CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 第4章放大器输入级（一）

第4章放大器输入级（一）

共源放大器及基本差分主讲：12学习导航（第1次课）（第3、4次课）（第1次课）实验四（第1、2次课）主要内容

学习目标4.1放大器及其基本原理简介 4.2共源放大器 4.2.1电阻负载型共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器4.2.3放大器的带宽与增益带宽积4.3基本差分放大器4.3.1单端输入与差分输入模式的比较4.3.2带电阻负载的差分放大器4.3.3带MOS负载的差分放大器4.3.4带电流镜负载的差分放大器4.4电阻负载差分放大器的仿真 4.5本章总结 3【目标4-1】理解放大器的基本原理及概念（增益、静态偏置电压、非线性等）【目标4-2】掌握共源放大器的工作原理及特性，理解增益带宽积的概念并应用。【目标4-3】掌握基本差分放大器的工作原理及特性，了解电流镜负载差分放大器工作原理。【任务4-1】实现不同负载类型的共源级放大器，差分放大器的电路参数设计、仿真与优化 4探讨由蓝色的三个MOS管组成的输入级，内容涉及大信号特性、低频小信号增益、输入/输出阻抗、增益带宽积等。本章贯穿项目54.1预备知识图4.1-1一个两级运算放大器的框图单级放大器的增益非常高，那么其带宽、输出摆幅、带负载能力将会降低，所以通常需要两级放大器来配合工作。为何放大器要有输入级和输出级？放大器一般由输入级和输出级构成。一个典型的两级放大器，其输入级是一个折叠式的共源共栅放大结构；输出级为一电阻负载型共源放大器。（1）放大器简介

6理想放大器的数学模型及其在工程实现中的近似输入:幅度1mV，频率1kHz的正弦信号输出:幅度1V，频率1kHz的正弦信号注意:这里所说的输入信号，指的是相对一个参考电压变化的信号。（1）放大器简介图4.1-2理想放大器原理示意图4.1预备知识

7（2）放大器的数学模型及其在工程实现中的近似理想放大器的数学模型微分形式(4.1-1)(4.1-2)（a）理想放大器输出特性

（b）非理想放大器输出特性图4.1-3理想放大器与非理想放大器输出特性对比示意图4.1预备知识

8假设输出和输入之间满足非线性函数关系

，对该函数在这个点处进行泰勒展开，并令，如式(4.1-3)所示：(4.1-3)令，，则得：(4.1-1)“非线性度”，高阶项所占的比重越大，放大器的非线性度就越大。静态偏置电压：泰勒展开时选取的展开点为,对应的输出电压为（2）放大器的数学模型及其在工程实现中的近似非理想放大器的数学模型4.1预备知识

9静态偏置电压的选取对放大器电路的性能影响非常显著。根据上述分析，对于实际工程应用中的放大器：（1）工程应用中的放大器存在非线性度。（2）对于放大器电路，总是需要对其进行适当的偏置。（2）放大器的数学模型及其在工程实现中的近似非理想放大器的数学模型图4.1-4非理想放大器静态偏置电压的选择及其影响4.1预备知识10记某实际放大器增益为Av，则下列说法正确的有Av恒为常数在某输入偏置电压VIN,Bias时，Av可能较大，调整VIN,Bias，Av可能增大也可能减小。在某输入偏置电压VIN,Bias时，vIN幅度大小为1mV，输出vOUT幅度大小为1V，则Av=1000静态偏置电压对放大器的参数影响很大。ABCD提交多选题1分

114.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器MOS管工作在饱和区，其漏极电流与栅源电压之间满足平方律模型：漏极电流是受栅源电压控制的，的变化会引起的变化。如果让这个变化的电流流过一个电阻，这个变化的电流就可以转换成一个变化的电压，那么就得到了一个能够放大电压的简单放大器，共源放大器。

