数数:gain,input/output impedance,涉涉 及及 linearity,voltage swing and voltage supply.4/23/202483.2 共源放大器共源放大器3.2.1 以电阻为负载的共源放大器以电阻为负载的共源放大器n下下图图是是共共源源放放大大器器的的电电路路图图。左左图图为为NMOS管管为为放放大大管管的的共共源源放放大大器器，右右图图为为PMOS管管为为放放大大管管的的共共源源放放大大器器。分分析析电电路路的的大大/小小信信号号时时，以以NMOS管管作作为为输输入入管管的的放放大大器器为为例，例，PMOS管的工作原理类似，不再另行分析。管的工作原理类似，不再另行分析。图（图（3.2.1)以电阻为负载的共源放大器的电路结构图以电阻为负载的共源放大器的电路结构图4/23/20249直流大信号分析直流大信号分析nM1是是输输入入管管，输输入入电电压压信信号号加加在在M1的的栅栅级级上上，通通过过栅栅极极对对漏漏极极电电流流的的控控制制作作用用产产生生输输出出电电流流。该该电电流流流流过过负负载载电电阻阻RD，在在MOS管管漏漏极极产产生生输输出出电电压压信信号号。图图中中的的VDD表表示示电电路路的的电电源源电电压压，Vin和和Vout表表示示输入和输出直流偏置电压。输入和输出直流偏置电压。首先作直流大信号的分析，然后作交流小信号的分析。首先作直流大信号的分析，然后作交流小信号的分析。图（图（3.2.2）NMOS管为管为输入管的共源放大器输入管的共源放大器4/23/202410（3）当）当 ,M1进入了线性区进入了线性区,并随着并随着Vout的下降，的下降，M1逐渐进入深线性区，电流逐渐进入深线性区，电流ID的变化趋缓，的变化趋缓，Vout趋近于地电平。趋近于地电平。（2）当当 ，M1导导通通，并并处处于于饱饱和和区区，漏漏极极电电流流ID在在电电阻阻RD上上产产生生压压降降,Vout下下降降，随随着着Vin增增大大，ID按按平平方方规规律律迅迅速速变变大大，Vout不不断断下下降降。在在这这一一段段MOS管管栅栅压压对漏极电流的控制作用最强。对漏极电流的控制作用最强。（1）当）当 ，M1没有导通，漏极没有导通，漏极电流电流ID为为0，输出，输出Vout为电源电压为电源电压VDD。图（图（3.2.2）NMOS管为管为输入管的共源放大器输入管的共源放大器4/23/202411A(Vin1,Vout1)直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析图（图（3.2.3)NMOS管的直流扫描特性曲线管的直流扫描特性曲线对对输输入入管管直直流流偏偏置置电电平平Vin进进行行扫扫描描，得得 到到 图图（3.2.3）所所示示的的输输入入输输出出特特性性曲曲线线。该该曲曲线线可可以以分分成成3段段，对对应应前前面面3种种不不同同的偏置状态。的偏置状态。4/23/202412计算直流工作点：计算直流工作点：我们希望放大器能有一定的增益，对这个共源放大器来说，就我们希望放大器能有一定的增益，对这个共源放大器来说，就要求栅极的输入信号能控制漏极电流，从而产生输出电压。要求栅极的输入信号能控制漏极电流，从而产生输出电压。显显然然，我我们们应应该该让让放放大大器器工工作作在在图图(3.2.4)中中间间的的一一段段(饱饱和和区区)，当当输输入入电电压压变变化化时时，能能产产生生较较大大的的输输出出电电压压变变化化。这这一一段段对对应应MOS管管工工作作在在饱饱和和区区，列列出出直直流流电电压电流关系方程：压电流关系方程：图（图（3.2.4）共源放大器的电压传输特性曲线）共源放大器的电压传输特性曲线A(Vin1,Vout1)4/23/202413 ,M1继续工作在饱和区继续工作在饱和区,直到直到 ,当当 时，即输入电压超过时，即输入电压超过A点电压后，点电压后，NMOS管从饱和区进入到线管从饱和区进入到线性区性区,对于这个临界点对于这个临界点A来说来说,满足：满足：根据这三个方程根据这三个方程,能够确定出转折点能够确定出转折点A点的直流电平点的直流电平Vin1和和Vout1。