模拟集成电路设计 课件 第3章 单级放大器

模拟集成电路设计第三章单级放大器一、放大器引言二、共源放大器三、共漏放大器四、共栅放大器五、共源共栅放大器六、总结一、放大器的类型根据放大器输入输出信号的类型,可以将放大器分为四种,即电压放大器、

跨阻放大器、

跨导放大器以及电流放大器,如图所示。不同类型放大器在理想条件下的输入、输出阻抗不同。

（a）对于输入阻抗,

电压放大器和跨导放大器的输入阻抗很高,

适合电压输入;

（b）跨阻放大器和电流放大器的输入阻抗很低,

适合电流输入。

（c）对于输出阻抗,

电压放大器和跨阻放大器的输出阻抗很低,

适合电压输出;

（d）跨导放大器和电流放大器的输出阻抗很高,

适合电流输出。1.MOSFET各端特性分析MOSFET具有压控电流源的特性,当输入电压发生变化时,压控电流源将变化的输入电压转换为变化的电流,变化的电流作用在负载电阻上,就可以得到变化的输出电压,从而具备实现电压放大的能力。(1)衬底。NMOS的衬底一般接电路的最低电位。(2)栅极。MOSFET的栅极是直流开路的,考虑到栅极是压控电流源的控制端,因此栅极可以作为输入端,但不适合作为输出端。(3)漏极。首先分析漏极阻抗,漏极电流iD与漏源电压VDS的关系如图所示,考虑到处于饱和区时,Vds对于iD的控制作用不明显,曲线斜率很小,因此漏极是高阻端,适合作为电流输出节点。

此外,考虑到漏极对于压控电流源没有控制作用,漏极不适合作为输入端。MOSFET漏极电流与漏源电压的关系1.MOSFET各端特性分析(4)源极。

首先分析源极阻抗,漏极电流iD与栅源电压cs的关系如图所示,当源极电压变化时,vcs对于iD的控制作用很强,曲线斜率很大,源极是一个低阻节点,适合作为电压输出节点。

此外,考虑到源极电压对于压控电流源具有控制作用,源极也可以作为输入端。综上,MOSFET栅极、

源极适合作为输入端口,漏极、

源极适合作为输出端口。经排列组合,基于单个MOSFET的单级放大器有三种常用的连接方式:栅极输入-漏极输出、栅极输入-源极输出、源极输入-漏极输出。

通常,单级放大器以输入和输出的公共参考端口命名,如,栅极输入

漏极输出连接方式构成

共源极放大器,即源极接交流地,输入和输出以源极作为公共参考端,其他两种连接方式同理。MOSFET漏极电流与栅源电压的关系一、放大器引言二、共源放大器三、共漏放大器四、共栅放大器五、共源共栅放大器六、总结一、共源放大器2.不同负载条件下的共源放大器1.电阻作为负载电阻作为负载的共源放大器图展示了电阻作为负载的共源放大器,

将分别进行大信号、小信号分析。大信号分析用于确定放大器可以正常工作的直流工作区间,

小信号分析用于分析放大器在正常直流工作区间的增益、阻抗、等效跨导等小信号特性。大信号分析：若V>VT+VOUT,M1将进入线性区,输出电压为：为确定放大器正常工作的直流工作区间，将输人从0到VDD遍历，观察放大器中关键信号节点的电平以及晶体管的工作区域。当VIN＜VT时，M1处于截止区，漏极电流ID=0，输出电压为电源电压VDD。当VIN超过VT时，M1导通，输出电压开始下降。在VT<VIN＜VT+Vout的范围内，M1处于饱和区，输出电压为大信号分析：电阻作为负载的共源放大器的电压传输特性曲线在饱和区时,

M1漏极电流受到输入电压的控制,

电路增益

(曲线斜率)

较大,

适合作为放大器;在线性区时,随着输入电压的增加,

M1

输出电压基本不受到输入电压的影响,等效为一个电阻,

电路增益

(曲线斜率)

