第三章单级放大器.ppt
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1、单级放大器 Ch. 3 # 1,第三章 单级放大器,单级放大器 Ch. 3 # 2,主要内容,掌握CMOS单级放大器的基本结构和工作原理 共源极、源极跟随器、共栅级、共源共栅级 掌握CMOS单级放大器的设计方法,单级放大器 Ch. 3 # 3,非线性系统的输入输出特性,3.1基本概念,模拟电路设计的八边形法则,单级放大器 Ch. 3 # 4,3.2 共源级 3.2.1 采用电阻负载的共源级(CS),单级放大器 Ch. 3 # 5,采用电阻负载的共源级(CS),斜率(即增益)最大为多少?,输出电压摆幅最大为多少?,静态工作点,易观察到的两个问题: 放大器增益最大可达到多少? 输出电压摆幅最大为多
2、少?,V0,Vin,单级放大器 Ch. 3 # 6,简单CS放大器的设计参数,固定设计参数: kn,VTH, (由制造工艺决定) 设计目标: 一定大小的放大器增益 Av= -gmRD (Avmax= ?) 设计可变参数:VDD,ID,VG,W/L,RD (VDD通常也是固定的) 附加设计条件:功耗大小要求;输入、输出电压范围(摆幅) 限制条件:MOS管必须工作在饱和状态,输出电压摆幅,单级放大器 Ch. 3 # 7,电阻负载共源级的ID(Vin)、gm(Vin),临界饱和点A,问题:图(b)中临界饱和点(A)gm最大,设为静态工作 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗?为什么?,A,M1在饱和
3、区,M1在线性区,gm=(Vgs-VT),VinA-VT,gm=VDS,VinA,VinA-VT,单级放大器 Ch. 3 # 8,电阻负载共源级的小信号等效电路,本征增益,大约为1030,单级放大器 Ch. 3 # 9,电阻负载CS放大器设计参数的制约关系,增益AV与W/L、ID、RD(VRD)三个参数有关。,若保持为ID、 W/L常数, RD,AV ,这意味着VDS ,放大器静态工作点下移,输出电压的摆幅。,若保持ID、RD为常数, W/L,AV ,但MOS管寄生电容,高频相应(放大器的f3dB)变差。,若保持W/L、VRD不变,ID , AV ,这意味着RD ,版图面积,电阻噪声,放大器速
4、度(输出节点时间常数RC ),沟道调制效应的影响 (r0与RD更接近)。,总之,若为提高增益而使 RD,就会导致输出电压的摆幅,版图面积,电阻噪声,放大器速度,因此电阻复杂CS放大器一般不常用 。,单级放大器 Ch. 3 # 10,3.2.2二极管连结MOS管的工作状态,MOS管二极管连结并导通时,Vg=Vd,显然,不论是NMOS还是PMOS管,均工作在饱和区!,单级放大器 Ch. 3 # 11,二极管连接的MOS管的小信号等效电阻,二极管连接的MOS管从源极看进去的小信号等效电阻:,常用公式,单级放大器 Ch. 3 # 12,二极管连接的MOS管小信号阻抗,Rin,对于图(c),对于图(a)
5、、(b),(a),(b),(c),=0时同(a)、(b),单级放大器 Ch. 3 # 13,MOS二极管连接负载的共源极,NMOS负载时,PMOS负载时,Rin=1/(gm2+gmb2)/r02,Rin=(1/gm2)/r02,单级放大器 Ch. 3 # 14,MOS二极管连接负载的共源极( 0 ),增益与偏置电流无关,即输入与输出呈线性(大信号时也如此!),NMOS二极管,PMOS二极管,Rin1/(gm2+gmb2),Rin 1/gm2,Vbs0,Vbs=0,问题:ID10时,M2是工作在饱和区还是线性区?,单级放大器 Ch. 3 # 15,MOS二极管连接负载的共源极(例1),则有:,通
6、常:,于是:,若(W/L)2=1,则(W/L)11 ; (WL)1很大, 若(W/L)1=1,则(W/L)21 要小 这体现了增益与速度(带宽)的矛盾!,若需AV=10,单级放大器 Ch. 3 # 16,MOS二极管连接负载的共源极,记Von=VGS-VT表示MOS管的过驱动电压(Von越大,MOS管工作电流也越大),该式表明增益是两管过驱动电压之比,AV越大,Von2越大,Vomax越小。, ID1= ID2 , Von2= VDD- Vo - |VTP |, Vo= VDD- |VTP | -Von2,单级放大器 Ch. 3 # 17,设电源电压 VDD=3V, |VTN|= |VTP|
