1、模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)： 時(shí) 間：2009年12月10日,韓 可 電子工程學(xué)院,Email: Tel : 62283724,電子工程學(xué)院,電阻負(fù)載CS放大器,電子工程學(xué)院,MOS二極管連接負(fù)載的共源極,NMOS負(fù)載時(shí)，0，0,PMOS負(fù)載時(shí)， 0，=0,Rin=1/(gm2+gmb2)/r02,Rin=(1/gm2)/r02,電子工程學(xué)院,采用電流源負(fù)載共源級的AV,( 1/L),靜態(tài)工作點(diǎn)是否可“目測”的問題,工作在線性區(qū)的MOS負(fù)載的共源級,電子工程學(xué)院,帶源極負(fù)反饋的共源級(=0，=0),從源級看進(jìn)去的阻抗,源級反饋電阻,負(fù)載電阻,目的：軟化I/V曲線,帶負(fù)反饋的共源級(0，0),：,

2、電子工程學(xué)院,源極跟隨器（電壓緩沖器）,電子工程學(xué)院,共柵放大器,直接耦合的共柵級,電容耦合的共柵級,輸入輸出特性,重要結(jié)論和公式,直流： 共源：反相 源極跟隨：同相 共柵：同相 交流： 共源：高增益 源極跟隨：小于1 共柵：高增益,第3章單級放大器,3.1 基本概念 3.2 共源級 3.3 源跟隨器 3.4 共柵極 3.5 共源共柵極,共源共柵級,共源級和共柵極的級聯(lián)稱為共源共柵結(jié)構(gòu)。 M1：輸入器件，在漏極產(chǎn)生電流。 M2: 共源共柵器件 M1工作在飽和區(qū)： M2也工作飽和區(qū)：,Vx,保證兩MOS管工作在飽和區(qū)的最小輸入電平等于兩個(gè)管的過驅(qū)動電壓之和,電子工程學(xué)院,共源共柵放大器的偏值條件

3、,M1 飽和時(shí): VX Vin VTH1， 即：Vb Vin VTH1 + VGS2 或： Vb Von1 + VGS2,M2 飽和時(shí): Vout Vb VTH2， 即: Vout Von1 + VGS2 VTH2 或： Vout Von1 + Von2,共柵管M2的增加雖然提高了從M2漏端看進(jìn)去的阻抗、改善了放大器的頻率特性，但輸出電壓擺幅減小了一個(gè)大小等于M2的過驅(qū)動電壓。這是靠犧牲擺幅來獲取帶寬和增益的提高。,保證兩MOS管工作在飽和區(qū)的最小輸入電平等于兩個(gè)管的過驅(qū)動電壓之和,14,直流特性,Vout和Vint經(jīng)歷的區(qū)域 Vout和Vint的斜率差別,電子工程學(xué)院,共源共柵（ Casca

4、de ）放大器,輸入輸出特性,為什么VXmax=Vb-VT2？,Vin時(shí)，M1、M2誰先進(jìn)入線性區(qū)？誰先進(jìn)入線性區(qū)對恒流特性和輸出擺幅有何關(guān)系?,當(dāng) VX Vin VTH1 時(shí) M1 進(jìn)入線性區(qū) 當(dāng)Vout Vb VTH2時(shí)M2進(jìn)入線性區(qū) 容易分析， Vb 較小時(shí)， M1比M2先進(jìn)入線性區(qū),電子工程學(xué)院,M1、M2不同偏值時(shí)Pspice仿真結(jié)果,12V,3.8V,1.8V,12V,1.5V,1.8V,M2,M1,M2,M1,M1最后進(jìn)入線性,M2最先進(jìn)入線性,該點(diǎn)電壓即是V0min,M1一開始就工作在線性區(qū),注意比較單MOS管與共源共柵結(jié)構(gòu)曲線的斜率,VA,ID,ID,VA,VA,VA,電子工

5、程學(xué)院,Ch. 3 # 17,M1、M2同時(shí)進(jìn)入線性時(shí)Pspice仿真結(jié)果,12V,2V,1.8V,M1、M2同時(shí)進(jìn)入線性,該點(diǎn)電壓即是V0min,M1,M2,M1一開始就工作在線性區(qū),斜率有明顯差別!,最理想的情況是M1、M2同時(shí)進(jìn)入線性，這樣可以獲得最大擺幅,M1最后進(jìn)入線性,M2最先進(jìn)入線性該點(diǎn)電壓即是V0min,VA,ID,VA,VA,VA,ID,ID,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 18,共源共柵放大器的小信號等效電路,1= 0， 2 = 0，20,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 19,例3.14：求下圖電路的AV(假定=0，另外求解方法),M1的小信號電流gm1Vin被Rp和向M2源端