较小。当VIN继续升高时，M1将进入深线性区，输出电压变为两个电阻的分压大信号分析：饱和区，线性区的电压增益一、共源放大器2.小信号分析根据大信号分析可知,在共源放大器中,晶体管处于饱和区时放大器具有更高的增益。

给出了电阻作为负载的NMOS共源放大器的小信号等效电路,其中电源电压VDD在小信号分析中作为交流地。由于晶体管Vbs=0,无须考虑体效应的影响。电阻作为负载的NMOS共源放大器的小信号等效电路电阻作为负载的NMOS共源放大器的小信号等效电路输出电流等效跨导输出阻抗小信号电压增益电阻作为负载的NMOS共源放大器的小信号等效电路由于晶体管输出阻抗rds远大于RD,增益可以近似表达为A,=-gmRD,代入gm的表达式,得其中,ID为晶体管的静态漏极电流。

由式可知,静态电流以及负载电阻越大,增益越大。但同时需要考虑静态工作点的影响,M1的漏源电压可以表示为尽管大的静态电流以及负载电阻可以产生高增益,但M1也越容易进入线性区,在当前直流工作点下所允许的输出电压摆幅也相应越小。一、共源放大器2.不同负载条件下的共源放大器二极管连接的晶体管作为负载的共源放大器1.二极管连接的晶体管作为负载小信号等效模型一、共源放大器1.二极管连接的晶体管作为负载有体效应根据KCL:M2的源极阻抗：电路增益：一、共源放大器二极管连接的晶体管作为负载的共源放大器1.假设使用深N阱工艺的NMOS,可以去除体效应,并忽略沟道长度调制效应小信号等效模型95共源放大器的增益仅取决于M1和M2的尺寸之比。

当输入电压发生变化时,M1将输入电压的变化转换为漏极电流的变化,完成平方律运算,然后M2将漏极电流的变化再转化为输出电压的变化,完成反平方律运算,两种运算相互抵消,因此该电路具有较好的线性度,即电压增益与输入电压无关。二极管连接的晶体管作为负载例题过程计算图中二极管连接的PMOS作为负载时的小信号增益。123计算二极管连接型PMIOS的输出阻抗可以得到，M4的漏极阻抗为因此，电路增益为一、共源放大器输出摆幅二极管连接的器件作为负载的共源放大器,使用的局限性在于M1和M2的尺寸之比不能过大(否则M2的Vgs将会严重减小输出摆幅)。

同时使用二极管连接的晶体管和电流源作为负载可以缓解该问题,如图所示。

通过引入电流源M3,减小了M2的静态电流,从而减小了M2的栅源电压。二极管连接的晶体管和电流源共同作为负载的共源放大器一、共源放大器2.不同负载条件下的共源放大器电流源作为负载的共源放大器1.电流源作为负载电流源作为负载的共源放大器的电压传输特性分析大信号特性一、共源放大器小信号特性接下来分析小信号特性,小信号等效电路如图所示。采用与上文相同的分析方法,该电路的小信号增益如式所示,若两个晶体管的输出阻抗相近,则该电路的电压增益约为晶体管本征增益的一半。电流源作为负载的共源放大器的小信号等效电路例题过程分析图中放大器的大信号电压传输特性与小信号增益。反相器的电压传输特性曲线如图所示，在传输特性曲线上有一段输出电压随输入电压快速变化的区域(B点和C点之间),晶体管偏置在该区域时可作为放大器使用。1基于反相器的共源放大器两个晶体管偏置在饱和区大信号分析例题过程分析图中放大器的大信号电压传输特性与小信号增益。2基于反相器的共源放大器小信号分析输出电流：等效跨导和输出阻抗：电压增益：基于反相器的共源放大器的小信号等效电路图一、共源放大器带源极负反馈的共源放大器如何改善非线性？带源极负反馈的共源放大器共源放大器的源极串联一个电阻,构成带源极负反馈的共源放大器

