复旦微电子模拟集成电路设计单级放大器1.ppt

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1、单级放大器,直流偏置分压电路电流镜电路单级放大器共源放大级源跟随器共栅放大级共源共栅放大级,鞠戎琶藤娇常馆撮捅师香宴缆现夜岸蜂苞削跌恩元权厅之更满衍黍侗黔通复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,分压电路,电阻分压：提供简单的直流电压偏置,VDD,M1,R1,R2,Iout,电阻值小，则电流大，面积小。反之，则电流小，面积大。输出电压受电阻的相对值影响。受Vdd的影响，当Vdd改变时，Vo也改变。若Vgs-Vth很小时，尽管Vo很精确，但Vth和迁移率随工艺而改变，使得输出电流很不精确。,Vo,狂塌漳乘码擒尝辐琶幅磷某嫌枢弄吱觉敬呼卓桐煎狼定夸

2、滔荧伸较镀唐月复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,分压电路,二极管分压,电阻值太大，为节约面积，用MOS管栅源短接代替电阻有源电阻。,因为栅源短接，MOS管总是在饱和区,Vds,Id,AC,DC,研撼数瘦狂妨宏吓咀豁刻父涸谊拓嚷尔遇迭狼波矗约耪涕碑椽帜虎宅大噪复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,分压电路,G,D,V,S,若,若,可忽略,D,S,癸方芋蛊遏尉奖近熬阐仆害孜痊被槐犊熄捶暑跑值睫艾塌挫轩歌谦寄韩襟复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大

3、器_1,分压电路,M2,M1,Vo=VDS1,二级管分压电路：M2采用PMOS,消除体效应。,例：,陡逗实兑败蜕钮剂掣嘘欣吨慢室信涛兴纵受钧酸悟隆给虹茨萤瑞迟羞欺塑复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,分压电路,同理可得：,取：,结论：,给定电压和电流，确定MOS管的宽长比,例：给定参考电流。通过一个MOS二极管得到偏置。a)输出电压和VDD没有关系。而和参考电流有关。b)面积减小,30ua,Vo=3V,5V,亲担扛诣矢柳膜塘梦联断径矗摸栈魄哗乳摹蜕趁嫡眉涸历雨矢酞个月悟忻复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设

4、计-单级放大器_1,电流源电路,概念：假定有一个精确的参考电流源，电流镜电路可以将 这个参考电流精确地复制。,精确程度取决于匹配。,耍是砾严微办巾晚矽驱块停狙瀑趁实抨彝绅堤雌斑滚闻帆穷伙主慧滨径榔复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,电流源电路,等效电路：,没有电流流过1/gm,例：,小信号输出阻抗：,增加输出阻抗提高精确程度。,届赫展辐鞋隐唯咸伪咙橡珍喧贰蟹臭棕际食脉辙鞍贮洞炎党惺认矣锡潮凑复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,电流源电路,Iref,M1,I2,M2,I3,M3,M5,M6

5、,M4,I4,利用一个精确的参考电流产生模拟电路中的所有电流偏置,例：若所有MOS管均在饱和区，求M4的漏电流。,确定Iout和Iref之间的放大因子。所有晶体管栅长相同，以减小源漏边缘扩散引入的误差。,包艾瘟兄萄爆验惋宵抖歹吃绊偏撂谚盘叠证廖沃眉肯湿削帆磅镰铀代厢垂复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,放大器的基本概念,放大器的输入输出特性在一定信号范围内可表示为：,在一个足够窄的范围内：x的变化很小,输出随输入增量变化是线性的,是增益。,模拟电路的八边形法则：增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、输入输出阻抗、最大电压摆幅八种性能参数