（a）漏极电流受栅源电压控制

（b）共源放大器图4.2-1基本共源放大器的设计思路与结构

12为何叫“共源”呢？为何叫“电阻负载”呢？（a）漏极电流受栅源电压控制

（b）共源放大器图4.2-1基本共源放大器的设计思路与结构可以将电阻换成MOS管，就称“MOS负载”4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

13一、大信号特性分析：对电阻负载共源放大器进行大信号分析。令输入电压从0增大到，并分析一下将如何变化。4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

14一、大信号特性分析：对电阻负载共源放大器进行大信号分析。令输入电压从0增大到，并分析一下将如何变化。饱和区的输入/输出特性曲线线性度最好，且斜率最大。图4.2-3电阻负载型共源放大器的输入/输出特性曲线4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器15共源放大器正常放大时，应控制起主放大作用的MOS器件工作在哪个区？截止区线性区饱和区只要导通即可ABCD提交单选题1分16作答给出从饱和区到线性区的输入电压临界值VIN1。主观题10分

17二、小信号特性分析：对共源放大器的小信号特性进行分析，主要讨论的是输入信号的变化（）与输出信号的变化（）之间的关系。如果忽略掉沟道长度调制效应，或者设4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

18二、小信号特性分析：对共源放大器的小信号特性进行分析，主要讨论输入信号的变化（）与输出信号的变化（）之间的关系。图4.2-4电阻负载型共源放大器的小信号等效电路4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器19画出源极退化的小信号模型。作答主观题10分

20三、输入输出阻抗分析：输入阻抗输出阻抗假设输入小信号的频率较低（低频小信号），可忽略掉MOS管的寄生电容。4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

21辅助定理4.2-1对于线性电路，电压增益可由式(4.2-8)来计算

是电路的小信号跨导，为电路输出短接到地时，输出电流除以输入电压

；

是电路的输出阻抗，为输入电压置0后的等效输出阻抗4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

22计算电阻负载共源放大器的小信号等效电路4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

23工程问题4.2-1设计一个电阻负载共源放大器，如图4.2-8所示。要求放大器静态电流为50μA，电源电压为1.8V，输出静态偏置电压为1V。讨论以下问题：有哪些提高电阻负载共源放大器增益的方法，提高增益的过程中会遇到什么问题？设计：（1）其中，（2）需要确定的是MOS管的栅极输入偏置电压，以及MOS管的宽长比4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器24工程问题4.2-1对沟道宽度进行静态扫描，沟道宽度约为11.27μm时，输出静态偏置电压为1V电路参数确定后，进行瞬态仿真，通过输出峰值比上输入峰值测得增益约为7.55倍（17.6dB）4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器

25讨论：根据工程问题4.2-1，发现电阻负载共源放大器的电压增益并不是很高。如何提高其增益呢？理论上，RD越大，增益越高（1）电路的其他参数不变，单纯增大RD，若ID不变，其上的分压VRD增大，输出静态偏置电压将减小，输出摆幅减小，也可能使MOS管进入线性区。（2）增大RD，输出静态偏置电压不变，则需减小ID，若MOS器件跨导gm不变，则需减小输入静态偏置电压，电路驱动能力变差，速度变慢。增大gm，增益越高（1）RD不变，增大ID，输出静态偏置电压减小，输出摆幅减小（2）若RD不变，ID不变，则需增大宽长比，减少输入偏置电压来增大gm，电路面积增大，速度变慢。权衡折中4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器26分析共源放大器增益的线性度作答主观题10分

27四、电阻负载PMOS共源放大器：图4.2-10由PMOS构成的电阻负载共源放大器及其小信号等效电路4.2共源放大器4.2.1电阻负载型共源放大器共源放大器（电阻负载）：该结构能够将栅源电压的变化转换为漏极电流的变化，并通过负载转换为输出电压的变化。28本课小结29

4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器1.二极管接法型MOS负载由于所以栅源电压和漏源电压相同这意味着一旦MOS管开始导通，它就会持续工作在饱和区30