7、=0.7V 假定 Von1 = VGS1-VTH1= Vin-VTH1 0.2V 若AV=-10, 则 |VGS2| | AV | Von1+| VTH2 | = 2.7V |VDS2 | = | VGS2 | 2.7V 故 Vo=VDD- | VDS2 | 3-2.7=0.3V, 联系到M1饱和要求: Vo= VDS1VGS1-VTH1 = Von1 =0.2V. 故Vo的变化范围仅有0.2V0.3V,输出电压摆幅非常小。,MOS二极管连接负载的共源极(例2),问题: 显而易见,Vin, Vo , 又 VoVin-VTH1 (M1饱和要求)故存在Vin max, 那么Vin max =?,单
8、级放大器 Ch. 3 # 18,求上例中Vinmax=? (例3),设电源电压 VDD=3V, | AV |=10, |VTN|= |VTP| =0.7V M1临界饱和时:Vo = Von1 = VGS1-VTH1= Vinmax-VTH1 又 |VGS2| = | AV | (Vinmax-VTH1) +| VTH2 | 又 Vo + | VGS2 | = VDD (Vinmax-VTH1) (1+ | AV | ) +| VTH2 |= VDD Vinmax = (VDD - | VTH2 |) / (1+ | AV | ) + VTH1 Vinmax = (3 0.7) / (1+ 10
9、 ) + 0.7=0.91V 0.7V=VTH1 Vin 0.91V,易见,M1的输入电压范围也很窄!,单级放大器 Ch. 3 # 19,具有阶跃偏置电流的二极管连接器件,若 I1 越来越小, VGS 越来越接近 VTH I1越来越接近 0时, 忽略漏电流的影响, 我们有: VGSVTH2, 因此 VoutVDD-VTH2 ! 此即NMOS模拟开关传送高电平时的阈值损失特性 PMOS开关呢?情况又如何?,在数字电路中,NMOS、PMOS,的栅极在开关导通时分别接“1”、“0”电平,截止时刚好相反,两种开关并联即构成CMOS传输门。,单级放大器 Ch. 3 # 20,MOS二极管连接共源极的最大
10、输出电压,若上图中M2的栅极接一个固定电压Vb结果又如何?,M1截止,单级放大器 Ch. 3 # 21,MOS二极管连接共源极的最大输出电压,M1截止,单级放大器 Ch. 3 # 22,MOS二极管连接负载共源极的小结,增益AV(W/L)1/(W/L)21/2 = Von2/ Von1。 增益AV不高(一般10),且输入、输出摆幅小,这一特点限制了它的应用。 它的优点是跨导gm与电流ID无关,放大器的线性特性好,大信号下也如此。二极管连接的MOS管常用来构成有源电流镜。 有改善AV不高、输出摆幅小这一缺点的电路,但效果不是特别明显。,单级放大器 Ch. 3 # 23,MOS二极管连接负载的共源
11、极(例4),右图中M1偏置在饱和区,漏电流为I1。已知IS=0.75I1,求AV=?,增加IS在相同增益下可增加输出电压摆幅。,单级放大器 Ch. 3 # 24,采用电流源负载的共源级,Cj,由上式可知:若I1为理想恒流,Vin,则Vout,也可以这样理解: 静态时, I1=ID1,V0为一确定的静态电压,Ij= 0。Vin,ID1,Ij=I1- ID10,Cj充电,V0 ,Ij,单级放大器 Ch. 3 # 25,电流源负载共源级的输出电压摆幅问题,记Von=VGS-VT,常称Von为MOS管的过驱动电压,它表征MOS管工作电流的大小,M1、M2饱和要求:,Von1 =Vin - VTN Vo
12、ut Vb +| VTP | = VDD Von2,输出电压摆幅与Vin、 Vb有关(也常说成与Von1、 Von2有关,两种说法是一致的)。保持ID不变,若(W/L)1,2,Von1、2 ,Vin, Vb , 摆幅增加 (反之减小)。 但(WL),寄生电容,高频性能变差,f3dB 。此即摆幅与带宽的折衷。,若保持(W/L)1,2不变, ID (ID 增加一般来说放大器速度也增加), Von , Vin , Vb , 摆幅减小(反之增加)。此即速度与摆幅的折衷。,单级放大器 Ch. 3 # 26,采用电流源负载共源级的AV,若W、ID不变, L(r02 ), AV,但过驱动电压Von,输出电压
