最新整理单级放大器

1、单级放大器由于模拟或数字信号太小而不能驱动负载等， 在模拟电路中就必须采用放大 器对信号进行放大。在本章中重点描述五种放大器结构：共源、共栅、源极跟随 器和级联结构以及CMO放大器。对于每一种结构，先进行直流分析，然后进行 低频交流小信号分析。 分析方法一般都先采用一个简单模型进行分析， 然后逐步 增加一些诸如沟道调制效应、衬底效应等二阶效应的分析。放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工作电压、线性、噪声、最大电 压摆幅以及输入、 输出阻抗等。 其中的大部分性能指标之间是相互影响的， 因而 进行设计时必须实现多维的优化。3.1 共源放大器所谓共源放大器是指输入输出回路中都包含MOS1的源极，

2、即输入信号从MOSt的栅极输入，而输出信号从 MOS管的漏极取出。根据放大器的负载不同， 共源放大器可以分为三种形式：无源负载共源放大器及有源负载共源放大器。3.1.1 无源负载共源放大器无源负载主要有电阻、电感与电容等，这里主要讨论电阻负载与电感电容谐 振负载时共源放大器的特性。1 电阻负载共源放大器电阻负载共源（CS放大器结构如图3.1（a）所示。对此进行直流分析（确 定工作点）与低频交流小信号分析。对于共源放大器，根据第二章的分析，对于 低频交流信号从栅极输入时， 其输入阻抗很大， 所以在分析时可不考虑输入阻抗 的影响。（ a）（b）图 3.1（a） 电阻负载的共源级 （b） 深三极管区

3、的等效电路（ 1 ） 直流分析先忽略沟道调制效应，根据KCL定理，由图3.1（a）可列出其直流工作的方程：（ 3.1 ）而当VGSVth时，MOSt导通，根据萨氏方程有：（ 3.2 ）把式（3.2 ）代入式（3.1 ）中，可得到其直流工作方程为（注：VG& Vi，VDS= Vo）:（ 3.3 ）对方程（ 3.3 ）进行进一步的讨论：截止区：Vi v Vth，贝U Vo= VDD饱和区：Vi Vth，且 Vi- VthVi -Vth。在设计放大器时以保证工 作管处于饱和。由图 3.2(b) 可以很直观地发现，直流工作点不能设置得太高，因为太高时， 容易进入三极管区， 从而减小了放大器的增益， 也

4、即减小了输入输出的压摆。 当 然，直流工作点也不能设置得太小，因为这会使MOS?进入截止区，进而使放大 器不能工作， 因此直流工作点太小， 其输入输出电压的摆幅也很小。 所以此类电 路的直流工作点位置的确定与电路的输入输出摆幅直接相关。( 2)交流小信号分析忽略沟道调制效应，并根据 MOS管的交流小信号模型，图3.1 (a)中的电 路可等效成如图 3.3 所示的小信号等效电路。图 3.3 饱和区的小信号模型则根据基尔霍夫定理(KCL定理)，由图3.3可以直接得到：(3.7 )所以该放大电路的电压增益为：( 3.8 ) 上式中的负号表示输出电压与输入电压的变化极性相反。根据第二章跨导gm的表达式

5、可把(3.8 )式重写为：(3.9 )上式中VR是指M1的漏极电流在电阻R上产生的压降。因此，由式( 3.8)与式( 3.9)可看出，提高 Av 的方法有(其它参数不变 只改变某一参数)：1) 提高跨导值：增大KN即增大W/L,缺点：会导致大的器件寄生电容。2) 增大负载电阻R,因此在同样的ID时VR也相应增大，缺点：会减小输 出电压摆幅(因为输出的最小电压为 VDd VR以及输入信号范围(M1 工作在饱和区的条件是 VD VR Vi - Vth，当VR增大时，Vi必须减小 以确保M1工作于饱和区)。3) 减小ID，但注意要同时增大负载电阻以保证 VR为一常数，缺点：导致输出节点存在大的时间常

6、数，减小了带宽。 因此，该电路在增益、输入输出电压摆幅、带宽之间必须进行合理的折衷。( 3) 考虑沟道调制效应 直流分析考虑沟道调制效应时，其直流工作特性方程为：(3.10 )对于图3.1 (a)所示的电路，在考虑沟道调制效应时，其直流负载线仍是 与图3.2 (b)所示的一条直线，但根据第二章的内容可知，在考虑沟道调制效 应时，其输出特性曲线是一条与 VDS成一定角度的斜线而不是一条水平线，所以对于此类情况， 图解法求解其直流工作点时， 只需将图中的水平线用一条具有一 定斜率的直线来替代即可。交流分析考虑沟道调制效应的交流小信号等效电路如图 3.4 所示。图 3.4 考虑沟道调制效应的共源级小

7、信号等效电路根据KCL定理可以直接得到交流小信号电压增益为：(3.11)由于，故有：(3.11) 由式(3.12)可以看出：考虑沟道调制效应时，其交流小信号增益减小，并且R值越大，M1的沟道调制效应越明显。由以上分析可看出，这种放大器具有如下特点：1) 该放大器电路的输出阻抗小，电压增益小；2) 若通过增大电阻R来提高小信号电压增益，则必然使M1很快进入线性区；3) 该电路一般只用作低增益高频放大器(因为电阻R的寄生电容远小于电 流镜等有源负载的寄生电容) 。4) 电阻R的工艺误差接近土 20%所以该电路的增益误差较大，即易产生非 线性失真。2 LC 谐振器负载以LC谐振器作为共源放大器的负载的电路结构如图3.5所示，并且图中所示的电容C包括了 M1的寄生电容。图3.5 带LC谐振器负载的共源放大器其直流分析与交流小信号分析同3.1.1节相似，其中负载R用j CD L+(1/j CD C) 替换，所以此电路在忽略沟道调制效应时的电压增益为：(3.13)而在考虑沟道调制效应时的电压