MOS放大电路之EE-ED-CMOS

T1T2C1C2C3R1R2RgRdRsRcReRL+EcR3R4UiUo场效应管与三极管混合放大电路1.静态分析2.动态分析MOS开关电容（SC）结构：由MOS模拟开关和MOS电容组成。功能：在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和转移。在集成电路中，开关电容可以代替电阻，因此又称为“SC等效电阻”。分类：并联型、串联型。MOS模拟集成单元电路MOS电流源MOS有源负载MOS单级放大器MOS管有源负载有源负载：用于代替高阻值电阻的电流源常用的有源负载：单管增强型单管耗尽型电流镜电路注：在大规模电路中，衬底一般不与源极相接，因此必须考虑衬底对电路的影响，即所谓的衬调效应衬底的跨导：0d0dGSDSBSDmbUUUIg0d0dBSDSGSDmUUUIg管子的跨导：跨导比：mmbggη处理方法：画交流等效电路时，衬底B接交流地GDSB单管增强型有源负载MOS管有源负载UDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbs由图可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmUgsgmbUbs+而Ugs=Ubs=UOrO=1gds+gmgmb+IO用D与S间的动态电阻代替大电阻画交流通路DGB均接交流地减小gmb单管增强型有源负载MOS管有源负载GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1gds+gmgmb+rO≈1gmgmb+1gm)(1+=gmb=gmgdsgm和gmb适量减小gmro增大单管耗尽型有源负载MOS管有源负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIO耗尽型：Ugs=0ID=Idss做有源负载时G与S短接用D与S间的动态电阻代替大电阻画交流通路DB均接交流地G与S相接由图可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmbUbs而Ubs=UOrO=1gdsgmb+单管耗尽型有源负载MOS管有源负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIOrO=1gdsgmb+如gdsgmbrO=1gmb耗尽型MOS管有源负载的电阻比增强型的要高gmbgm常用的电路形式MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器E/D型NMOS单极放大器CMOS单极放大器推挽式CMOS单极放大器MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器N2N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1RL2mb2m2L21ggRioUEUUA)//(L2ds1m1Rrg放大管及有源负载均为增强型NMOS管E/E型便由此得名电压增益MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器ioUEUUA)//(L2ds1m1Rrg通常rds1RL2L2m1Rgmb2m2L21ggRmb2m2m1UEgggAm22m1)(1gηgD11D1m1'22ILWKIKgD22D2m2'22ILWKIKg当两管K’、ID相等时其中MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器n2n12UE11SSηASn1Sn2—沟长比如忽略衬稠效应即21n2n1UESSA结论：1.电压增益主要有管子尺寸决定，增加沟长比及减小，增益将增高。2.由于不能无限增加沟长比，该放大器的增益低，约5~10倍。MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电阻：N1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010。输出电阻：2L1dso//Rrr2mb2m2ds1ds1gggggds1,gds2gm2,gmb2m22o)(11gηrMOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器电压增益n2n12UE11SSηAn2n1UESSA输入电阻很高，一般可达1010。输出电阻m22o)(11gηr21时N2MOS单极放大器E/D型NMOS单极放大器N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1mb2ds2L21ggRioUDUUA)//(L2ds1m1Rrg放大管为增强型NMOS管负载管为耗尽型（称D管）E/D型便由此得名电压增益RL2mb21gMOS单极放大器E/D型NMOS单极放大器ioUDUUA)//(L2ds1m1Rrg通常rds1RL2L2m1Rgmb2L21gRmb2m1UDggAm2m121ggη与E/E型比较UDAm2m121ggηUE221AηηUE21Aη通常212≈0.1由此可见：AUD比AUE大一个数量级，约为几十倍。是主要的NMOS放大器。MOS单极放大器E/E型NMOS单极放大器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电阻：N1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010。输出电阻：2L1dso//Rrr2mb2m2ds1ds1gggggds1,gds2gmb2mb2o1grMOS单极放大器E/D型NMOS单极放大器电压增益输入电阻很高，一般可达1010。输出电阻mb2m1UDggAm2m121ggηmb2o1gr电压增益约为几十倍，是主要的NMOS放大器。MOS单极放大器CMOS有源负载放大器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUiUOEGgm1Ugs1IOD1D2rds1rds2G1UO+-Ui+-roS1S2G2电压增益)//(ds2ds1m1UrrgAds2ds1m1gggMOS单极放大器CMOS有源负载放大器电压增益UAds2ds1m1ggggds比gmb2、gm小1~2个数量级特点：1.增益高--几百倍乃至上千倍；2.可在较低的电流下工作，有利于降低功耗；输入电阻很高，一般可达1010。输出电阻ds2ds1ds2ds1o1//ggrrr3.输出电阻比E/E型和E/D型高。MOS单极放大器CMOS互补放大器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUOgm1Ugs1D1D2rds1rds2G1G2UO+-Ui+-roS1S2UiId1Id2gm2Ugs2电压增益ioUUUAids2ds1gs2m2gs1m1//)(UrrUgUg由图可看出Ugs1=Ugs2=Ui如gm1=gm2=gmds2ds1m2gggro=rds1//rds2MOS单极放大器CMOS互补放大器电压增益ioUUUAds2ds1m2ggg特点：1.增益高--是CMOS有源负载放大器的2倍；2.输出电阻与CMOS有源负载放大器相同。输出电阻ds2ds1ds2ds1o1//ggrrr存在问题：级联存在电平匹配困难，因此一般作输出级。MOS集成运算放大器常用的MOS运放NMOS运放：优点—速度与集成度高缺点—电压增益比较低，电路比较复杂。CMOS运放：优点—电压增益高，电路比较简单缺点—速度与集成度比NMOS低。电路结构与双极型运放相似MOS集成电路有NMOS、PMOS和CMOS等工艺类型，MOS集成电路中大量采用有源负载代替实体电阻，常用的有源负载有：1.单管增强型有源负载，它采用增强型MOS管组成。等效交流电阻为:ro=1/(gds+gm+gmb)式中gds—漏源输出电导；gm—管子跨导；gmb——管子衬底跨导。通常gmgmbgds2.单管耗尽型有源负载，它采用耗尽型MOS管组成。等效交流电阻为：ro=1/(gds+gmb)小结小结MOS集成电路中普遍采用有源负载共源放大电路，常用的有四种，即、E／E型，E／D型，CMOS型和CMOS互补形放大器。1.E／E型放大电路的放大管和有源负载管均采用增强型MOS管组成。电压增益为：AUE=-gm1(rds1//RL1)如放大管和负载管的ID和K一致，放大增益可表示为：n2n1UE/SSA电压增益小，约为5~10倍。小结2.E／D型放大电路的放大管采用增强型和负载管均采用耗尽型MOS管组成。电压增益为：AUD=-gm1(rds1//RL2)AUD≈AUE/22=gm2/gmb2，通常为0.1左右。E／D型的电压增益比E/E型大10倍到几十倍。3.CMOS有源负载放大电路是采用极性不同（N沟或P沟道）的放大管和负载管组成。电压增益为：AU=-gm/(gds1+gds2)其电压增益比AUD和AUE大，一般在几百倍。小结4.CMOS互补放大电路是采用极性不同的两只MOS管组成，而且互为放大管和负载管，使输出电流增加。电压增益为：AU=-2gm/(gds1+gds2)其电压增益是CMOS放大电路的2倍，在四种MOS放大电路，电压增益最大。重点难点重点：常用MOS放大单元电路（E/E、E/D、CMOS、CMOS互补）的构成、特点及分析方法。难点：MOS放大单元电路的分析方法。