CMOS混合信号电路设计答案

CMOS 混合集成电路 一 图 1 是典型的共栅放大器的电路图 请画出电路小信号等效电路图 采用 小信号分析方法 推导框内公式 并给出共栅放大器的优点和典型应用 图 1 解答 共栅放大器的小信号等效电路图如下所示 其中为负载电阻 L R G S B DVo Vgs Vbs gmVgs ro gmbVbs Vi I D R L R 得到 1 ibsgs VVV 2 o bsmbgsm LD r ViVo VgVg R Vo R Vo I 由 1 2 解得 oLD o mbm rRR r gg Vi Vo Av 111 1 ombm LD mbm ombm LDo ombm LDo LD o mbm oLD i rgg RR gg rgg RRr rgg RRr RR Vo r gg rRR Vo I Vi R 1 1 11 1 111 当输出短接时的等效跨导为 o i imbim r V VgVgI mbm o mbm i m gg r gg V I G 1 计算输出电阻的小信号等效电路如下所示 G S DVo Vgs gmVgs ro gmbVbs I D R S R o V B 得到 3 sbsgs RIVV 4 D o bsmbgsm o so R V VgVg r RIV I 由 3 4 可得到 sombmDosombmD o o RrggRrRrggR I V R 1 共栅级放大器具有较低的输入电阻 高的输出电阻和单位电流增益 可以用于 电流缓冲器 适用于高频和高带宽电路 二 图 2 是典型的共漏放大器的电路图 请画出电路小信号等效电路图 采用 小信号分析方法 推导框内公式 并给出共漏放大器的优点和典型应用 图 2 解答 共漏放大器的小信号等效电路图如下所示 G S B D Vgs gmVgs ro gmbVbs Vi VoLR I 得到 obsoigs VVVVV 1 2 L o o o bsmbgsm R V r V VgVg 由 1 2 解得 xrgg rg R Rr gg g V V Av ombm om L Lo mbm m i o 1 1 1 11 当输出短接时的等效跨导为 m i m im g V I G VgI 由上式可以得到 Lo mbm m o Rr gg G Av R 11 1 共漏级放大器具有输入电阻高 输出电阻低 增益近似为 1 也称为源极跟随 器 可用于输入级 输出级和缓冲级电路 三 图 3 是共源放大器的典型应用的电路图 请画出电路小信号等效电路图 采用小信号分析方法 推导框内公式 并给出其的优点 图 3 解答 共源放大器的小信号等效电路图如下所示 其中为负载电阻 L R G S D Vgs gmVgs ro Vi Vo S R L R out i 得到 1 sigs RIVV L o o so gsm R V r RIV VgI 2 由 1 2 解得 omL Lo s sm o m i o rgR Rr R Rg r g V V Av 1 1 1 当输出短接时的等效跨导为 o s sim r RI RIVgI sm m o s sm m i m Rg g r R Rg g V I G 1 1 计算输出电阻的小信号等效电路如下所示 G S D Vgs gmVgs ro Vo S R out i o so sm r IRV IRgI osmsosm o o rRgRrRg I V R 1 1 共源级放大器的高频等效电路如下所示 G S D Vgs gmVgs Vi Vo S R I GS C SC I gI R SC I V GS m s GS i SC Rg R SC Rg I V GS sm s GS smi 11 得到 sm GS inR Rg C C 1 共源级放大器具有电压增益高 输入电阻较大 适用于一些多级放大器电路的 中间级或输出级 4 图 4 所示 1 指出放大器的类型 M2 管的作用是什么 2 如果有源负 载为简单的镜像电流源 请分析电路工作电压范围 输出阻抗 增益 和极点 频率 3 如果有源负载为增强型共源 共栅电流镜 请分析电路工作电压范 围 输出阻抗 增益 和极点频率 4 比较 2 3 两种情况下的电路性 能 图 4 解答 1 放大器为共源共栅级放大器 M2 管共栅级连结提高输出阻抗 但是会产 生电压余度消耗问题 在 M2 栅源间接一个放大器 可以提高 M2 的跨导 相 应阻抗也提高了 但并不会消耗过多的电压余度 2 当有源负载为简单的镜像电流源时 电路如下图所示 Vb Vin M1 M2 M3 VDD CL IoutVout IrefP Y 输入电压工作条件 THYTH TVVinT 输出电压摆幅 123THGSTHGSSGDD VVVVVV 输出阻抗 3020123020120201 1 omomout rrrAgrrrgArrR 增益 3020121ommoutmV rrrAggRGA 极点频率 LoutC R w 1 3 当有源负载为增强型共源 共栅电流镜时 电路如下图所示 Vb Vin M1 M2 M3 VDD CL IoutVout IrefP Y M4 输入电压工作条件 THYTH TVVinT 输出电压摆幅 1234THGSTHGSSGSGDD VVVVVVV 输出阻抗为 4330201243343020120201 1 oommoomoomout rrgrrAgrrgrrrrgArrR 增益 4033020121ommmoutmV rrgrrAggRGA 极点频率 LoutC R w 1 4 当有源负载为简单的镜像电流源时 输出范围较有源负载为增强型共源 共 栅电流镜宽一个 3 中由于负载电流连接成共源共栅结构 输出电阻较 GS V 2 增大 因此输出增益也增大 同时也造成 3 中极点频率降低 这会导 致电路的驱动能力和速度下降 5 求 MOS 器件及 R 负载构成的共源放大器输出及输入噪声 令 MOS 器件输 出噪声电流为 热噪声电流为 输出噪声为 等效输入噪声为 2 inn I 2 Rn I 2 outn V 2 inn V 等效电路如图 5 所示 图 5 解答 MOS 管会产生热噪声和 1 f 噪声 负载电阻 R 会产生热噪声 并且各种 噪声是非相关的 3 2 4 22 1 2 2 WLfCKggkTIII OXmmfnthninn DRn RkTI 4 2 因此输出总噪声 2222 2 2 4 3 2 4 DDOXmmDRninnoutn RRkT