于是，放大器输入的动态范围是：于是，放大器输入的动态范围是：放大器输出的动态范围是放大器输出的动态范围是:4/23/202414当满足当满足 时，时，MOS管进入深三极管区。管进入深三极管区。这时这时MOS管相当于一个小的导通电阻管相当于一个小的导通电阻(如右图所示如右图所示):这时这时,当当时时,MOS管工作在线性区，管工作在线性区，当当4/23/202415交流小信号分析交流小信号分析(小信号模型小信号模型)电压增益电压增益其中，其中，,它与直流偏置量它与直流偏置量 或或 有关有关.通常小信号工作是指饱和区某一直流状态上作微弱信号变化通常小信号工作是指饱和区某一直流状态上作微弱信号变化.先考虑最简单的情况先考虑最简单的情况,即不考虑沟长调制效应的小信号等效电路即不考虑沟长调制效应的小信号等效电路.4/23/202416考虑沟长调制效应后等效电路：考虑沟长调制效应后等效电路：电压增益电压增益图中，图中，由由有有4/23/202417根据数学推导来计算交流小信号增益根据数学推导来计算交流小信号增益:a.不考虑沟长调制效应不考虑沟长调制效应根据根据b.考虑沟长调制效应考虑沟长调制效应根据根据4/23/202418使用使用得到得到由于由于,即即4/23/202419思考：如果需要提高这个共源放大器的增益，应该思考：如果需要提高这个共源放大器的增益，应该怎样来实现呢？怎样来实现呢？根据公式根据公式可以看出可以看出对对有影响有影响,是否越大越好呢是否越大越好呢?不考虑沟长调制效应不考虑沟长调制效应:4/23/202420对对 的影响的影响:A(Vin1,Vout1)当当M1工作在饱和区时工作在饱和区时,时增益最大。时增益最大。由由能否取能否取 呢呢?4/23/202421需要设置合适的静态工作点，即输入电压需要设置合适的静态工作点，即输入电压Vin要合理。要合理。这是图（这是图（3.2.2)中的放大器在不中的放大器在不同的输入电压下交流特性的曲同的输入电压下交流特性的曲线图。图中的每条曲线代表了线图。图中的每条曲线代表了不同的不同的Vgs下增益随频率的变化下增益随频率的变化关系。我们现在不用关心它们关系。我们现在不用关心它们是如何随频率变化的，我们要是如何随频率变化的，我们要注意的是在不同的直流工作点注意的是在不同的直流工作点下，这个放大器的增益是变化下，这个放大器的增益是变化的。从这一组曲线我们可以得的。从这一组曲线我们可以得知，当知，当NMOS的输入电压较高的输入电压较高时，器件就会脱离饱和区，时，器件就会脱离饱和区，进进入三极管区，器件的增益有较入三极管区，器件的增益有较大的降低大的降低。因此，这就解释了。因此，这就解释了为什么总是要让放大器中为什么总是要让放大器中MOS器件工作在饱和区。器件工作在饱和区。4/23/202422提高器件的宽长比，可以提高器件的增益。提高器件的宽长比，可以提高器件的增益。右图反映了当器件的右图反映了当器件的aspect增加时，器件的增益也大增加时，器件的增益也大大增加。大增加。思考：为了增加思考：为了增加MOS器件器件的增益，在一定的过驱动的增益，在一定的过驱动电压下可以任意增加器件电压下可以任意增加器件的宽长比吗？的宽长比吗？4/23/202423Vout=Vin-VTH的影响的影响限制最大输入电压摆幅限制最大输入电压摆幅输出结点的时间常数变大输出结点的时间常数变大VTH4/23/202424n本征增益：本征增益：n当共源放大器的负载为理想恒流源，当共源放大器的负载为理想恒流源，共源放大器的增益为本征增益。共源放大器的增益为本征增益。n即即 ，此时，此时 。n本征增益是共源放大器可获得的最大本征增益是共源放大器可获得的最大增益，对于理想长沟器增益，对于理想长沟器 ，其，其增益为增益为 。对短沟器件。对短沟器件 只有只有10100范围。范围。4/23/202425（2）若该电路）若该电路 ，,那么那么 如何变化？如何变化？两点说明：两点说明：（1）因）因 为为10100，所以，所以 为为10100。因。因此在以后的电路分析中常有此在以后的电路分析中常有 的近似。的近似。肯定会下降。肯定会下降。