串联电阻Rs称为负反馈电阻,也称为源极退化电阻一、共源放大器带源极负反馈的共源放大器大信号分析：带源极负反馈的共源放大器一、共源放大器此时电路的等效跨导可认为是常数带源极负反馈的共源放大器的大信号特性带源极负反馈的共源放大器等效跨导当输入电压VIN从0开始逐渐增加，图展示了漏极电流随输入电压变化的特性曲线。对于带源极负反馈的共源放大器，随着VIN的增加，ID不再以平方律上升，而是呈现线性增加的趋势，斜率约1/Rs。此时，电路的等效跨导近似为固定值，放大器的非线性失真降低。一、共源放大器带源极负反馈的共源放大器的小信号等效电路带源极负反馈的共源放大器小信号分析计算电路的等效跨导和输出阻抗又由于一、共源放大器带源极负反馈的共源放大器小信号分析计算电路的等效跨导和输出阻抗带源极负反馈的共源放大器的小信号等效电路一、共源放大器带源极负反馈的共源放大器等效跨导带源极负反馈的共源放大器等效跨导随输入电压的变化曲线此时电路的等效跨导已近似与晶体管跨导gm无关,而是取决于负反馈电阻,电路的线性度得到提高。

图给出了带源极负反馈的共源放大器等效跨导Gm随输入电压Vin的变化曲线,当Vin<VT时,晶体管没有导通,Gm=0;当Vin>VT时,晶体管导通,Gm随着Vin的增加而增大;当Vin增加到满足gmRs1时,Gm趋近于1/Rs.一、共源放大器计算带源极负反馈的共源放大器的输出电阻等效模型带源极负反馈的共源放大器电压增益计算电路的输出阻抗电压增益Av可表示为忽略体效应带源极负反馈的共源放大器优点如果gmRs1且忽略体效应注意此时电路的增益仅与电阻比值有关,而与晶体管的跨导无关。

说明源极负反馈能降低放大器增益对PVT变化的敏感度,这是使用带源极负反馈的共源放大器的另一优点。等效跨导的直观分析一、放大器引言二、共源放大器三、共漏放大器四、共栅放大器五、共源共栅放大器六、总结2.不同负载条件下的共漏放大器1.电阻作为负载电阻作为负载的共漏放大器考虑将晶体管栅极作为输入、源极作为输出,漏极作为输入输出的参考点,构成共漏放大器。

由于源极具有较低的输出阻抗,因此共漏放大器可以作为运算放大器的输出缓冲级。二、共漏放大器二、共漏放大器电阻作为负载共漏放大器的电压传输特性1.大信号分析共漏放大器的电压传输特性进行分析理想的跟随曲线Vref=Vin增益极性为正共漏放大器具有电压跟随的特性,又称为“源跟随器

”二、共漏放大器电阻作为负载电阻作为负载的共漏放大器的小信号电路图1.小信号分析二、共漏放大器电阻作为负载1.小信号分析等效跨导Gm计算共漏放大器输出阻抗的电路模型输出阻抗注意到计算共漏放大器等效跨导的电路模型二、共漏放大器电阻作为负载共漏放大器的源极电阻约等于1/(gm+gmb),这是一个较小的电阻值,表明了共漏放大器具有低输出阻抗特性小信号电压增益

共漏放大器的电压增益接近1但小于1,其增益大小取决于此外,η还是一个与输入电平大小相关的量,因为当Vin变化时,Vbs也在变化,而gmb与Vbs相关。所以,体效应为共漏放大器的输入输出特性引入了非线性二、共漏放大器体效应共漏放大器的电压传输特性提高共漏放大器的增益,并且减小非线性影响,需要尽可能去除体效应,通常有以下两种方法使用PMOS型共漏放大器:PMOS管的衬底是自带隔离的N阱,可以将衬底端和源极接相同电位采用特殊工艺设计电路:可以采用特殊工艺将NMOS管的衬底与源极接相同电位。