1.二极管接法型MOS负载小Tips:图4.2-12中，二极管接法型MOS采用的是NMOS管。NMOS管的衬底一般接地，因此M2的源极电位高于衬底电位，导致出现一种二级效应，称为体效应，使得M2的等效电阻Req的值修正为：其中gmb2为体效应引起的跨导。图4.2-12二极管接法型负载共源放大器电路图电压增益近似为一个常数，其线性度较好4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器31

1.二极管接法型MOS负载图4.2-13由PMOS构成二极管接法型负载的共源放大器电路无体效应4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器32

工程问题4.2-2对于图4.2-13所示的共源放大器，如何提高其增益？一味地提高增益会遇到什么问题

？讨论：为提高增益，M1的宽长比需要尽可能地大于M2设M1的宽长比是M2宽长比的100倍，增益约10倍但其他参数不变时，输出静态偏置电压会降低，输出摆幅减小

M1的面积会很大二极管接法负载共源放大器本身不适合用作高增益放大器4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器33

2.电流源负载共源放大器图4.2-14带理想电流源负载的共源放大器电路图

的值相对较大（甚至可达到兆欧数量级），所以，相较于电阻负载和二极管接法负载，电流源负载共源放大器的增益是最高的小Tips:

-gmrO又称为MOS管的“本征增益”，表示单个MOS管理论上所能达到的最高增益。可见，电流源负载能够使共源放大器的增益达到其本征增益。4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器34

2.电流源负载共源放大器由单个MOS管构成的电流源及其小信号等效模型电流源负载共源放大器及其小信号等效模型由于负载管的栅压不变，电流源为理想恒流源，其小信号内阻无穷大，在小信号等效电路中相当于开路。4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器35参考下图，画出带NMOS电流源负载、PMOS为主放大管的共源放大器作答主观题10分36

工程问题4.2-3

设计一个如图4.2-17所示的电流源负载共源放大器，要求电源电压为1.8V，在只有偏置电压而没有输入信号时，放大器的电流，即静态电流为50μA，输出静态偏置电压为1V。仿真并观察电路的低频小信号增益。其中，设计：M2静态电流为50μA，所以设所有MOS器件沟道长度L为1um，设M3的宽度为4um，则M2的宽度为20um对M1，静态电流为50μA取所以4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器37

工程问题4.2-3仿真验证：为验证输出静态偏置电压是否满足设计要求，对VIN进行DC扫描。两种调整思路：

(1)不改变W1，调整VIN,Bias(2)不改变VIN,Bias，调整W1（a）对VIN进行DC扫描的结果（b）瞬态仿真结果所以，PMOS器件M2饱和增益约为33.2倍（30.4dB）4.2共源放大器4.2.2带MOS负载的共源放大器38参考下图，画出带NMOS电流源负载、PMOS为主放大管的共源放大器作答主观题10分39

4.2.3放大器的带宽与增益带宽积（a）诺顿等效来表示放大器模型，且输入信号变化较为缓慢时的情形，（b）诺顿等效来表示放大器模型，且输入信号变化较快时的情形，（c）戴维南等效来表示放大器模型，且输入信号变化较为缓慢时的情形，（d）戴维南等效来表示放大器模型，且输入信号变化较快时的情形图4.2-19输入为正弦波和方波时，不同的输出表现放大器对低频信号的放大能力强，输入信号的频率越高，放大器的放大能力越弱。所以，放大器有一个能够正常处理的最大信号频率。一般将之定义为输出信号衰减3dB所对应的信号频率，或称之为3dB带宽。4.2共源放大器40

图4.2-20带负载电容的共源放大器小Tips:极点就是线性时不变系统的传递函数分母为零的点。其实对实数的角频率而言，每一个极点之处，分母并不会为零。此时分母的模值为

，即衰减3dB。当输入信号频率等于主极点频率时，输出信号幅度衰减3dB，所以其3dB带宽等于主极点频率3dB带宽4.2.3放大器的带宽与增益带宽积4.2共源放大器41