所以所以因为因为4/23/202426思思考考：当当NMOS管管工工作作在在饱饱和和区区，并并且且它它的的宽宽长长比比一一定定的的情情况况下下，改改变变器器件件的的沟沟道道电电流流，即即ID的的大大小小，器器件件的的增增益益如如何何变变化化？（是是不不是是饱饱和和区区沟沟道道电电流流越越大大，即直流点的工作电流越大，器件的增益越大呢？）即直流点的工作电流越大，器件的增益越大呢？）v因为因为MOS管处于饱和区，有管处于饱和区，有理论上，当器件工作于饱和区时，器件的沟道电流理论上，当器件工作于饱和区时，器件的沟道电流增加，放大器的增益减小。增加，放大器的增益减小。所以所以4/23/2024273.2.2 以二极管连接的以二极管连接的MOS管为负载的共源放大器管为负载的共源放大器.首先来看看什么是二极管连接的首先来看看什么是二极管连接的MOS器件器件DGSSGDDGSSGD正确接法正确接法错误接法错误接法4/23/202428当当 时时,MOS器件处于截止区器件处于截止区.当当 后后,由于栅漏短接由于栅漏短接,总是满足总是满足 ,因此因此MOS器件总是工作于饱和区器件总是工作于饱和区.直流大信号分析直流大信号分析n考虑右图所示的二极管连接电路考虑右图所示的二极管连接电路DGS4/23/202429直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析左左图图为为二二极极管管连连接接的的MOS的的沟沟道道电电流流ID随随着着VGS变变化化而而变变化化的的曲曲线线。反反映映出出MOS管管导导通通后后沟沟道道电电流流随随电电压压按按平平方方规规律律上上升升。我我们们习习惯惯上上称称这这种种连连接接为为二二极极管管连连接接，反反映映了了它它是是一一个个二二端端器器件。件。4/23/202430交流小信号分析交流小信号分析由左图可知由左图可知:所以所以,它的输出阻抗为它的输出阻抗为作出它的小信号模型图，如下：作出它的小信号模型图，如下：DGS4/23/202431n(2)当二极管连接当二极管连接MOS管作为负载时管作为负载时,会存在衬底偏置效会存在衬底偏置效应应,如下图如下图:由前面的本征增益的内容可知由前面的本征增益的内容可知:因此因此,二极管连接的等效电阻有时可以近似为二极管连接的等效电阻有时可以近似为4/23/202432此此时时，M2等等效效电电路路中中，应应将将gmbVbs并并联联gmVGS并并求电路等效电阻如下：求电路等效电阻如下：4/23/202433.二极管连接的负载的二极管连接的负载的CS放大器放大器直流大信号的分析直流大信号的分析,M1截止截止,M1导通导通,且工作在饱和区且工作在饱和区,随着随着 增加而下降增加而下降.,当当 时时,M1进入线性区进入线性区.4/23/202434Vinmax图图中中A点点为为M1管管Triode与与Saturation的的交交点点，显显然有输出、输入范围：然有输出、输入范围：直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析4/23/202435这里这里Voutmin，Vinmax可由下列方法计算可由下列方法计算:联立可算出联立可算出Voutmin，VinmaxA点满足点满足(假设假设 ):计算直流工作点计算直流工作点4/23/202436交流小信号的分析交流小信号的分析考虑体效应的考虑体效应的MOS二极管连接的共源放大器：二极管连接的共源放大器：由前面我们所学的知识可以直接得到它的增益表达式为：由前面我们所学的知识可以直接得到它的增益表达式为：()4/23/202437该式表明该放大器该式表明该放大器AV只与两管结构参数相关，输入与输出只与两管结构参数相关，输入与输出有良好的线性。有良好的线性。，则，则因为因为，所以，所以如果可以忽略如果可以忽略4/23/202438用数学推导得到小信号增益用数学推导得到小信号增益根据根据两边同时对两边同时对Vin微分微分,得到得到又因为又因为4/23/202439无体效应的无体效应的MOS二极管连接的共源放大器，即互补型的二极管连接的共源放大器，即互补型的MOS二极管连接的共源放大器：二极管连接的共源放大器：此电路无衬底偏置效应此电路无衬底偏置效应:当当时，时，4/23/202440设计考虑设计考虑该放大器要获得一定的电压增益，必须设该放大器要获得一定的电压增益，必须设计足够大的计足够大的(W/L)1,例如当设计例如当设计AV=10,由上式由上式可知可知,时时,(W/L)1=50(W/L)2.