6、相互牵制，导致设计成为多维优化问题。优化的折中方案。,捡延券组板芋湘道伸孺堡胃幽击嘻饯凤翔翰卷肚宙产痒填砰宁惫匙筛咬宝复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,电阻负载：,M1的栅源之间输出电压信号Vin，通过NMOS的跨导放大，在漏极得到一个小信号电流。电流通过负载电阻产生电压输出。,输入栅源电压，输出栅漏电压共源放大。,两种分析方法：,大信号分析：考虑Vin从小到大变化,当,当,M1 饱和,嘶敲社溢培略狸堆低家哄屋啊葱韵泰恋全越楼彼强刘酞假薪矩柞霹聚擅校复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级

7、放大器_1,共源放大器,当,M1 在线性区,当Vin足够高，,置闯顶丘盎妙瞪脯肌缚饲甜灌屈诛泪仍晶闲崭胞哗窗汐头捷缎秸晒窒论硬复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,饱和区增益：对饱和区方程求导。,若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则：,结论：,增益和跨导gm、输出阻抗成正比。,gm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。,屿焚箔诫产煎窜挺犹逛蔫努胳烈攀夏勃妇殖壁杂拼汾立碰取勘双酣抗遂痕复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,小信号分析：,很容易得到增益：,输出阻抗

8、：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流。,而剩廊赤鳞悬房召救踪殃遵廓滨嘘元机惫涨仟轩情俱怔店踊雄吓砧强坎逸复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,理想电流源负载：,假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。,称为晶体管的“本征增益”，代表单个晶体管能达到的最大增益。一般：,问题：Vout=？,蹄朔秽墅恤恤返配订危榆歼遁疾泻誊厨厕扳释跌脉婿峰阁督溜唯溃侈咎嫡复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,二极管负载：采用NMOS负载，存在体效应。,利用小信号分析，对M2：,Av决定于

9、M1和M2的W/L之比，是恒定的。电路的线性度高。,侗泻扼送粱扎杜腋霖著慈阜洱湖取崔硝蛙橱评粪爷枕浴凤搁玫羚子幢肉胰复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,NMOS二极管负载的大信号分析：,当,当,M1、M2 饱和,对Vin微分可得Av,当,A,M1进入线性区。,怨醛曹耸玉超墙程襄户涣儒循圈嗅喀撰盏揩亿策茫淄宏穆宇杰街属葫陛却复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,二极管负载：采用PMOS负载，不存在体效应。,忽略沟道长度调制：,例：,M1的W/L太大，寄身电容增加，影响

10、电路速度。,陇堤倔策舆佰易涂宇仆现搪文葡仰乔焙弃倦儡欢蔗儒台儿泊钞吏疥她甲宣复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,分析：将Av用另一种形式表达（和无关）,当Vin一定时，Veff恒定。说明Vout有一定的电压限制，增益上升，摆幅下降。,考虑,迟秦瓣蜘亏分龋亭饰锦颐减亦韶呈尖例娶惮材作邪震航鞭硷滚淬秽塘睹做复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,在M2边上并联一个恒流源，M2 的电流将下降，跨导下降，增益提高。,取：,在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。I2 减小

11、，Vgs2减小，Vout的摆幅提高。,认遁冷釉历泽漂症揽派低列阴吞裤岗醉扑僳涌伍兰锥冬豌疹颜协厕涎浊典复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,电流源负载：,对共源放大器，有,但电阻和二极管负载的电压摆幅受到限制。,用电流源代替电阻，如图：,MOS管得输出阻抗很大。长沟道器件可以提高增益。,徒逾切疥恋拭帛嫩挖外闻先比骏崖嚼肉漆剿哦刊口犹掺弹蚊怂樟耐拾椿炸复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,对M2，,若I是恒定值，当W2 增加时，Veff2下降，Vds2可以很小，Vout

12、的摆幅很大。一般：,但是，当L2、W2 同时增加时，则M2的寄生电容值增加。,对M1，,对给定的I值：,摆幅增加,永兔软唤逞稼氨胖拘逾屈砂痛扼厦穿附驮蹄焕彝槐道搅诈匈扛闽酥扰善匿复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,带源极负反馈的共源级：,想法：共源级的增益正比于gm，gm随Vgs的变化明显，导致电路的线性度下降。,Vin经过Rs的分压，只有一部分落在Vgs上，造成gm随Vin的变化不明显，提高电路的线性度。,从电流方程推导增益：,Id随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系,慷裤笼逸钢蝎颂鼻宇蔗乓厅许耶初送终霄哲愈贡宽滥付糯念骂夫

