1、模擬集成電路原理第3章 單級放大器董剛微電子學院12上一講放大器基礎知識電阻做負載的共源級增益有非線性，電阻精度差或面積大A v = g m R D西電微電子學院董剛模擬集成電路設計3上一講二極管接法的MOS 管做負載的共源級線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否則擺幅小、帶寬小）Av = (W / L)1 1(W / L)2 1 + A v = n (W / L ) 1 p (W / L ) 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計4上一講電流源做負載的共源級增益大Av = gm ro1 | ro2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計 W 5上一講深線性區MOS管做負載的共源級輸出擺幅大（可以為V

2、DD）得到精準的Ron2比較困難；受工藝、溫度變化影響比較大，產生穩定、精確的Vb比較難RON 2 =nCox L 21(VDD Vb | VTHP |)Av = gm RON2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計6上一講帶源極負反饋的共源級Rs使Gm和增益變為gm的弱函數，提高線性度輸出電阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro犧牲了增益A v = G m R D= g m R D1 + g m R S西電微電子學院董剛模擬集成電路設計VX 1Rout = =7如何求“從M1源端看進去的電阻”？QV1 = VX , IX gmVX gmbVX = 0IX gm +

3、gmb求從“？端看進去的電阻”，用同樣方法西電微電子學院董剛模擬集成電路設計8本講共漏級源跟隨器共柵級共源共柵級折疊共源共柵級手算時器件模型和公式的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設計9源跟隨器大信號特性西電微電子學院董剛模擬集成電路設計10源跟隨器小信號特性增益西電微電子學院董剛模擬集成電路設計Av =11111源跟隨器增益隨Vin的變化Vout=1V時，時，=0.163 (當g m RS 足夠大時)g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + g m RS1+ (1 +g mbg m=) =1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB西電微電子學院董剛模擬集成電路設計

4、Av =11112源跟隨器增益的非線性Vout=1V時，時，=0.163 (當g m RS 足夠大時)g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + g m RS1+ (1 +g mbg m=) =1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB西電微電子學院董剛模擬集成電路設計=v13源跟隨器提高增益的線性度Av =gmRS gm gm1+ (gm + gmb)RS 1 + (gm + gmb) gm + gmbRS(當RS = 時)仍存在非線性，因為（）gmb隨Vin的變化而改變。A = 1源隨器通常有百分之幾的非線性 1+西電微電子學院董剛模擬集成電路設計14源跟隨器提高增

5、益的線性度采用PMOS管做源隨管，消除體效應小信號等效電路Av =gm1(rO1 rO1)1+ gm1(rO1 rO1)提高了線性度輸出電阻比NMOS管的大西電微電子學院董剛模擬集成電路設計gmbAv = 1gm115源跟隨器考慮rO和RL后的增益1| ro1 | ro2 | RL| ro1 | ro2 | RL +gmb西電微電子學院董剛模擬集成電路設計16源跟隨器小信號特性RinIinRin =VinI in低頻下，Iin=0，因此，因此，Rin=西電微電子學院董剛模擬集成電路設計()17源跟隨器小信號特性RoutRout=1g m + g mb輸出電阻小驅動低阻負載時的阻抗轉換電路VTH

6、 = VTH 0 + 2F + VSB 2F西電微電子學院董剛模擬集成電路設計A v =18源跟隨器PMOS管做源隨管采用PMOS管做源隨管，能消除體效應g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 提高了線性度1 + g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 源-襯寄生電容降低帶寬西電微電子學院董剛模擬集成電路設計19源跟隨器PMOS管做源隨管采用PMOS管做源隨管，能消除體效應在相同W/L和ID情況下，比NMOS管的大管的大R out=1g mrO 1 r O 2 1g mR out , NMOS =g m1+ g mb西電微電子學院董剛模擬集成電路設計20源跟隨器擺幅問題源跟隨器會使信號直流電平

7、產生VGS的平移，降低信號擺幅保證M1工作在飽和區VX VGS1 VTH保證M2、M3都工作在飽和區V X (VGS 3 VTH ) + VGS 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計21源跟隨器主要應用電壓緩沖器輸入阻抗大，輸出阻抗小。在高輸出阻抗電路（如電流源負載的共源級）驅動低阻負載時，插入源隨器做電壓緩沖級，實現阻抗轉換電壓平移電路VGS = VTH + VOV =2ICOXWL西電微電子學院董剛模擬集成電路設計22本講共漏級源跟隨器共柵級共源共柵級折疊共源共柵級手算時器件模型和公式的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設計23共柵級簡介源端輸入直流耦合，交流耦合西電微電子學院董剛模擬集成

8、電路設計飽和區1WL24共柵級大信號特性VbVTH線性區截止區飽和區時 Vout= VDD n COX2(Vb Vin VTH )2 R D西電微電子學院董剛模擬集成電路設計1WL25共柵級小信號特性增益Vout= VDD n COX2(Vb Vin VTH )2 R D求Vout / Vin，得：Av = g m (1 + ) RD從小信號等效電路可得到相同結果體效應使跨導增大西電微電子學院董剛模擬集成電路設計RD26共柵級考慮rO和RS影響后的增益根據基爾霍夫電流定律，列 Av =方程組可解得(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RD西

9、電微電子學院董剛模擬集成電路設計27共柵級實例1求增益思路：利用戴維寧定理（等效電壓源定理），把輸入信號轉換為帶內阻的電壓源的形式；再利用已知的Av公式Av =(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RDRD西電微電子學院董剛模擬集成電路設計28共柵級實例1求增益西電微電子學院董剛模擬集成電路設計1 129共柵級實例1求增益Vin ,eq =rO11rO1g mb1+g mb1 g m1VinReq = rO11g mb11g m1將結果帶入右式中即可Av =(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + R

