1、Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech12.1 2.1 共源極放大器共源極放大器2.2 2.2 源跟隨器源跟隨器2.3 2.3 共柵極放大器共柵極放大器2.4 2.4 共源共柵放大器共源共柵放大器放大是模擬電路的一個基本功能放大是模擬電路的一個基本功能輸入：輸入：G G，輸出：，輸出：D;D;輸入：輸入：G G，輸出：，輸出：S; S;輸入：輸入：S S，輸出：，輸出：D;D;輸入：輸入：G G，輸出：，輸出：D;D;2研究放大器低頻特性，分析大信號、小信研究放大器低頻特性，分析大信號、小信號特性，建立直觀的分析方法和模型。號特性，建立直觀的分析方法

2、和模型。通過模型的近似計算，可以分析大多通過模型的近似計算，可以分析大多數電路的特性！數電路的特性！3在一定信號范圍內可用一多項式來近似在一定信號范圍內可用一多項式來近似 描述：描述：201212( )( )( )( ),nny taa x ta x ta x txxx01( )( )y taa x t如果如果x x在足夠小范圍內取值，近似為：在足夠小范圍內取值，近似為：a a0 0為工作（偏置）點，為工作（偏置）點，a a1 1為小信號增益。為小信號增益。1 1、放大器輸入輸出特性、放大器輸入輸出特性4當當X(t)X(t)幅度增加，高階項的作用凸現出來，導致非線性，幅度增加，高階項的作用凸現

3、出來，導致非線性，需進行需進行大信號分析大信號分析。2 2、模擬電路設計的八邊形法則、模擬電路設計的八邊形法則1yax電路設計中，參數大多數相互牽制，是一個多維優化的問題。輸入、輸出變化量成線性關系；用小信號分析5 2.1.1 2.1.1 以電阻為負載以電阻為負載 2.1.2 2.1.2 以二極管連接為負載以二極管連接為負載 2.1.3 2.1.3 以電流源為負載以電流源為負載 2.1.4 2.1.4 以工作在線性區的以工作在線性區的MOSMOS為負載為負載 2.1.5 2.1.5 帶源極負反饋帶源極負反饋共源極的輸出小信號變量和輸入小信號共源極的輸出小信號變量和輸入小信號變量變化方向相反。變

4、量變化方向相反。6212DDDnoxinthWVoutVRu CVVL1inoutthVVV（一）忽略溝道長度調制效應（一）忽略溝道長度調制效應 1 1、輸入輸出特性（大信號分析）、輸入輸出特性（大信號分析）1 1）當）當V Vinin從從0 0開始增大，開始增大，MM1 1截止，截止，V VoutoutV VDDDD2 2）當）當V Vinin接近接近V VTHTH時，時，M1M1飽和導通飽和導通： V Voutout隨著隨著V Vinin的增加而減小。的增加而減小。3 3）進一步增加）進一步增加V Vinin，V Voutout繼續下降，繼續下降，MOSMOS仍工作在飽和區，仍工作在飽和區

5、，直到臨界點直到臨界點求出Vin1?臨界點截止區飽和區三極管區輸入輸出特性輸入輸出特性74 4）當）當V VininVVin1in1時，時，MM1 1進入線性區：進入線性區：2122outDDDnoxinthoutoutWVVRu CVVVVL1onDDoutDDonDnoxDinthRVVVWRRu CRVVL5 5）V Vinin足夠高，使足夠高，使MM1 1進入深線性區，進入深線性區，V Voutout2(V2(Vinin-V-VTHTH) )，等，等效為一個電阻效為一個電阻RonRon，等效電路為，等效電路為: :其中其中1/gm82 2、小信號分析、小信號分析1 1）跨導）跨導g g