问题：由于问题：由于M1尺寸很大，尺寸很大，M2尺寸很小，而偏置电流相同，可尺寸很小，而偏置电流相同，可预计到预计到|VGS2|需要很大，即需要很大，即Vout直流偏置很低。直流偏置很低。或或即即10倍之差。倍之差。4/23/202441从从以以上上分分析析可可以以知知道道:互互补补二二极极管管负负载载放放大大器器靠靠增增大大M1管管的的宽宽长长比比提提高高增增益益,这这样样出出现现的的问问题题是是,在在直直流流I1=I2的的情情况况下下M2的的VGS占占用用很很大大空空间间，克克服服的的方方法法可可以以通通过过一一恒恒流流源源对对M2的的电电流分流，而负载电阻不受影响，如下图：流分流，而负载电阻不受影响，如下图：优点（以优点（以I2=(1/4)I1为例）：为例）：（1）提高增益：在）提高增益：在M1，M2结构参数不变结构参数不变及及M1电流为电流为I1情况下，情况下，M2管电流为管电流为(1/4)I1。于是于是提高了一倍。提高了一倍。由于：由于：4/23/202442（2）M2管偏置电压占用空间变小管偏置电压占用空间变小当当I2为原来的为原来的1/4 时时,由由减小为原来的减小为原来的1/2,则有则有也减小也减小.4/23/202443加入了恒流源与未加入恒流源器件的放大器增益的比较：加入了恒流源与未加入恒流源器件的放大器增益的比较：4/23/2024443.2.3 以恒流源为负载的共源放大器以恒流源为负载的共源放大器右图的电路是恒流源为负载的共源放大器：右图的电路是恒流源为负载的共源放大器：直流大信号的分析直流大信号的分析当当VinVthn时，时，M1导通，处于导通，处于saturation区，区，M2由由triode区区逐渐进入逐渐进入saturation区。区。当当VinVthn时，时，M1 cut off，M2由于由于Vb的存在，始终处于的存在，始终处于deep triode.4/23/202445 ，沟道电流增加，输出电压，沟道电流增加，输出电压Vout下降下降.这个区域是放大这个区域是放大器理想的工作区域。器理想的工作区域。当当Vout下降到低于下降到低于M1的过驱动电压后时，的过驱动电压后时，M1处于处于triode区，区，M2始终处于始终处于saturation区。区。沟道电流：沟道电流：4/23/202446直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析Vin1,Vout14/23/202447直流工作点的计算直流工作点的计算:根据下面的方程计算临界点根据下面的方程计算临界点Vin1和和Vout1的值的值:4/23/202448交流小信号的分析交流小信号的分析假设假设ro2很大，则很大，则4/23/2024493.2.4 以工作在线性区的以工作在线性区的MOS为负载的共源放大器为负载的共源放大器当当使使用用电电阻阻作作为为共共源源放放大大器器的的负负载载时时，集集成成电电阻阻将将占占据据很很大大的的面面积积，这这时时可可以以用用MOS管管电电阻阻代代替替集集成成电电阻阻作作为为负负载载，使使用用MOS电电阻阻的的共共源源放放大大器器结结构构如如下下图图所所示示。其其中中NMOS管管工工作作在在饱饱和和区区，PMOS管管的的栅栅极极偏偏置置在在较较低低的的电电位位，保保证证它它工工作作在在深线性区。深线性区。4/23/202450对对Vin进进行行扫扫描描，得得出出使使用用MOS电电阻阻的的共共源源放放大大器器的的直直流流传传输输特特性性曲曲线线如如右右图图所所示示。它它和和图图（3.2.3）所所示示的的电电阻阻负负载载的的共共源源放放大大器器的的直直流流传传输输特特性性相相似似。当当然然我我们们要要注注意意，在在不不同同的的电电压压偏偏置置情情况况下下，MOS电阻的大小是不同的。电阻的大小是不同的。