增益带宽积GBWf为3dB带宽共源放大器的增益带宽积：前述共源放大器的增益带宽积相同，受共源管的跨导和负载电容影响图4.2-21带负载电容的共源放大器频率响应4.2.3放大器的带宽与增益带宽积4.2共源放大器42画出下面三种放大器的小信号模型。作答主观题10分共源放大器：能够将栅源电压的变化转换为漏极电流的变化，并通过负载转换为输出电压的变化电阻负载的共源放大器，增益线性度差二极管接法型负载共源放大器，增益线性度好但不高(一般<10)，且输入、输出摆幅小电流源负载共源放大器，可实现高增益高输出摆幅，应用最多带宽和增益带宽积，描述频率特性43本课小结44表4.5-1三种负载类型的共源放大器特性一览表本课小结45下列电路，相同参数设置下，哪种可以实现的增益最高？ABC提交单选题1分46下列电路，相同参数设置下，哪种可以实现的增益线性度最好？ABC提交单选题1分474.3基本差分放大器4.3.1单端输入与差分输入模式的比较单端输入信号：单个输入节点到某一固定电位（一般为地电位）的电位差。差分输入信号：两个输入节点上，相对于某个参考电位

（共模电位），存在大小相等、极性相反的两个信号图4.3-1单端信号与差分信号示意图差分信号不仅可以出现在输入端，也可以出现在输出端48差分信号的主要优点:差分信号有什么优缺点？处理差分信号的电路（如差分放大器）的芯片面积一般是单端信号电路的两倍，且功耗更大。--------相对于优点来说，缺点可以容忍差分信号的缺点4.3基本差分放大器4.3.1单端输入与差分输入模式的比较49工程问题4.3-1

如图4.3-3所示，假设在一块数模混合芯片中，一个数字时钟信号线跟一个模拟信号线距离过近，数字时钟信号通过导线之间的寄生电容耦合到了模拟信号上，对模拟信号产生了干扰，请问有什么方法能够解决该干扰问题？模拟信号由单端信号转为差分信号方案一4.3基本差分放大器4.3.1单端输入与差分输入模式的比较50工程问题4.3-1

如图4.3-3所示，假设在一块数模混合芯片中，一个数字时钟信号线跟一个模拟信号线距离过近，数字时钟信号通过导线之间的寄生电容耦合到了模拟信号上，对模拟信号产生了干扰，请问有什么方法能够解决该干扰问题？方案三方案二CLK变成差分形式的时钟信号地线将模拟信号线保护起来4.3基本差分放大器4.3.1单端输入与差分输入模式的比较51如何构建一个工作在差分模式下的放大器呢？图4.3-7单端转差分工作模式的基本思路4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器52为输入共模偏置电压；为输出共模偏置电压在设计差分放大器时，稳定的输出共模偏置电压是至关重要的。那么如何保证即使VIN,CM有一定的波动，VOUT,CM也能保持不变呢？转换一下思路，如果流过负载电阻RD上的电流保持不变？4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器53（a）理想电流源作为尾电流源