6、mm分析分析 MOS MOS管工作在飽和區：管工作在飽和區：9 MOS MOS管工作在線性區：管工作在線性區： 飽和區和線性區的跨導比較飽和區和線性區的跨導比較在線性區，在線性區，VDSVVGSGSV VTHTH，使，使MOSMOS管工作在飽和區管工作在飽和區，從而獲得較大增益。，從而獲得較大增益。102 2）小信號增益）小信號增益AvAvMOSMOS管在飽和狀態下，電路的輸入輸出特性：管在飽和狀態下，電路的輸入輸出特性：小信號增益小信號增益：輸入輸出變化之比（斜率）MM1 1將輸入電壓的變化將輸入電壓的變化V Vinin轉換為轉換為 I ID D，即，即g gmm V Vinin，進一步轉換

7、為輸出電壓的變化進一步轉換為輸出電壓的變化g gmmR RD D V Vinin。IDRD/VingmRD113 3）小信號模型）小信號模型由小信號模型分析可知：由小信號模型分析可知：AVgmRD一般使用小信號模型來分析小信號增益一般使用小信號模型來分析小信號增益Av簡單而有效12當當V VininV Vthth時，進入飽和區，跨導最大時，進入飽和區，跨導最大當當V VininVVin1in1之后，進入線性區，之后，進入線性區，g gmm將會下降，將會下降，如果如果R RononR1/g1/gmm，則，則G Gmm1/R1/RS S，即，即I ID D R RS SV Vinin，也就是說也就

8、是說V Vinin的大部分變化落在的大部分變化落在R RS S上。上。漏電流是輸入電壓線性函數，但以犧牲增益為代價。漏電流是輸入電壓線性函數，但以犧牲增益為代價。35源極通路上的等效電阻源極通路上的等效電阻一種簡便方法一種簡便方法如何通過觀察來獲得如何通過觀察來獲得AvAv？1DvSmRARg 漏極看到的電阻源極通路上的電阻36RS0的共源級大信號特性0SR 在小電流時，在小電流時，1/g1/gmmRRS S，G Gmm g gmm；隨著隨著V Vinin增加，增加，g gmm變大，變大，V Vinin較大時，較大時，G Gmm1/R1/RS S，I ID D G GmmV Vinin V V

9、inin/R/RS S，近似為線性。，近似為線性。Gm1/（1/gmRs）373 3、考慮體效應和溝道長度調制效應、考慮體效應和溝道長度調制效應小信號模型：小信號模型：1outSoutmmbXooutSminoutSmboutSoIRIg Vg VrIRgVIRgIRr1outmominSmmbSoIg rGVRggRr（1 1）等效跨導）等效跨導G Gmm38（2 2）等效輸出電阻）等效輸出電阻流過流過r r0 0的電流的電流I Ir0r0為為r0Ir0RSIXVx得得RoutVx/Ix由于負反饋電阻由于負反饋電阻RSRS的存在的存在，輸出電阻增大了，輸出電阻增大了（gmgmgmbgmb）R

10、 RS S倍！倍！帶源極負反饋帶源極負反饋的共源極的共源極輸出輸出電阻高電阻高39AvVout/VinGm Rout0第一步：計算等效跨導第一步：計算等效跨導G Gmm1outmominSmmbSoIg rGVRggRr第二步：計算等效輸出電阻第二步：計算等效輸出電阻（3 3）小信號增益）小信號增益AvAv0outoutDRRRRout40通過計算等效跨導通過計算等效跨導G Gmm、等效輸出電阻、等效輸出電阻R Routout，可以簡便地，可以簡便地得出得出AvAv。4 4、輔助定理、輔助定理在線性電路中：在線性電路中： AvAvG GmmR Routout其中，其中，G Gmm 表示輸出接地

11、時電路的等效跨導；表示輸出接地時電路的等效跨導；R Routout表示當輸表示當輸入電壓為零時電路的輸出電阻。入電壓為零時電路的輸出電阻。用諾頓等效電路等效放大器的輸出端口用諾頓等效電路等效放大器的輸出端口G Gmm的計算的計算R Routout的計算的計算415 5、用二極管連接的、用二極管連接的PMOSPMOS作為源極反饋電阻時的小信號增益作為源極反饋電阻時的小信號增益不考慮體效應和不考慮體效應和溝道長度調制效應溝道長度調制效應Gm1/(1/gmRS） 1/（1/gm11/gm2)一般用MOS管來實現426 6、用理想電流源作為負載時的電壓增益、用理想電流源作為負載時的電壓增益1outm

