《单级放大器》PPT课件.ppt
《《单级放大器》PPT课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《单级放大器》PPT课件.ppt(113页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、Chapter 3 Single stage amplifiers,2023/7/11,2,学习目的,对下面四类单级放大器有直观的认识,并能够分析其大信号特性和小信号特性:共源放大器共漏放大器(源级跟随器)共栅放大器共源共栅放大器(级联放大器)直筒式级联放大器折叠式级联放大器,2023/7/11,3,Common Source Stage AmplifierCommon Drain Stage Amplifier(also called Source-follower Amplifier)Common Gate Stage AmplifierCascode Stage Amplifier Te
2、lescopic Cascode Amplifier Folded Cascode Amplifier,Their corresponding names in the English materials and literatures(在英文资料和文献中其对应的说法),2023/7/11,4,大信号分析的要求列出直流方程,解出直流工作点;作出直流传输曲线小信号分析的要求增益大小的分析输入阻抗的分析输出阻抗的分析,电路的大信号分析和小信号分析的要求,2023/7/11,5,直观掌握每一类带不同负载的放大器的电路图(如共源放大器):,以无源器件为负载的共源放大器(用电阻作负载):,学习内容,20
3、23/7/11,6,)二极管连接的MOS管为负载的共源放大器,以有源器件为负载的共源放大器:,)MOS管电阻为负载的共源放大器,2023/7/11,7,)以MOS管电流源为负载的共源放大器,)MOS管推挽放大器,)带负反馈电阻的共源放大器,2023/7/11,8,1.放大器的输入输出特性,若 在足够小的范围取值,则,3.1 基本概念,看作是工作点,看作是小信号增益.若满足,偏置点受到的扰动忽略不计,高阶项可以忽略.,线性关系,随着,高阶项显现,非线性,大信号分析,2023/7/11,9,2.Analog Design Octagon(设计考虑的八个参数),gain,linearity,nois
4、e,power dissipation,input/output impedance,speed,voltage swing and supply voltage.,(这八个参数互相制约,在设计时要采用Tradeoff/compromise的方法。),本章重点分析参数:gain,input/output impedance,涉及linearity,voltage swing and voltage supply.,2023/7/11,10,3.2 共源放大器,3.2.1 以电阻为负载的共源放大器下图是共源放大器的电路图。左图为NMOS管为放大管的共源放大器,右图为PMOS管为放大管的共源放大器
5、。分析电路的大/小信号时,以NMOS管作为输入管的放大器为例,PMOS管的工作原理类似,不再另行分析。,图(3.2.1)以电阻为负载的共源放大器的电路结构图,2023/7/11,11,直流大信号分析,M1是输入管,输入电压信号加在M1的栅级上,通过栅极对漏极电流的控制作用产生输出电流。该电流流过负载电阻RD,在MOS管漏极产生输出电压信号。图中的VDD表示电路的电源电压,Vin和Vout表示输入和输出直流偏置电压。,首先作直流大信号的分析,然后作交流小信号的分析。,图()NMOS管为输入管的共源放大器,2023/7/11,12,(3)当,M1进入了线性区,并随着Vout的下降,M1逐渐进入深线
6、性区,电流ID的变化趋缓,Vout趋近于地电平。,(2)当,M1导通,并处于饱和区,漏极电流ID在电阻RD上产生压降,Vout下降,随着Vin增大,ID按平方规律迅速变大,Vout不断下降。在这一段MOS管栅压对漏极电流的控制作用最强。,(1)当,M1没有导通,漏极电流ID为0,输出Vout为电源电压VDD。,图()NMOS管为输入管的共源放大器,2023/7/11,13,直流传输特性曲线的分析,图(3.2.3)NMOS管的直流扫描特性曲线,对输入管直流偏置电平Vin进行扫描,得到图()所示的输入输出特性曲线。该曲线可以分成3段,对应前面3种不同的偏置状态。,2023/7/11,14,计算直流
7、工作点:,我们希望放大器能有一定的增益,对这个共源放大器来说,就要求栅极的输入信号能控制漏极电流,从而产生输出电压。,显然,我们应该让放大器工作在图(3.2.4)中间的一段(饱和区),当输入电压变化时,能产生较大的输出电压变化。这一段对应MOS管工作在饱和区,列出直流电压电流关系方程:,图()共源放大器的电压传输特性曲线,2023/7/11,15,M1继续工作在饱和区,直到,当 时,即输入电压超过A点电压后,NMOS管从饱和区进入到线性区,对于这个临界点A来说,满足:,根据这三个方程,能够确定出转折点A点的直流电平Vin1和Vout1。,于是,放大器输入的动态范围是:放大器输出的动态范围是:,