（b）MOS管作为尾电流源图4.3-9基本差分放大器的电路结构M1和M2叫差分对。4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器541、大信号特性分析（差模特性，共模特性）差分输入大信号特性图4.3-10基本差分放大器的大信号特性——差分4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器55若平衡时Vov=100mV，电流刚好一边为Iss，一边为零时，Vov=？作答主观题10分561、大信号特性分析（差模特性，共模特性）共模输入大信号特性图4.3-11基本差分放大器的大信号特性——共模4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器57参考下图，画出PMOS作为放大管的差分放大器，并分析共模输入大信号特性作答主观题10分582、小信号特性分析（差模增益、输入输出阻抗）辅助定理4.3-2：假设图4.3-12表示一个左右对称的线性电路。D1和D2为任意类型的三端有源器件，若D1的输入增大ΔV，若D2的输入减小ΔV，则电压Vp保持不变，相当于交流地（虚地）。4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器594.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器（a）差分放大器（b）单边等效结构图4.3-13基本差分放大器的单边等效P点为交流地604.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器3、共模抑制比（CMRR）差分电路的一大优势就是能够抑制共模噪声共模抑制比可以用来衡量差分放大器对共模噪声的抑制能力.ADM为放大器的差模增益ACM-DM用来衡量共模输入所引发的差模输出的大小理想差分放大器完全对称，ACM-DM=0差分放大器总是存在制造误差，因此实际的差分对并不会完全对称，从而会导致ACM-DM>0614.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器4.差分对的匹配设计芯片制造的过程中，导致差分对误差的因素主要包括：构成差分对的两个MOS管周围的环境不一致以及工艺梯度。对于MOS管周围环境不一致的问题，可以通过在差分对两侧增加Dummy的方法来解决，如图4.3-14所示。图4.3-14给差分对中的两个MOS管两侧增加Dummy，以保证环境一致性624.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器4.差分对的匹配设计对于工艺梯度问题，可以将两个需要匹配的MOS管拆分成多个小的MOS管，如图4.3-15所示图4.3-16采用叉指排列来抵消工艺梯度图4.3-15将单个MOS管分成若干小的MOS管634.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器4.差分对的匹配设计图4.3-17采用共中心排列来抵消工艺梯度（一维共中心与二维共中心）64工程问题4.3-24.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器设计一个电阻负载差分放大器，要求电源电压为1.8V，放大器的输出共模偏置电压为1V左右，放大器的静态电流为20μA，仿真并观察电路的低频小信号增益与理论分析是否吻合（MOS管的沟道长度都取1μm，忽略沟道长度调制效应）。设计：（1）放大器的静态电流为20μA，那么尾电流的大小为20μAM3的偏置电压Vb取0.55V，则M3的宽长比可得（3）M1和M2的静态电流是M3的一半，所以可取其宽长比为1.8（2）由于且所以（4）VIN,CM的取值65工程问题4.3-24.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器设计一个电阻负载差分放大器，要求电源电压为1.8V，放大器的输出共模偏置电压为1V左右，放大器的静态电流为20μA，仿真并观察电路的低频小信号增益与理论分析是否吻合（MOS管的沟道长度都取1μm，忽略沟道长度调制效应）。仿真验证：将以上参数代入仿真软件中，求得输出共模偏置电压为1.25V，与设计指标之间非常接近可以通过微调Vb来修正。通过直流扫描Vb来修正。通过直流扫描Vb修正为594mV，此时VOUT,CM=1V66工程问题4.3-24.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器设计一个电阻负载差分放大器，要求电源电压为1.8V，放大器的输出共模偏置电压为1V左右，放大器的静态电流为20μA，仿真并观察电路的低频小信号增益与理论分析是否吻合（MOS管的沟道长度都取1μm，忽略沟道长度调制效应）。仿真验证：通过瞬态仿真确定实际差模增益。瞬态仿真结果如图4.3-19所示。根据输出电压、输入电压的比值，求得增益约为6.85倍（16.7dB）与理论计算值基本一致。4.3基本差分放大器4.3.2带电阻负载的差分放大器差分放大器的基本构型（包括电阻负载、二极管连接负载、电流源负载以及电流镜负载）本质上是共源放大器的双输入版本。电阻负载的差分放大器67输入阻抗和输出阻抗增益增益带宽积GBW线性度

较差跨导小结684.3基本差分放大器4.3.3带MOS负载的差分放大器与共源放大器类似，差分放大器除了采用电阻负载以外，还可以使用MOS负载691、二极管接法负载差分放大器4.3基本差分放大器4.3.3带MOS负载的差分放大器702、电流源负载差分放大器4.3基本差分放大器4.3.3带MOS负载的差分放大器二极管接法负载差分放大器的线性度较高，但增益较小电流源负载差分放大器的增益较高。71画出带NMOS电流源负载的PMOS作为放大管的差分放大器电路作答