12、ominSmmbSoIg rGVRggRrAvgmr0Av等于MOS管的本征增益,而與RS無關。這是因為電阻RS上的小信號壓降等于0（電流恒定），對于小信號而言，RS相對為0。r043共源極為了獲得更高的電壓增益，輸出阻抗及負載阻抗需大。共源極為了獲得更高的電壓增益，輸出阻抗及負載阻抗需大。 以二極管連接為負載的共源極，輸入輸出呈線性關系。以二極管連接為負載的共源極，輸入輸出呈線性關系。 采用電流源為負載的共源極，通過增加采用電流源為負載的共源極，通過增加L，可以使增益增，可以使增益增加；需同時增加加；需同時增加MOS的的W，保持過驅動電壓不變。，保持過驅動電壓不變。 以工作在線性區以工作在線

13、性區MOS為負載的共源極，其電壓增益與工為負載的共源極，其電壓增益與工藝等因素有關，但負載消耗的電壓余度小，輸出電壓擺幅大。藝等因素有關，但負載消耗的電壓余度小，輸出電壓擺幅大。 帶源極負反饋的共源極，如果帶源極負反饋的共源極，如果RS較大，其增益可以是較大，其增益可以是gm的弱函數，輸入輸出呈線性關系；輸出電阻大。的弱函數，輸入輸出呈線性關系；輸出電阻大。 AvGmRout共源極小結共源極小結4445共源極放大器要獲得高增益，需高負載阻抗，若驅動共源極放大器要獲得高增益，需高負載阻抗，若驅動低阻抗負載時，為了減少信號電平損失，在放大器后低阻抗負載時，為了減少信號電平損失，在放大器后置一個置一

14、個“緩沖器緩沖器” 源跟隨器（共漏極放大器源跟隨器（共漏極放大器柵極接受信號，源極驅動柵極接受信號，源極驅動負載，輸出信號跟隨輸入負載，輸出信號跟隨輸入信號。信號。461 1、大信號特性分析：、大信號特性分析： V VininVVVthth M M1 1飽和導通，飽和導通， V Vinin ， Vout Vout 且跟隨輸入信號變化，兩者且跟隨輸入信號變化，兩者之差為之差為V VGSGS。輸入輸出特性輸入輸出特性472 2、小信號增益、小信號增益A AV V111 ()outinbsoutoutmmboutsoutmsvinmmbsVVVVVVg Vg VRVg RVggRA 小信號等效電路小

15、信號等效電路AvAv與與V Vinin的關系：的關系：g gmm隨隨V Vinin的增大而增大，的增大而增大，當當g gmm足夠大時，足夠大時，AvAv即使RS為無窮大，Av1輸入輸出極性相同480111|xmxmbxoutmmbmmbIg Vg VRggggV1=-VX體效應減小了等效輸出電阻體效應減小了等效輸出電阻494 4、利用戴維南等效電路求、利用戴維南等效電路求AvAv1從源跟隨器的源端看，電從源跟隨器的源端看，電流源流源gmbVbs等效為一個等效為一個1/gmb的電阻，并聯在輸出的電阻，并聯在輸出節點上。節點上。利用戴維南等效表示的源跟隨器：利用戴維南等效表示的源跟隨器：戴維南等效

16、定理：對于線性含源二端網絡，從兩端看進去，可以用一個獨立電壓源（端口的開路電壓）和一個串聯電阻來等效。也可以用也可以用AV-GmRout得到得到50對如下電路：對如下電路：其戴維南等效電路為：其戴維南等效電路為：51對于如下電路，用戴維南等效可以方便地求出對于如下電路，用戴維南等效可以方便地求出AvAv521. 1. 源跟隨器表現出高輸入阻抗和中等輸出阻源跟隨器表現出高輸入阻抗和中等輸出阻 抗。抗。2. 2. 由于體效應而引起輸入由于體效應而引起輸入- -輸出的非線性，源跟隨器通常有輸出的非線性，源跟隨器通常有百分之幾的非線性。百分之幾的非線性。3. 3. 源跟隨器使信號直流電平產生源跟隨器使