例如部分工艺可以制造深N阱,通过采用深N阱对NMOS管进行隔离,实现不同NMOS管的衬底连接到不同电位2.不同负载条件下的共漏放大器电流源作为负载的共漏放大器电流源偏置的NMOS型共漏放大器M2的源漏电流主要由其偏置电压VB控制,而漏极电压对源漏电流影响较小电流源偏置的共漏放大器的偏置电流与输入电压几乎无关电流源作为负载的NMOS型共漏放大器二、共漏放大器二、共漏放大器电流源作为负载电流源作为负载的共漏放大器的小信号电路图1.小信号分析小信号电压增益运算放大器的输出缓冲级电平移位器(levelshifter)例题图所示电路为翻转电压跟随器(flippedvoltagefollower,FVF),试分析电路的小信号特性并与超级源跟随器进行比较。翻转电压跟随器小信号等效电路图输入电压需要满足一、放大器引言二、共源放大器三、共漏放大器四、共栅放大器五、共源共栅放大器六、总结2.不同负载条件下的共栅放大器1.电阻作为负载考虑信号源内阻,电阻作为负载的共栅放大器电路图如图所示,信号从源极输入、漏极输出，栅极接交流地考虑信号源内阻的共栅放大器共栅放大器具有较低的输入阻抗和较高的输出阻抗,适合作为电流输入、电流输出的电流缓冲器,输入端为信号电流与信号源内阻的并联。三、共栅放大器电阻作为负载共栅放大器的大信号特性1.大信号分析共栅放大器的大信号特性当输入电压Vin较小时，漏极电流很大，输出电压Vout很低随着

Vin

逐渐增加，M1漏极电流逐渐减小，Vout逐渐升高当Vin>VB-VT时，M1进入截止区，Vout变为Vdd三、共栅放大器电阻作为负载共栅放大器的小信号等效电路1.小信号分析共栅放大器实现了电流缓冲器的作用,电流增益为1

三、共栅放大器电阻作为负载1.小信号分析等效跨导Gm输出阻抗三、共栅放大器电阻作为负载1.小信号分析等效跨导Gm三、共栅放大器电阻作为负载1.小信号分析输入阻抗三、共栅放大器电阻作为负载的共栅放大器的输入阻抗分析共栅放大器的输入阻抗很低而输出阻抗很高2.不同负载条件下的共栅放大器其他负载情况二极管连接的晶体管或电流源作为负载(a)(b)使用其他负载的共栅放大器三、共栅放大器阻抗变换分析共栅放大器的另一个重要应用为阻抗变换共栅放大器的阻抗变换特性三、共栅放大器阻抗变换分析三、共栅放大器共栅放大器从漏极看进去的阻抗约为源极阻抗的本征增益倍。

当漏极负载RD较小时,从源极看进去的阻抗约为1/gm;而当RD远大于rds时,从源极看进去的阻抗约为RD除以本征增益,此时源极不一定是低阻节点。

利用上述结论,可以简化复杂电路的分析。忽略体效应并利用，上式可以化简为一、放大器引言二、共源放大器三、共漏放大器四、共栅放大器五、共源共栅放大器六、总结共源共栅放大器(cascodeamplifier)套筒型折叠型提高放大器的输出阻抗是提升增益的常用方法之一四、共源共栅放大器套筒型共源共栅放大器套筒型共源共栅放大器1.大信号分析四、共源共栅放大器套筒型共源共栅放大器的大信号电压传输特性套筒型共源共栅放大器套筒型共源共栅放大器的输入、

输出电压范围1.大信号分析四、共源共栅放大器分析了套筒型共源共栅放大器的输入、输出电压范围。对于输出电压，最高为VDD-IDRD