直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析直流大信号分析直流大信号分析4/23/202451nM2工作在深线性区工作在深线性区(),M1工作在饱和区，如果忽略处于饱和区的工作在饱和区，如果忽略处于饱和区的M1的沟的沟长调制效应，则有下列的直流工作点的方程：长调制效应，则有下列的直流工作点的方程：计算直流工作点计算直流工作点4/23/2024523.2.5 带源极负反馈电阻的共源放大器带源极负反馈电阻的共源放大器首先我们来认识电路首先我们来认识电路:下图为带源极负反馈电阻的共源放大器。下图为带源极负反馈电阻的共源放大器。直流大信号的分析直流大信号的分析VoutRs上的电压上的电压直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析4/23/202453从从直直流流传传输输曲曲线线可可以以看看出出，因因为为源源极极电电阻阻的的加加入入，输输出出电电平平的直流工作范围变窄了，尤其是下拉的电平。的直流工作范围变窄了，尤其是下拉的电平。同同时时，源源极极负负反反馈馈电电阻阻的的加加入入是是一一个个使使放放大大器器线线性性化化的的措措施施，从直流工作的状态也可以看出来。从直流工作的状态也可以看出来。M1沟道电流沟道电流Id4/23/202454（1）等效跨导的分析：先不考虑）等效跨导的分析：先不考虑M1的体效应和沟长调制效应的体效应和沟长调制效应.交流小信号的分析交流小信号的分析因为：因为：定义电路的等效跨导定义电路的等效跨导:则则4/23/202455如果选深度反馈，如果选深度反馈，,只与只与RD、RS相关相关.则则 所以所以因为因为4/23/202456根据小信号模型图计算根据小信号模型图计算Gm:4/23/202457（2）跨导）跨导Gm等效电路求法等效电路求法(考虑考虑M1的体效应和沟长调制效应的体效应和沟长调制效应)以上分析中用了简化电路，即未考虑衬底偏置效应和沟长调制以上分析中用了简化电路，即未考虑衬底偏置效应和沟长调制效应。在考虑两个效应的情况下可用下面等效电路来求效应。在考虑两个效应的情况下可用下面等效电路来求Gm。由图可列出：由图可列出：GDSB4/23/202458而而 上的电流上的电流,于是可写出：于是可写出：于是得到于是得到通常这种电路满足通常这种电路满足故故当当 时，时，4/23/202459当当 很小，即很小，即 很小时，很小时，当当 较大时，较大时，变化率呈减缓趋势；变化率呈减缓趋势；此时，此时，当当 足够大时，足够大时，为一常量，即为一常量，即而在一定的而在一定的 下，下，足够大也会使足够大也会使，又，又4/23/202460要点：对于带要点：对于带 的的CS放大器，采用较大的放大器，采用较大的 或选取较大或选取较大的静态工作电流（表现为的静态工作电流（表现为 大或大或 大），可获得好的线大），可获得好的线性度。性度。（3）输出电阻）输出电阻计算输出电阻的等效电路计算输出电阻的等效电路:4/23/202461由图知：由图知：于是可写出：于是可写出：解得：解得：GSBD4/23/202462（4）完整增益计算：）完整增益计算：于是可写出于是可写出:又因为又因为IXVXIXSDGB4/23/202463将将(3.71)式中的分子和分母都乘以式中的分子和分母都乘以(3.71)整理得到整理得到:4/23/202464作业作业n3.1 3.2n3.3 3.4n3.5 3.12n3.144/23/2024653.3 共漏放大器（源极跟随器）共漏放大器（源极跟随器）首先认识电路：首先认识电路：VinVTH时，时，M1处于饱和区处于饱和区,沟道电流按平方律的规律上升。沟道电流按平方律的规律上升。电流方程电流方程:直流大信号的分析直流大信号的分析计算直流工作点：计算直流工作点：4/23/202466直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析VoutId4/23/202467交流小信号分析交流小信号分析(1)不考虑不考虑ro的存在的存在(解一解一:小信号模型小信号模型):由由解得解得:(3.80)4/23/202468对对Vin求微分得到求微分得到:解二解二:数学推导数学推导解得解得:又因为又因为根据根据4/23/202469分析：分析：（1）(3.80)式可写为式可写为:与带源衰减电阻与带源衰减电阻CS的等效跨导相同的等效跨导相同.