17、信號直流電平產生V VGSGS的移動，因此會消耗電的移動，因此會消耗電壓余度。壓余度。若不接源跟隨器，若不接源跟隨器，VxVx的最小允許值的最小允許值為為V VGS1GS1V VTH1TH1（M1M1處于飽和區）。處于飽和區）。加上源跟隨器后，要使加上源跟隨器后，要使M3M3工作在飽工作在飽和區，則和區，則VxVx必須大于必須大于V VGS2GS2+ +（V VGS3GS3- -V VTH3TH3）源跟隨器最一般的應用是電平移動。53從源端輸入信號，漏端輸出信號54假設假設V Vinin從一個較大值開始減小從一個較大值開始減小 。 V VininVVb b-V-Vthth ， M M1 1關斷

18、，關斷， V Voutout=V=VDDDDV VininV Vth1 Vth1，M1M1、M2M2飽和導通，飽和導通，VoutVout下降。下降。3 3）隨著）隨著VinVin增加，增加，I ID2D2增加，增加，V VGS2GS2增加，增加，VxVx下降。下降。4 4）當）當V Vinin足夠大，則：足夠大，則：若若VxVx下降到下降到V VininV VTH1TH1時，時，M1M1進入線性進入線性區；區；若若V Voutout下降到下降到VbVbV VTH2TH2時，時，M2M2進入線進入線性區。性區。63（1 1）增益）增益因為輸入器件的漏電流和共源共柵器件的漏電流相等，因為輸入器件的

19、漏電流和共源共柵器件的漏電流相等，因此，因此，AvAvg gm1m1R RD D（和共源級增益表達式一樣）。（和共源級增益表達式一樣）。64（2 2）輸出阻抗）輸出阻抗對小信號等效電路進行計算可得對小信號等效電路進行計算可得可看成帶源極負反饋的共源級共源共柵結構的輸出阻抗很高，共源共柵結構的輸出阻抗很高，M2M2將將M1M1的的輸出阻抗提高了輸出阻抗提高了(g(gm2m2+g+gmb2mb2)r )ro2o2倍。倍。65對于右圖所示的電路：對于右圖所示的電路：AvGmRDM1M1、M2M2都工作在飽和區，則都工作在飽和區，則提高輸出阻抗可以提高增益！增益約為晶體管本征提高輸出阻抗可以提高增益！

20、增益約為晶體管本征增益的平方。增益的平方。電流源阻抗近似無窮大66（1 1）作為恒定電流源）作為恒定電流源高的輸出阻抗提供一個接近理想的電流源。但犧牲了電高的輸出阻抗提供一個接近理想的電流源。但犧牲了電壓余度。壓余度。采用PMOS共源共柵的NMOS共源共柵放大器Vout,s=VDD-(Vod1+ Vod2+Vod3+ Vod4)67 對于高輸出阻抗，如果輸出結點電壓變化對于高輸出阻抗，如果輸出結點電壓變化 V V，相應在共柵器件源端的電壓很小。相應在共柵器件源端的電壓很小。共源共柵晶體管可共源共柵晶體管可“屏蔽屏蔽”輸入器件，使其不輸入器件，使其不受輸出結點電壓的影響受輸出結點電壓的影響 68

21、折疊式共源共柵，小信號電流分別向上或向下折疊式共源共柵，小信號電流分別向上或向下“折疊折疊”。該結構的總偏置電流應比普通的共源共柵結構大，才能該結構的總偏置電流應比普通的共源共柵結構大，才能獲得與之相當的性能。獲得與之相當的性能。輸入器件、共源共柵器件不是同一類型給共源共柵兩個器件提供偏置69假設假設V Vinin從從V VDDDD00 V VininVVDDDD- -V Vthpthp,M,M1 1截止，截止，I I1 1全流過全流過MM2 2 V Voutout=V=VDDDD-I -I1 1R RD D V VininV VDDDD- -V Vthpthp, M, M1 1飽和飽和導通導通 V Vinin繼續下降，繼續下降，