13、摆幅,若同时保持Von不变(即摆幅不变) ,则需W ,这会导致寄生电容, 放大器带宽。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。(电阻负载CS中 ID不变, RD, AV, 摆幅一定),( 1/L),注意增益与ID的平方根成反比!,若ID, AV, 过驱动电压Von, 摆幅, 放大器速度(ID), 这体现了增益、摆幅、速度之间的折衷关系。,若L、ID不变, W, AV,过驱动电压Von ,输出电压摆幅 ,这会导致寄生电容, 放大器带宽。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。,注意其AV与摆幅之间的关系同带电阻负载CS的差别,单级放大器 Ch. 3 # 27,问题:
14、静态工作点Vout如何计算?,若M1、M2饱和,不考虑沟道调制效应(即0),则:,上式与Vout大小无关!,即表示若M1、M2饱和, Vout可以为任意值!这显然与实际不符!,单级放大器 Ch. 3 # 28,电流源负载共源级的静态点问题(1),静态时(Vin、 Vb为一固定常数), Vout的大小由沟道调制效应 (1、2)决定,若不考虑沟道调制效应则无法求得静态工作点,这种情况叫静态工作点无法“目测”,静态工作点不能“目测”,静态工作点可以“目测”,n(W/L)1(Vin-VTN)2(1+1V0 )= P(W/L)2(VDD-Vb-|VTP|)21+1(V0 -VDD),若不考虑沟道调制效应
15、:,单级放大器 Ch. 3 # 29,静态点不能“目测”带来的问题(1),半电路,ISS变化2ISS导致V01变化V01,等效于Vin变化Vin导致V0变化V0,ISS的变化导致静态点电压的剧烈变化,恒流源负载的CS用作差分输入级的半电路时, ISS若因输,入共模电压Vin1=Vin2发生变化带来沟道调制效应(ISS通常是以单NMOS构成的简单恒流源)导致ISS有一微小变化2ISS, 其静态电压V01因r01/r02较大而变化一较大量2ISS(r01/r02 ) (特别是共源共栅结构尤其明显), 这将导致后级因此无法正常工作。该电路作为差分对的半边电路时,必需辅以稳定Vout静态电压的电路(通
16、常称为共模反馈电路)才能正常工作!,单级放大器 Ch. 3 # 30,静态点不能“目测” 与能“目测”的差异,Vout= ISS / gm3 ISS (r01 / r02 ),A,B,2ISS,静态时A、B两点电压相等, 因从M2(3) 漏端看进去的阻抗1/gm2(3)远小于r01/r02 ,故ISS若因共模电压Vin1=Vin2发生变化带来沟道调制效应(ISS通常是以单NMOS构成的简单恒流源)导致ISS有一微小变化2ISS, 则静态电压的变化比恒流源负载的CS小得多, 故该二级管连接负载的CS电路作为差分对的半边电路时,勿需共模反馈电路即能正常工作!,Rin1/gm3,不能“目测”时的变化
17、量,单级放大器 Ch. 3 # 31,工作在线性区的MOS负载的共源级,M2 导通需满足: Vb-VDDVTH2, 即 VbVDD+VTH2 M2 工作在线性区需满足: Vout-VDDVb-VDD-VTH2, 即 VbVout+VTH2 M2工作在深线性区需满足: 2(Vb-VDD-VTH2) Vout-VDD,即: VbVDD/2+VTH2+Vout/2 Vb 、 (W/L)2 还应满足 Ron2 大小的要求,如何确定Vb?,产生上述条件的Vb很难, 且AV不高, 故这种放大器很少采用!,单级放大器 Ch. 3 # 32,CS放大器小结,带电阻负载的CS增益AV=-gmRD, 因RD, 芯
18、片版图面积, 且噪声,输出摆幅,故难于获得高增益, 但因电阻的匹配好, 常用于作低失调放大器的差分输入级。 带MOS二极管连接负载的CS增益AV=-gm1/ gm2 ,因摆幅、带宽、芯片版图面积等原因难于获得高增益, 因此用得较少。 带恒流源负载的CS增益AV=-r01/ r02 ,因高增益与输出摆幅没有不可避免的矛盾,故用得最多,用作差分输入级的半电路时需共模反馈电路以稳定静态直流工作点。 由于存在密勒效应,频带一般,常同CB联合构成CSCB放大器,用于高速运放作差分输入放大级。,单级放大器 Ch. 3 # 33,带源极负反馈的共源级(=0,=0),若gmRD1, AVRD/RS, 输入与输
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