（2）当跟随器）当跟随器Vin较大时，较大时，ID相应大，相应大，gm+gmb大，或者当大，或者当Rs很很大时，满足大时，满足此时此时一般有一般有，故，故(3.89)4/23/202470当当 足够大时，足够大时，VoutVinRE+-rbeREIbVoutVin与双极跟随器比较：与双极跟随器比较：对对MOS跟随器，由于衬底偏置效应，跟随器，由于衬底偏置效应，最大为最大为0.83。，故有，故有4/23/202471（2）恒流源负载源跟随器）恒流源负载源跟随器将将 代入代入(3.80)式式或直接用或直接用(3.89)式有式有4/23/202472小信号模型小信号模型:4/23/202473数学推导数学推导:根据根据对对Vin求微分得到求微分得到:又因为又因为解得解得4/23/202474（3）源极跟随器输出电阻）源极跟随器输出电阻将将Vin短路，求短路，求Rout的等效电路为：的等效电路为：该等效电路与求二极管负载等效电路相同该等效电路与求二极管负载等效电路相同,输出电阻等于二极管输出电阻等于二极管连接的动态电阻（有连接的动态电阻（有body效应情况）：效应情况）：由由4/23/202475For example：求下面电路的增益表达式：求下面电路的增益表达式：考虑考虑ro的存在的存在:4/23/202476课堂练习课堂练习:画出例画出例3.8的等效小信号模型的等效小信号模型.4/23/202477)当当Vout降降低低到到Vb-VTH时时，器器件件从从饱饱和和区区进进入入到到三三极极管管区区。当当Vin继继续续下下降降，Vout下下降降，M1器器件件工工作作在在深深三三极极管管区区后后，Vout接接近近0电平电平,沟道电流达到最大值：沟道电流达到最大值：VDD/RD.)当当Vin下下降降到到Vb-VTH时时，M1导导通通,且且工工作作在在饱饱和和区区,输输出出电电压压Vout从从VDD开开始始下下降降。当当Vin继继续续降降低低时时，沟沟道道电电流流继继续续增增加加,Vout继续降低继续降低.直流大信号的分析直流大信号的分析3.4 共栅放大器共栅放大器)Vin Vb-VTH,M1截止截止,电流电流ID=0,Vout=VDD4/23/202478直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析IxVout4/23/202479计算直流工作点：计算直流工作点：在饱和区，满足在饱和区，满足分析：从以上大信号特性可看出，在饱和区和分析：从以上大信号特性可看出，在饱和区和Triode区，区，Vin上上升，升，Vout上升，即上升，即Vout与与Vin同方向变化同方向变化.在非饱和区，满足在非饱和区，满足在截止区，在截止区，4/23/202480交流小信号分析交流小信号分析由由 有有:数学推导：数学推导：(考虑考虑body效应，不考虑沟长调制效应。效应，不考虑沟长调制效应。)因为因为,所以所以于是有于是有:4/23/202481作出完整的小信号等效电路图如下：作出完整的小信号等效电路图如下：)首先计算首先计算Av：不考虑不考虑ro和和RS.这和前面利用数学推导的表达式是一致的。这和前面利用数学推导的表达式是一致的。由图知由图知:,于是于是4/23/202482若考虑沟长调制效应，并将信号源内阻若考虑沟长调制效应，并将信号源内阻RS一并考虑一并考虑.4/23/202483(2)CG与负反馈与负反馈CS比较。在相同的比较。在相同的M1和和 RD 下，两种情况增下，两种情况增益基本相同（益基本相同（CG级稍大）级稍大）,符号相反。符号相反。(1)为什么要考虑信号源为什么要考虑信号源Vin的内阻的内阻?因为因为CG级输入阻抗小，在分析中级输入阻抗小，在分析中RS有时起很大作用。有时起很大作用。