10、S + RDRD西電微電子學院董剛模擬集成電路設計= RP = RD RP30共柵級實例2求增益輸入信號為電流信號 思路：用戴維寧定理，把輸入電流信號轉換為帶內阻的電壓源的形式；再利用實例1的結果Vout VoutIin Vin ( gm + gmb )ro + 1 ro + ( gm + gmb )ro RP + RP + RD 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計Vin31共柵級小信號特性Rin從M1管源端看進去的電阻求 ，得：Rin = 1/gm (1+)Iin輸入阻抗小西電微電子學院董剛模擬集成電路設計32共柵級低Rin特性的應用根據傳輸線理論：對于50傳輸線，接收端匹配50電阻時，反射

11、回來的能量最小，功率傳輸效率最高a結構電壓增益為結構電壓增益為gm150; b結構為結構為gm1RDRin = 1 / g m (1 + ), g m = 2nCOX (W / L) I D西電微電子學院董剛模擬集成電路設計+33共柵級考慮rO后的Rin求VX/IX得RinRin =RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb西電微電子學院董剛模擬集成電路設計+34共柵級考慮rO后的Rin只有當RD較小時，Rin才會較小當RD很大時，Rin會很大RD無窮大時，Rin無窮大Rin =RD + rO RD 11 + ( g

12、 m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb西電微電子學院董剛模擬集成電路設計35共柵級小信號特性Rout計算結果同帶源極負反饋的共源級的RoutRout = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro | RD輸出電阻很大西電微電子學院董剛模擬集成電路設計36共柵級主要應用輸入信號為電流信號的情形與共源級結合構成共源共柵級西電微電子學院董剛模擬集成電路設計37本講共漏級源跟隨器共柵級共源共柵級折疊共源共柵級手算時器件模型和公式的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設計38共源共柵級簡介共源級共柵級有重要應用西電微電子學院董剛模擬集成電路設計239共

13、源共柵級偏置要求要求M1和M2都飽和區V b V ov 1 + V GS輸入器件共源共柵器件V out V ov 1 + V ov 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計40共源共柵級大信號特性Vin大于VTH1后繼續增大，則：ID增大，VGS2增大，VX減小，到一定值時M1或M2進入線性區，增益（Vout曲線斜率）減小西電微電子學院董剛模擬集成電路設計41共源共柵級小信號特性增益=0時A v = g m 1 R D與M2管的跨導和體效應無關西電微電子學院董剛模擬集成電路設計42共源共柵級小信號特性Rout計算思路：負反饋電阻為rO1的共源級；輸入信號內阻為RS的共柵級R out = 1 + (

14、 g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2M2管將管將M1管的輸出阻抗提高為原來的（管的輸出阻抗提高為原來的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于實現高增益西電微電子學院董剛模擬集成電路設計43共源共柵級小信號特性Rout增加共柵管的級數能進一步提高Rout：Rout ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 ( g m 2 + g mb 2 )rO 2 rO1代價是減小信號擺幅：V out V ov 1 + V ov 2 + V ov 3Rout = 1 + ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 從M2漏端看進去的電阻 + rO 3= 1 + ( g m

15、3 + g mb 3 )rO 3 1 + ( g m 2 + g mb 2 )rO 2 rO1 + rO 2 + rO 3西電微電子學院董剛模擬集成電路設計44共源共柵級Rout的比較rO4rO約為（gmrO ）rOrO =1 I D, 1L相同ID下，（c）的Rout最大西電微電子學院董剛模擬集成電路設計45共源共柵級做理想電流源利用其高輸出阻抗特性，實現接近理想特性的電流源A v g m 1 R out代價：輸出擺幅減小Voutswing = VDD Vov1Vov2 Vov3 Vov4R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2 1 +

16、( g m 3 + g mb 3 ) rO 3 rO 4 + rO 3 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計1 V outmb 2 ) rO 2共源共柵級屏蔽特性XXVout端有Vout的電壓跳變時，表現在X點的電壓跳變很小，屏蔽了輸出節點對輸入管的影響 V X =rO 11 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2 V out( g m 2 + g 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計4647共源共柵級折疊式共源共柵共源共柵級由共源級實現電壓到電流的轉換，然后電流作為輸入送到共柵級構成共源共柵級時共源管和共柵管類型可以不同相同gm時，直流偏置電流大輸入擺幅大西電

17、微電子學院董剛模擬集成電路設計48共源共柵級折疊式共源共柵輸入擺幅大西電微電子學院董剛模擬集成電路設計49共源共柵級折疊式共源共柵向上折疊向下折疊西電微電子學院董剛模擬集成電路設計50共源共柵級折疊式共源共柵Folded向上或向下折疊；小信號電流流向被改變西電微電子學院董剛模擬集成電路設計51共源共柵級折疊式共源共柵大信號特性ID2變為0西電微電子學院董剛模擬集成電路設計52共源共柵級折疊式共源共柵輸出阻抗比非折疊共源共柵級小R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 ( rO 1 rO 3 ) + rO 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設計53共源共柵級主要應用優點輸出阻抗高高增益屏蔽特性好不足輸出擺幅受一定影響折疊共源共柵級直流功耗大應用電流源共源共柵OPA折疊共源共柵OPA等西電微電子學院董剛模擬集成電路設計54本講共漏級源跟隨器共柵級共源共柵級折疊共源共柵級手算時器件模型和公式的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設計55手算時器件模型和公式的選擇器件模型