3CMOS模拟电路基本单元二(课件5)

1CMOS模拟集成电路基本单元（二）微电子学院刘帘曦西安电子科技大学2CMOS模拟集成电路基本单元（二）重点：CMOS基本放大器西安电子科技大学3模拟CMOS基本放大器放大器是集成电路的最基本单元电路之一；用于小信号的放大，也可以提高模拟电路的驱动能力，增益较高的放大器常应用于反馈系统中；基本CMOS模拟放大器，包括单管的共源、共栅、共漏三种组态及Cascode放大器；掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出阻抗的简化公式4重要的基本公式()GSTDSGSTDSGTDVVVVVVVVVVV临界条件的变形：5CMOS共源放大器（1）共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏极电流流过负载电阻产生输出电压。6CMOS共源放大器（2）共源放大器的大信号分析7CMOS共源放大器（3）由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在饱和区DoDomVRrRrgA考虑沟道调制效应，可得：增加NMOS的W/L或增大源漏电流或增大RD都可以提高共源放大器的小信号增益；常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅。8CMOS共源放大器（4）输入输出特性曲线和饱和区小信号模型9CMOS共漏放大器（1）对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻;如果共源放大器驱动低阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。10CMOS共漏放大器（2）当VinVTN时，NMOS管M1截止，输出电压Vout等于零;随着输入电压的增大并超过VTN，M1由截止进入饱和区，Vout开始随着输入电压的增加而增加;进一步增大Vin，Vout将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为VGS共漏放大器的输入－输出特性可以表示为：outSoutTHinoxnVRVVVLWC221SmbmSmVRggRgA1大信号分析：11CMOS共漏放大器（3）SmbmSmVRggRgA1输入输出特性曲线和饱和区小信号模型VoutVinVTN12CMOS共栅放大器（1）在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共栅放大器就是利用这个特性所实现的。当输入电压Vin较大时，即Vin≥Vb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout等于VDDRDVoutVDDVinM1Vb13CMOS共栅放大器（2）当VinVb-VTH时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为221TNinboxnDVVVLWCI进一步减小Vin，Vout逐渐减小，M1开始进入线性区，临界点即：TNbDTNinboxnDDVVRVVVLWCV221如果M1工作在饱和区，则输出电压为DTNinboxnDDoutRVVVLWCVV221DinTNTNinboxninoutVRVVVVVLWCVVA114CMOS共栅放大器（3）VoutVinVb-VTNVddRSgmV1gmbVbsVin+-VoutV1R0RD输入输出特性曲线和小信号模型15CMOS共栅放大器（4）16CMOS共源共栅放大器（1）共源放大器则将输入电压信号转换成输出电流，而共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流；如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放大器，即级联三极管（Cascode）放大器；NMOSM1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，M2将该漏电流转换成输出电流，该电流流过负载电阻变成输出电压Vout，所以M1为输入器件，M2为共源共栅器件。17CMOS共源共栅放大器（2）为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足VX≥Vin－VTH1为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足Vout≥Vb－VTH2，为了保证M1和M2都处于饱和区，则必须满足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，可见M2的增加使放大器的输出电压摆幅减小18CMOS共源共栅放大器（3）当VinVTH1时，M1和M2处于截止状态，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；当Vin≥VTH1时，M1将输入电压转换成漏电流，并使输出电压Vout下降，但漏电流的增加使M2的栅源电压VGS2也随着增加，从而导致VX下降;当Vin继续增加，从而导致两个结果：(1)VX降到比Vin低一个阈值电压VTH1，使M1进入线性区；(2)Vout降到比偏置电压Vb低一个阈值电压VTH2，使M2进入线性区。如果Vb比较低的时候，M1会先进入线性区；如果M2进入深线性区，VX和Vout将近似相等。Cascode放大器的一个重要特性就是输出阻抗很高，M2将M1的输出阻抗提高至原来的(gm2+gmb2)*RO2倍，其中RO2为M2的输出阻抗。VoutVinVbRDM2M1X19CMOS共源共栅放大器（4）输入输出特性曲线和饱和区小信号模型VoutVinVTN1Vdd从小信号模型容易得到：共源共栅放大器增益与共源放大器增益形式相同，与M2的跨导和体效应无关。20Thanks！西安电子科技大学