说明说明稍稍大大的的原原因因：Vin增增大大时时不不仅仅V1下下降降，使使ID下下降降，Vout上上升升，且且由由于于S极极电电位位提提高高，衬衬底底反反偏偏增增大大，它它们们的的作作用用能能使使ID 下下降降，Vout上上升升，故故在在CG结结构构中中，body效效应应的的作作用用是是可可以以提提高电压增益。高电压增益。负反馈负反馈CS:4/23/202484练习练习:求以电流源为负载的共栅极的电压增益求以电流源为负载的共栅极的电压增益(用小信号等效用小信号等效电路或者数学推导的方法电路或者数学推导的方法.)(例例3.12)例例3.114/23/202485解一解一:利用小信号模型图利用小信号模型图+_+_4/23/202486解二解二:数学推导数学推导对对Vin求微分得求微分得又因为又因为4/23/202487）CG电路的输入阻抗的计算：电路的输入阻抗的计算：对对于于一一个个MOSFET来来说说，从从G极极看看进进去去的的输输入入阻阻抗抗，由由于于金金属属栅栅与与下下面面的的半半导导体体是是由由SiO2绝绝缘缘层层隔隔离离开开来来的的，所所以以RGS主主要要是是栅栅极极下下面面SiO2层层的的绝绝缘缘电电阻阻值值。只只要要栅栅氧氧化化层层没没有有严严重重缺缺陷陷，RGS就就容容易易达达到到109以以下下。输输入入阻阻抗抗很很高高，而而对对CG电电路路来来看看，输输入入是是从从源源极极输输入入的的，我我们们利利用用小小信信号号模模型来求小信号电阻。型来求小信号电阻。4/23/202488由图有由图有:因此因此GDSB则则4/23/202489讨论：讨论：1）如果）如果RD ro 或按一般规律计算或按一般规律计算Rin,即输出接地即输出接地(RD=0),则则这种情况又回到了求二极管连接这种情况又回到了求二极管连接MOS结构动态电阻的情况，因结构动态电阻的情况，因为为CG结构中，令结构中，令 RD=0，放大器件相当于二极管连接。，放大器件相当于二极管连接。2）当当负负载载为为恒恒流流源源时时,RD为为恒恒流流源源的的输输出出电电阻阻 ro,它它对对CG级级输输入入电电阻阻的的影影响响很很大大，一一个个极极端端的的情情况况是是：当当RD为为一一理理想想恒恒流流源源时，即时，即 RD，则，则 Rin 。因此，因此，CG级输入电阻的大小，要看级输入电阻的大小，要看 RD 的大小。的大小。4/23/202490）CG CG电路的输出阻抗的计算电路的输出阻抗的计算当计入信号源电阻当计入信号源电阻 时，计算时，计算 如下图如下图:这个等效电路完全等同于计算带这个等效电路完全等同于计算带 的的CS级输出电阻的等效电级输出电阻的等效电路。路。与与3.60式相同。式相同。练习练习:例例3.134/23/2024913.5 Cascode Stage这种电路结构的特点：这种电路结构的特点：输入阻抗高（同输入阻抗高（同CS级）级）输出阻抗同输出阻抗同CG级级M2无密勒效应，速度快无密勒效应，速度快输出、输入隔离作用输出、输入隔离作用首先认识电路首先认识电路:4/23/202492直流大信号的分析直流大信号的分析)时，时，M1，M2都截止都截止,)时，时，M1、M2都进入饱和区都进入饱和区.随着随着Vin的上升，的上升，Vout 和和VX 都下降。都下降。)当当 Vin达到一定值时，达到一定值时，M1、M2分别进入三极管区，进入的先分别进入三极管区，进入的先后和两管的参数有关后和两管的参数有关.4/23/202493VoutVx直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析ID4/23/202494)由图可知，由图可知，M1 进入临界饱和时满足进入临界饱和时满足或或M2进入临界饱和时满足进入临界饱和时满足若设计两管同时进入临界饱和状态，将若设计两管同时进入临界饱和状态，将代入得代入得为为M1，M2均在饱和区工作的最小值，均在饱和区工作的最小值，的最大摆动范围为的最大摆动范围为也就是也就是.4/23/202495交流小信号的分析交流小信号的分析计算的计算的 等效电路：（忽略两个器件的沟长调制效应）等效电路：（忽略两个器件的沟长调制效应）从上面等效电路即可得到从上面等效电路即可得到 ,与与CS级完全相级完全相同同,即与即与M2无关。无关。