第三章 单级放大器

若Vin足够高，使 Vout << 2(Vin − VTH ) 则器件可以用一个电阻来表示如(c)，那 么
Vout = VDD
Ron Ron + RD
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3.2 共源级放大器
小信号分析 由于线性区跨导不稳定，我们一般使器件工作在饱和区。 此时该共源级的小信号增益为：
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Feb.2011 郑然 zhengran@
西北工业大学航空微电子中心 嵌入式系统集成教育部工程研究中心
第三章
单级放大器
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3.2 共源级放大器
g m1 g m1 1 1 Av = − g m1 ( || ro1 ) ≈ = gm 2 + gmb2 gm 2 + gmb2 gm 2 1 + η
又可得到
Av = − 2un Cox (W / L)1 I D1 1 (W / L)1 1 =− 2un Cox (W / L) 2 I D 2 1 + η (W / L) 2 1 + η
3.2 共源级放大器
将M2换成PMOS之后的电路结构：
Av = −
2un Cox (W / L)1 I D1 u (W / L)1 =− n 2u p Cox (W / L) 2 I D 2 u p (W / L) 2
可以实现线性增益。 缺点：引入PMOS需制作独立的阱使 工艺复杂度提高。
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画出考虑沟道调制效应的小信号模型，并得出这种情 况下的小信号增益。
Av = − g m ( ro || RD)
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3.2 共源级放大器
本征增益：Av = − g m ro
代表了用单个器件能够得到的最大增益(RD=∞)。当代工 艺下该值大约在10到30之间。因此认为 1 / g m << 。 ro 例：分析下面电路的小信号增益及电路动作原理。
该结果与前边的大信号分析一致 η 从这个结果看出我们似乎得到了一个与输入无关的增益，事实上 是M2源端电压(随输入变化)的函数。那么，如果忽略这一关系，增 益相对保持稳定。 进一步考虑，既然M2的体效应是导致增益非线性的一个主要原因， 如果采用PMOS的二极管连接形式是不是可以避免此非线性呢？
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y (t ) ≈ a0 + a1 x(t )
这里a0可以认为是y(t)的静态工作点（偏置点），a1可以认为是小 信号增益，只要 a1 x(t ) << a0偏置点受到的扰动就可以忽略不计。 如果 x(t )的变化范围（幅度）增大，高阶项就会逐渐显现出来， 从而导致了系统的非线性。此时必须将 x(t )作为大信号进行分析。
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本章内容

3.1 放大器的基本概念 3.2 共源级放大器 3.3 源跟随器 3.4 共栅级放大器 3.5 共源共栅级放大器 3.6 折叠式共源共栅
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3.1 放大器的基本概念
放大是电路的一个基本功能，将信号放大有利于： 驱动负载； 克服噪声； 达到数字系统的逻辑电平要求 等等 放大器的输入输出在一定范围内变化时，可以使用一 个多项式来拟合其关系。
引入恒流源阻抗为无穷大，因此其小信号增 益为其本征增益。 恒流源控制流过器件的电流，小信号Vin如 何作用呢?根据
1 W I D1 = u nCox (Vin − VTH ) 2 (1 + λVout ) = I1 2 L
Vin增大，Vout必定减小以保持乘积为常数。
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3.2 共源级放大器
3.2.2 “二极管连接器件”作负载的共源级
二级管连接器件：将器件的栅和漏连在一起如（a）图。 特点：工作在饱和区，相当于一个小信号电阻。
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3.2 共源级放大器
“二极管连接器件”作负载的共源极
如果能将上图的M2等效为一个电阻R2，我们就可以写出“ 二极管连接器件”作负载的共源级增益。 Av = − g m1 ( R2 // rO1 )
2 2 2 2
R2=Vx/Ix
Vx ( gm 2 + gmb2 )Vx + = Ix ro 2
1 1 Vx || ro 2 ≈ R2 = = Ix gm 2 + gmb2 gm 2 + gmb2
∂Vout W Av = = − RD unCox (Vin − VTH ) = − g m RD ∂Vin L
通过小信号模型图（d），可以得 出同样的结果：
Vout = − g mV1 RD V V Av = out = out = − g m RD Vin V1 Vin改变引起漏电流改变，改变的漏电流 流过电阻使Vout改变，这就是输入变化作 用到输出端的原理。
其中，Vin1可以由下式求得
Vin1 − VTH = VDD − RD
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1 W unCox (Vin − VTH ) 2 2 L
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Vin>Vin1时，M1处于线性区，输出电压为：
Vout W 2 = VDD − RD u nCox [(Vin − VTH )Vout − Vout ] L
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若考虑沟道调制效应，计算前述共源级的小信号增益。
W 1 RD rO Vout = VDD − RD unCox (Vin − VTH ) 2 (1 + λVout ) ⇒ Av = − g m 2 L RD + rO rO = 1 /(λI D )
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小信号的计算包含一种近似的思想，认为跨导不随输入 的变化而变化。事实上，当输入变化时跨导也会跟随变化， 从而导致了增益的非线性。输入变化幅度越大，这种非线性 越明显。 我们可以将增益表达式变换为： 因此 想要获得良好的线性增益，必须使gm(Vin)成为输入的弱函数， 减小输入的变化对跨导的影响。这一思想会在后面的某些内容中 谈到。
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3.2 共源级放大器
2、过驱动电压和阈值电压严重限制输出电压摆幅。
W W 2 2 I D1 = I D 2 , ∴ un (VGS1 − VTH1) = up (VSG2 − | VTH2 |) L 2 L 1
Av = − un (W / L)1 VSG2 − | VTH2 | = up (W / L) 2 VGS1 − VTH1
要获得10倍的增益，M2的过驱动电压必须是M1的十倍。若M1的 过驱动电压为200mV，M2的阈值电压为-0.7V的话，那么
VSG2 = 2.7V
这将严重制约输出电压的摆幅。
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y (t ) = a0 + a1 x(t ) + a2 x 2 (t ) + ⋅ ⋅ ⋅ + an x n (t ),
x1 ≤ x ≤ x2
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3.1 放大器的基本概念
如果x的变化范围足够小，可以近似得到一个线性的关系：
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Av =
∂Vout = − g m (Vin ) RD ∂Vin
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3.2 共源级放大器
例：将下面共源级的漏电流和跨导表示为输入电压的函数。 漏电流
Vin增大使器件经历饱 和到线性。进入深线 性区后，器件的导通 电阻变得很小。 Vin增大使器件经历饱 和到线性。Vin1左侧 为饱和区，右侧为线 性区。
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“二极管连接器件”作负载的共源级，可以实现较好 的线性增益，但也有其固有的缺点： 1、需要靠较大的器件尺寸来实现高增益
比如要获得10倍的增益，要使 un (W / L)1 u p (W / L) 2 = 100 即使 un u p = 2, (W / L)1 (W / L) 2 也必须等于50才行。这样就会 造成晶体管尺寸的不均衡，W或者L过大，都会造成大的输入 或者负载电容，从而使器件功率损耗变大，频率特性变差。
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W (VSG 2 − | VTH 2 |) µ p Cox L