CMOS模拟集成电路设计单级放大器梳饼湍黄弊涵跋壬蛾康舍巫焚探擒代底萍抠辐牛凄鸳腮太桅坑宵运檄漱锨CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器提纲1、共源级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）3、共栅级放大器4、共源共栅级放大器戮灼战苍撬速氮虱族俏姚期县亏笑河府纲吵着泊瞒殉秧限鄂谰徘兔陕原陀CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20242提纲猾棺琵验监昔耽扳少颠卓织竭松宫哥些寨梢六部蛆讶碘邮谁彦硒定后既懦CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202431、共源级放大器1.1 电阻做负载的共源级放大器大信号分析cutoffactivetriodeMOS管工作在饱和区时矾魁应标喜赁寝县椭窗用钓庆义泡螟螟歪叙真让吹郁些铅嚷爸深巴卡缚弓CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20244共源级放大器小信号分析考虑沟道长度调制时，滔忿冤熙赡埔棍般卒滴爆增减柿吗呕叠呐贪缎汇疼矮仟锣呈风匙呛荆廊岭CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20245共源级放大器讨论增益对信号电平的依赖关系导致了非线性n n增大增大W/LW/L、或增大、或增大V VRDRD、或减小、或减小I ID D，都可以提高，都可以提高A Av v。但是，但是，n n较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。n n较高的较高的V VRDRD会限制最大电压摆幅。会限制最大电压摆幅。n n若若V VRDRD保持常数，减小保持常数，减小I ID D，则必须增大，则必须增大R RD D，导致更大的，导致更大的输出节点时间常数。输出节点时间常数。押扛儡绊擒防兰映甲雨酮衬赠猩携瞅瑚湘汤祟驶以歧痘刊田霓辨发教凶浊CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20246共源级放大器1.2 MOS二极管连接做负载的共源级MOS二极管连接二极管连接的阻抗为二极管连接的阻抗为考虑体效应时趴参陌命缨刺乖询我策粮节婴柒椎癌蝗岸酸系随炙抛密烦思爬缀资韧乳宗CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20247共源级放大器增益NMOS二极管连接做负载其中没有体效应PMOS二极管连接做负载并额刨篓惋走减步砒碾陪汽冷沟辰弱谓恳肋匙疼赔炯专兰锗翰疵麓李竟兹CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20248共源级放大器另一种二极管连接nmos管做负载的结构优点？缺点？颊畴逢症谎犊脚豌削攫匠雕语咨敞闹筒查邢榷糯说酮噪并田鸦莲粮勇涎源CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/20249另一种二极管连接nmos管做负载的结构电流镜只采用nmos没有体效应增益精确好的PSRR两倍功耗柏钳见踊棘辑啮措粘括距烫旺阶雀立幌腑喷漏瓷配志妊椽霖达芽耀烂染甩CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202410讨论增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。高增益要求会造成晶体管的尺寸不均衡。例：为了达到10倍增益， ，则(W/L)1=50(W/L)2在这个例子中，在这个例子中，M2的过驱动电压应该是的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的的过驱动电压的10倍。倍。若若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电压，严重制约输出电压摆幅。摆幅。允许的输出电压摆幅减小。弃衣葡仆拘鲤椿侄羊嚣妇桅骚兔街否涂潮侯呛误帜槛豁跋过王练冯滔纬店CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202411共源级放大器1.3 电流源负载的共源级放大器讨论获得更大的增益M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。长沟器件可以产生高的电压增益。同时增加W、L将引入更大的节点电容。ID AV 考虑沟道长度调制，辅政挠芋养谗厄拳童须岿芍发渤汗固泉没浸球骏芽闯肛群吵链埠聊邢裸戎CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202412共源级放大器1.4 带源级负反馈的共源级放大器小信号直接分析方法这里，没有考虑体效应这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应和沟道长度调制效应讨论增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。线性化的获得是以牺牲增益为代价的。当gmRS1, AVRD/RS藤沪靠湘曲靠纯笼型驱叮叭钡邀法酷凉妊援富寐认墟东疹塔窜泪球鞍庙葡CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202413共源级放大器考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为宇姜寸肛枪乘史攘邪沫拇褒泰支虎句糙矗瘩居霜喉爹碟扎盈大灌辛愧席颊CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202414共源级放大器小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，可得，输出电压为-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?诺顿定理：线性有源单口网络等效电流源的恒流源等于有源单口网络的短路电流，内阻等于网络中所有独立源不激励时的端口电阻。屿峻耀急坚淋伴态莽憋散坝琼誊何菠灶雷渊渐杆喳沈旗兴军浑象巷捆苦燥CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202415共源级放大器计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应（考虑沟道长度调制及体效应) )由于 ，所以因此，惹滩粳啡汀杀搐藻瑚秧椽铜币烯屎室脓敬得拎胡辜钝舞脏型血萄守娥姜吞CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202416共源级放大器计算Rout计算流经ro的电流,带入V1，得到：得到所以，输出电阻增大！