6、看進(jìn)去的阻抗1/(gm2+gmb2)分成兩部分，故：,因Vout=ID2RD，所以：,電子工程學(xué)院,共源共柵放大器的輸出電阻,注意：左邊電路的輸出阻抗就是共源放大器帶負(fù)反饋電阻RS的的輸出阻抗,上式表示共源共柵結(jié)構(gòu)具有很高的輸出阻抗，對提高放大器小信號增益、提高電路源的恒流特性十分有利,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 21,共柵放大器的輸出電阻大在恒流源中的應(yīng)用,12V,2V,1.8V,M1、M2同時(shí)進(jìn)入線性輸出電壓擺幅最大,M1,M2,12V,3.8V,1.8V,M2,Voutmin ,M1最后進(jìn)入線性,M2最先進(jìn)入線性,M1,Voutmin,VA,VA,VA,VA,ID,ID,電子工程學(xué)院,

7、恒流源負(fù)載的共源共柵放大器,兩個(gè)晶體管都工作在飽和區(qū),最大增益約等于晶體管本征增益的平方.,恒流源如何保證?,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 23,共源共柵（ Cascade ）放大器,因M1、M2的高輸出阻抗，欲得高增益要求所帶負(fù)載也必須是高輸出阻抗，故負(fù)載也常用共源共柵電路源。,用共源共柵電流源近似代替理想恒流源,共源共柵極不一定起放大器的作用，還可做恒流源,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 24,共源共柵電路靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測”帶來的問題,CSCB恒流源負(fù)載用作差分輸入級的半電路時(shí), ISS若因輸入共模電壓發(fā)生變化(Vin1=Vin2=Vincm)帶來溝道調(diào)制效應(yīng)(ISS通常是以單NMOS構(gòu)

8、成的簡單恒流源)導(dǎo)致ISS有一微小變化2ISS, 其靜態(tài)電壓V01= V02因(gm5r05r07)/ (gm3r03r01)很大而變化一很大量ISS(gm5r05r07)/ (gm3r03 r01) , 這將導(dǎo)致后級因此無法正常工作。該電路作為差分對的半邊電路時(shí)，必需輔以穩(wěn)定Vout靜態(tài)電壓的電路(通常稱為共模反饋電路)才能正常工作！,ISS的微小變化會導(dǎo)致Vout靜態(tài)工作點(diǎn)的極大變化,M1,M3,M5,M7,半電路,Vincm,V01,Vin,V02,Rin= gm3r03r01,Rin= gm5r05r07,Vout= gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 Vin,V01(0

9、2)= gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS,2ISS,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 25,靜態(tài)點(diǎn)不能“目測” 與能“目測”的差異,二極管連接的MOS管用作差分輸入級的半電路時(shí), ISS若因輸入共模電壓Vin1=Vin2=Vincm發(fā)生變化帶來溝道調(diào)制效應(yīng)(ISS通常是以單NMOS構(gòu)成的簡單恒流源)導(dǎo)致ISS有一微小變化2ISS, 其靜態(tài)電壓V01= V02因(1/gm5)/ (gm3r03r01) (1/gm5) 較小而變化一較小量ISS/gm5, 這比CSCB恒流源負(fù)載時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小的多。故該電路作為差分對的半邊電路時(shí)，勿需輔以穩(wěn)定Vout靜態(tài)電壓的電路(通常稱為共模反饋電路)就能

10、正常工作！,ISS的微小變化會導(dǎo)致Vout靜態(tài)工作點(diǎn)的極大變化,M1,M3,M5,M7,V01,Vin,V02,Rin= gm3r03r01,Rin= 1/gm5,Vout= gm1/gm5 Vin gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 Vin,V01(02)= ISS/gm5 gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS,2ISS,Vincm,半電路,不能“目測”時(shí)的變化量,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 26,靜態(tài)點(diǎn)不能“目測” 與能“目測”的差異,靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測”,靜態(tài)工作點(diǎn)能“目測”,V01,V02,VA,Vout,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 27,靜態(tài)點(diǎn)不能“