4/23/202496分析：从以上分析：从以上AV 分析看，该电路分析看，该电路 AV未增加，而未增加，而Vout 动态范动态范围则比围则比CS级更小，那么级更小，那么CS-CG有什么特色呢？有什么特色呢？VX4/23/202497速度问题：速度问题：M2管管 CDG无密勒效应。无密勒效应。M1管管 CDG有密勒效应。有密勒效应。但由于但由于 VX/Vin 相对很小，密勒效应弱。而输出阻抗高则可与恒相对很小，密勒效应弱。而输出阻抗高则可与恒流源负载匹配，形成高增益。下面予以分析：流源负载匹配，形成高增益。下面予以分析：Cascode 的输出电阻的输出电阻 求求Cascode的输出电阻等效电路：的输出电阻等效电路：又又回回到到了了带带RS的的CS级级输输出出电电阻阻或或考考虑虑信信号号源源内内阻阻RS的的CG级级输输出出电电阻阻的的情情况况。我我们们将将M1的的输输出出电电阻阻看看作作M2的的源源串串联联电电阻阻或或CG放放大大器器的的信信号号源源内内阻阻，输输出出电阻为：电阻为：4/23/202498这个电阻远大于这个电阻远大于CS级输出电阻级输出电阻 。令令则则即即M2将将M1的输出阻抗提高至原来的的输出阻抗提高至原来的 倍倍.4/23/202499Triple Cascode 三层级联的输出电阻三层级联的输出电阻M3Vb2RSRout4/23/2024100Cascode 本征增益（以两层本征增益（以两层Cascode为例）为例）即两管本征增益之积即两管本征增益之积.时时4/23/2024101Cascode Current Source 作放大器负载（作放大器负载（Telescopic）增益增益:Vout摆幅：摆幅：M1,M2 Cascode output：M3,M4 Cascode output：4/23/2024102练习练习:求以恒流源为负载的共源共栅放大器的精确的求以恒流源为负载的共源共栅放大器的精确的增益表达式增益表达式(例例3.15)利用辅助定理利用辅助定理4/23/20241034/23/2024104利用戴维南定理利用戴维南定理4/23/20241053.5.1 folded cascode(1)基本结构基本结构I1恒流源为恒流源为M1，M2提供偏置电流提供偏置电流,以以(c)为例进行分析。为例进行分析。4/23/20241061)当当VinVTH1时，时，ID1=0，ID2=I1，VoutI1RD，达到最大。，达到最大。2)随随着着Vin的的上上升升，M1的的沟沟道道电电流流ID1增增加加，负负载载阻阻抗抗上上的的电电流流ID2减减小小，输输出出电电压压下下降降。当当M2上上没没有有电流时，电流时，Vout降为降为0。直流传输特性曲线的分析直流传输特性曲线的分析直流大信号的分析直流大信号的分析4/23/2024107Vout4/23/2024108ID2ID14/23/2024109 从这个过程我们可以看出，折叠级联的结构与前面学习的直从这个过程我们可以看出，折叠级联的结构与前面学习的直筒式结构的最大区别是：筒式结构的最大区别是：前前者者相相对对于于后后者者多多了了一一个个恒恒流流源源I1，这这个个恒恒流流源源既既作作为为输输入入管管M1的的输输出出电电流流与与折折叠叠管管的的电电流流传传递递媒媒介介，也也是是整整个个电电路路的电流偏置回路。的电流偏置回路。交流小信号分析交流小信号分析 若若将将I1看看作作是是理理想想的的恒恒流流源源，其其动动态态电电阻阻为为，这这时时折折叠叠式式的的小小信信号号等等效效电电路路完完全全等等同同于于直直筒筒式式的的等等效效电电路路。只只不不过过其其中中的的CG级级换换成成了了另另一一种种MOS器器件件。而而这这种种近近似似是是可可行行的的，因因为为I1实实际际为为一一MOS电电流流源源，其其动动态态电电阻阻往往往往很很大大，而而CG级级输输入电阻相对较小，入电阻相对较小，I1的交流分流作用可以忽略。的交流分流作用可以忽略。4/23/2024110n因此，折叠式级联结构的交流输因此，折叠式级联结构的交流输出阻抗仍然是：出阻抗仍然是：增益表达式也和直筒式的级联结构一样增益表达式也和直筒式的级联结构一样:4/23/2024111作业作业3.4 3.54/23/2024112