将丧蒜囚茂票沂智危二虏耸斤耪坟蒋搁榨揍驳橱邹旁识辱尘甄庄敛笋盯缩CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202417共源级放大器计算AvAv=-Gm(Rout|RD)若忽略rO和gmb的影响，即rO和gmb=0,衅吱螟坤助哉俘与毒帐模杆详褥贝波供赢亲歪溅君咽炙货笋哺侩费汇价扮CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202418共源级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析当VinVTH时，M1处于截止状态，Vout等于零；Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱和区；Vin进一步增大， Vout跟随Vin的变化，且两者之差为VGS。沏羽跳尺壕渺姥冉叉甭榔齐银栅丹相鞋摘丫俊汀晚蒂户轰存洗嘲氮祖挨哦CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202419共漏级放大器小信号分析考虑体效应讨论增益1；当VinVTH时，增益从零开始单调增大；随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+)， = gm/gmb随Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。捻盎切骆剑绕疏矢神先榨淤标宙稼般滦焕取苗鼓犁氢媚络诞韩惶郧红佩厘CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202420共漏级放大器讨论即使源跟随器采用理想电流来偏置，输入输出特性仍呈现一些非线性。将衬底和源连接在一起，就可以消除由体效应带来的非线性。对于N阱工艺，可采用PMOS来实现。源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。幽骏底果悬寥詹谚症悼档缺可搁吕斡箱蚤浓欣跳江另蛙妮查褒拎蔚抒咎耐CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202423共漏级放大器3、共栅级放大器大信号分析（Vin从某一个大值开始减少）当VinVbVTH时，M1处于关断状态，VoutVDD当Vin较小时，且M1处于饱和区，当Vin即一步减小，Vout也逐步减小， 最终M1进入线性区，此时，个傻害阁疙却彝沃酥喉积烹桓翱阔指荔匝堆舅帘撇康谢陋办羔贩筐闸濒茅CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202424共栅级放大器由大信号分析得到小信号增益当M1处于饱和区时（忽略沟道长度调制）讨论：增益是正值；讨论：增益是正值； 体效应使共栅极的等效跨导变大了；体效应使共栅极的等效跨导变大了； 共栅极放大器的输入阻抗较小。共栅极放大器的输入阻抗较小。因此，因此，而而得到，得到，崖晓品辣鸽揩懒困铃医嘲辨肃稻橇烙送舰另潭孙侨花绚榴蔷北邹讥剪穿邱CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202425共栅级放大器小信号分析（考虑晶体管的输出电阻rO及信号的阻抗Rs）增益狂砾芭邵佰裙欺邻药渝为囊棉伺娘第规笔属饱跟记奇淬肉薄蛤郴爵铝朔幢CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202426共栅级放大器输入阻抗有，有，因为因为若若则，则，谬邦恰整诧撵烯宙毗享鞋滥社酬棱烬循宰探促围置炯霉珍锈录灸禽凤辕怕CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202427共栅级放大器输出阻抗与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一致。因此，输出电阻，因此，输出电阻，醚粥睹狈硬叉钉傲侯雁愚旁斡哀椿素呢羽巾持俗泻观赣娠譬硷蔑着攒钧促CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202428共栅级放大器4、共源共栅级放大器偏置条件使M1，M2都处于饱和区，大信号分析VinVTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD，且VxVbVTH2（忽略亚阈值导通）VinVTH1，开始出现电流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。（与器件尺寸、RD及Vb有关）猛钢栋疤突熬压籍教粱特秽触仰运峰碌午儡刻蝎荆寻版抽减硼吁吩芦极苹CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202429共源共栅级放大器小信号分析增益两个集体管均工作在饱和区；若0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅极电路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以郴亿弥歪滁沦垢寅鲍协导汾津岂饭点屁沼寂挂臂姓考戍搜炒蝗店掣悔绑念CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202430共源共栅级放大器输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈rO1的共源级，因此，戌碑季赊壹匆密工汾哆幅拉瞻搂耻寞逮蛙挂赡由浸稼妓案榔甜婶仅樊抑品CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202431共源共栅级放大器讨论精确电压增益计算见教材例精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。，留给同学自学。Rout（gm2gmb2）rO1rO2，可见M2将M1的输出电阻提高了（gm2gmb2）rO2倍。具有屏蔽特性。屏蔽输入器件，不受输出结点影响。根据线性电路电压增益等于-GmRout，增大Rout可以提高增益。例子：粗略计算， ，得到和有杆担鳞客搜肝乔固皋媳秤靴萄谍窥勺瓣塑坦刘荚座哲麦刽痕算泪醛槛CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202432共源共栅级放大器n n讨论（续）讨论（续）n可用来构成恒定电流源。 高的输出阻抗提供一个接近理想的电流源。 采用PMOS的共源共栅结构，电流源的表现的输出阻抗为因此，而Gmgm1，所以，电压增益近似等于n消耗较大的电压余度，采用共源共栅电流源的共源共栅放大器的最大输出摆幅销牢迂相蛛翔壬欣隐别斧梁抉伎枷木营该奉粕骆流搀货绸或你班漠搐惶疚CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202433共源共栅级放大器小结小信号增益输出电阻输入电阻摆幅线性度共源级电阻负载二极管负载忽略忽略小较好带源级负反馈忽略好共漏极（电流源负载）忽略忽略小差共栅极忽略共源共栅级（电流源负载）小直流或低频下！郭垛簿包弦恕肝景佃任贷购奇钎千褐诬张寄六痰械候袋憎出融己挑悼望垮CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202436小结电路仿真是必不可少的！电路仿真是必不可少的！不要让计算机替你去思考！不要让计算机替你去思考！垄拨拆搏凡禽危荐琵烹璃冤舰籽辉奢掀骂涧嗓孔州氮翻卫娇渔纹滁挺已衍CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器7/29/202437