11、目測” 與能“目測”的差異Pspice仿真結(jié)果,靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測”,靜態(tài)工作點(diǎn)能“目測”,Vin+ = Vin- = Vincm,Vin+ = Vin- = Vincm,V,V,靜態(tài)點(diǎn),靜態(tài)點(diǎn),V01 、 V02,VA,Vout,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 28,增加L與采用共源共柵結(jié)構(gòu)來提高增益的比較,假定ID不變，若(a)中L變?yōu)樵瓉淼?倍而W保持不變，則Vonb=2Vona，與(b)中層疊的兩個(gè)MOS管消耗的電壓余度相同,因gmr0L1/2，L4倍的結(jié)果只是使gmr0兩倍，而(c)中共源共柵結(jié)構(gòu)輸出增益大約增大為(gmr0)2倍，同時(shí)因(b)中M1的跨導(dǎo)是(c)中的1/2，這會導(dǎo)致

12、更高的噪聲。,*放大器的噪聲與用作放大MOS管的跨導(dǎo)gm成反比,與用作恒流源的MOS管的跨導(dǎo)gm成正比。,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 29,共源共柵結(jié)構(gòu)的屏蔽特性(1),左圖中M2、M4均工作在飽和區(qū)，若A點(diǎn)電壓變化VA，求VB=？,易見，因共柵管M4的引入B點(diǎn)電壓的變化量比A點(diǎn)減小了(gm4+gmb4)r04倍, 即M4將B點(diǎn)屏蔽了。,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 30,共源共柵結(jié)構(gòu)的屏蔽特性(2),假定 ID1 是參考電流， ID2 是輸出電流。若 0 且 VXVY ,靜態(tài)調(diào)整時(shí)一般VP=VQ, ID1 與 ID2 在靜態(tài)時(shí)不存在誤差。,動態(tài)時(shí)因VY發(fā)生變化導(dǎo)致VQ也發(fā)生變化, 因共源共

13、柵的屏蔽特性, ID1 與 ID2 產(chǎn)生的誤差為: ID1-ID2 0.5kn(W/L)(Vb1-VTH)2(VY)/(gm4+gmb4)ro4, 比(a)減小了 (gm4+gmb4)ro4倍,從而提高了電流鏡的匹配精度。,前例結(jié)果,偏置電路,輸出電路,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 31,折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),IS2,共源共柵的設(shè)計(jì)思路：將輸入電壓轉(zhuǎn)化成電流，然后將其作為共柵極的輸入。 PMOS和NMOS也可以共同完成。（a） 為了使它們偏置，增加一個(gè)電流源。（b）,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 32,折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),若I1為非理想恒流源,其交流小信號電阻為r0I1。,IS2,則流過M2源極

14、及電阻RD的小信號電流IS2、IRD分別為:,AV比同類型MOS管的折疊結(jié)構(gòu)因引入恒流源I1而有所減小, 其優(yōu)點(diǎn)留在運(yùn)放章節(jié)分析,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 33,例：畫出Vout和VB隨Vin從0變化到VDD的曲線,草圖，假定3V,VTN| VTP |0.5，標(biāo)出圖中重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 34,例：設(shè)Kn2Kp（KnnCox）， p 2 n ，每個(gè)電路偏值電流相等。設(shè)每個(gè)管的W/L相等且均工作在飽和區(qū)。確定哪個(gè)或哪些電路具有下列特性： 1.最高小信號電壓增益； 2.最低小信號電壓增益； 3.最高小信號輸出電阻； 4.最低小信號輸出電阻 ； 5.最低功耗；6.最大Vou

15、t； 7.最小Vout； 8.最高f3dB,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 35,共源共柵放大器小結(jié),結(jié)合了CS、CB放大器的優(yōu)點(diǎn)，Ai、AV較大且頻帶寬。 輸出電壓擺幅因?qū)盈B的MOS管而有所損失，在低電源電壓運(yùn)用中這是致命的。 在低電源電壓電路中共源共柵結(jié)構(gòu)因要消耗過多的電壓余度運(yùn)用較少，此時(shí)需多級CS放大才能達(dá)到需要的增益，這會給放大器的補(bǔ)償帶來更大困難。,電子工程學(xué)院,Ch. 3 # 36,本章基本要求,掌握帶電阻負(fù)載的CS放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)間的折衷關(guān)系。 掌握恒流源負(fù)載的CS放大器增益與擺幅、速度、帶寬之間的折衷關(guān)系。 理解MOS源跟隨器為什么不能用作驅(qū)動低阻、大電容負(fù)載的原因。 理解CB放大器的阻抗變換特性、CSCB結(jié)構(gòu)的屏蔽特性及其輸出阻抗大的特點(diǎn)及增益與擺幅的折衷關(guān)系。 理解記憶MOS二極管的小信號等效阻抗、MOS基本恒流源