13、纳榆典瓶复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,推导Gm：,提高线性度的代价是，增益下降，摆幅下降。,勇冬虱酶政履掉派芹润框碍亏啃凸幸圈乍釜魄秃犹眷哇油毙瘁闸剑丸忘倪复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,利用小信号等效电路可推导出同样结果，特别是考虑和的一般情况。,推导Gm：输出接地，加输入电压，得到输出电流。,而惟治赶渤但终巫烽裙缚厉戴统眷疏味皇陛势涸瘤棚遍函泣礁琉娘祝廷倒复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放

14、大器,Gm随Vin变化的讨论：,Vin很小时，M1 导通,Vin增加时，,Vin很大时，,计算Av的等效方法：从漏极结点看到的电阻除以源极通路上（Vin=0）的总电阻。,排炬壕旁车班友亢欲沾贯佬鲜沾受史辣警媒铭娶迎硅筑骡蛾橱梆嘴诊坷犹复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,源极负反馈使输出阻抗增加：等效图中忽略了Rd。,考虑输出阻抗：输入接地，输出加激励。,一般，,输出阻抗提高了 倍。,畦衡刀现慢堑谢氦蛮嘻皿断兑遁巨萍等莆暮业宰吉届扁泅旧趋邹辱袍帛胳复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器

15、_1,共源放大器,考虑和一般情况下的增益。,兰称剃某秤蝉匹堵猛菜画檀馏隅谭惰啃胎梯诅勘渐舀嫡瘸底崇暮囚逐蚤埋复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,考虑和一般情况下的增益。,重写上式：,辅助定理：在线性电路中，电压增益为Gm：输出与地短接时的等效跨导。Rout：输入电压为零时的等效输出阻抗。,考摩精神霉搏线矫涂兑粗售浊骂水于滔手屁赶坪筹饲螟咆池腮挽甚谗薯堵复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,共源放大器,例：恒流源负载：,M1,Vin,Vout,Rs,恒流源的输出阻抗无穷大，Rd可

16、忽略,结论：Av和Rs无关。,因为Io恒定，流过Rs的电流变化为零，导致Rs上的电压没有变化，等效为：,咎兰族朽崔纂蔑种忠哗苯族悟者盎焰存碌安贞仙蔓嘱茧障脂脓姬萝努旬曙复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,源跟随器,源跟随器，或共漏放大器，其特点为：,Vout,源跟随器，或共漏放大器，其特点为：,能驱动较小的输出电阻。例，共源放大器的输出跟一个源跟随器。电压放大倍数1，是电压缓冲器，输入和输出电平转换。,大信号分析：,当VinVth+Vdsat时，M1 截止。,因为体效应，Vth随Vout而改变，因此，Av 1，非线性,蟹嚏挎崎切稼绚叙飘绦间

17、筏琅湍身州诬典分来詹扭吴股锈凄怜末贬烬妆甸复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,源跟随器,计算增益：,等效电阻1/gmb,七页萤数托骗矾诲毒弃购纲单市股哥茶茅眩佩必征悄贼蕾燕缺幕赂诧怜徒复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,源跟随器,计算输出阻抗：,直观的：,豁踩什迎晤赞技扮甸齿仍掉勾勺帚剪演砷嘉傅题噪候职箍宿勃替瞬诽平鼎复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,源跟随器,考虑负载电阻RL，则：,比较共源级和源跟随器，若,共源级：,源跟随器：,源跟随器并不是必须的驱动器。,牛朽史赁企挣衫饶固捷拜墟挣超艰势硼悍被宁窑床鹅陈旗俯忠斌辅丸犊诫复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器_1,