8、2023/7/11,16,当满足 时,MOS管进入深三极管区。这时MOS管相当于一个小的导通电阻(如右图所示):,这时,当,时,MOS管工作在线性区,,当,2023/7/11,17,交流小信号分析(小信号模型),电压增益,其中,,它与直流偏置量 或 有关.,通常小信号工作是指饱和区某一直流状态上作微弱信号变化.,先考虑最简单的情况,即不考虑沟长调制效应的小信号等效电路.,2023/7/11,18,考虑沟长调制效应后等效电路:,电压增益,图中,,由,有,2023/7/11,19,根据数学推导来计算交流小信号增益:,a.不考虑沟长调制效应,根据,b.考虑沟长调制效应,根据,2023/7/11,20
9、,使用,得到,由于,即,2023/7/11,21,思考:如果需要提高这个共源放大器的增益,应该怎样来实现呢?,根据公式,是否越大越好呢?,不考虑沟长调制效应:,2023/7/11,22,对 的影响:,当M1工作在饱和区时,时增益最大。,由,能否取 呢?,2023/7/11,23,需要设置合适的静态工作点,即输入电压Vin要合理。,这是图(3.2.2)中的放大器在不同的输入电压下交流特性的曲线图。图中的每条曲线代表了不同的Vgs下增益随频率的变化关系。我们现在不用关心它们是如何随频率变化的,我们要注意的是在不同的直流工作点下,这个放大器的增益是变化的。从这一组曲线我们可以得知,当NMOS的输入电
10、压较高时,器件就会脱离饱和区,进入三极管区,器件的增益有较大的降低。因此,这就解释了为什么总是要让放大器中MOS器件工作在饱和区。,2023/7/11,24,提高器件的宽长比,可以提高器件的增益。,右图反映了当器件的aspect增加时,器件的增益也大大增加。思考:为了增加MOS器件的增益,在一定的过驱动电压下可以任意增加器件的宽长比吗?,2023/7/11,25,Vout=Vin-VTH,的影响,限制最大输入电压摆幅,输出结点的时间常数变大,VTH,2023/7/11,26,本征增益:当共源放大器的负载为理想恒流源,共源放大器的增益为本征增益。即,此时。本征增益是共源放大器可获得的最大增益,对
11、于理想长沟器,其增益为。对短沟器件 只有10100范围。,2023/7/11,27,(2)若该电路,,那么 如何变化?,两点说明:(1)因 为10100,所以 为10100。因此在以后的电路分析中常有 的近似。,肯定会下降。,所以,因为,2023/7/11,28,思考:当NMOS管工作在饱和区,并且它的宽长比一定的情况下,改变器件的沟道电流,即ID的大小,器件的增益如何变化?(是不是饱和区沟道电流越大,即直流点的工作电流越大,器件的增益越大呢?),因为MOS管处于饱和区,有,理论上,当器件工作于饱和区时,器件的沟道电流增加,放大器的增益减小。,所以,2023/7/11,29,3.2.2 以二极
12、管连接的MOS管为负载的共源放大器,.首先来看看什么是二极管连接的MOS器件,2023/7/11,30,当 时,MOS器件处于截止区.,当 后,由于栅漏短接,总是满足,因此MOS器件总是工作于饱和区.,直流大信号分析,考虑右图所示的二极管连接电路,2023/7/11,31,直流传输特性曲线的分析,左图为二极管连接的MOS的沟道电流ID随着VGS变化而变化的曲线。反映出MOS管导通后沟道电流随电压按平方规律上升。我们习惯上称这种连接为二极管连接,反映了它是一个二端器件。,2023/7/11,32,交流小信号分析,由左图可知:,所以,它的输出阻抗为,作出它的小信号模型图,如下:,2023/7/11
13、,33,(2)当二极管连接MOS管作为负载时,会存在衬底偏置效应,如下图:,由前面的本征增益的内容可知:因此,二极管连接的等效电阻有时可以近似为,2023/7/11,34,此时,M2等效电路中,应将gmbVbs并联gmVGS并求电路等效电阻如下:,2023/7/11,35,.二极管连接的负载的CS放大器,直流大信号的分析,M1截止,M1导通,且工作在饱和区,随着 增加而下降.,当 时,M1进入线性区.,2023/7/11,36,图中A点为M1管Triode与Saturation的交点,显然有输出、输入范围:,直流传输特性曲线的分析,2023/7/11,37,这里Voutmin,Vinmax可由
14、下列方法计算:,联立可算出Voutmin,Vinmax,A点满足(假设):,计算直流工作点,2023/7/11,38,交流小信号的分析,考虑体效应的MOS二极管连接的共源放大器:,由前面我们所学的知识可以直接得到它的增益表达式为:,(),2023/7/11,39,该式表明该放大器AV只与两管结构参数相关,输入与输出有良好的线性。,,则,因为,,所以,如果可以忽略,2023/7/11,40,用数学推导得到小信号增益,根据,两边同时对Vin微分,得到,又因为,2023/7/11,41,无体效应的MOS二极管连接的共源放大器,即互补型的MOS二极管连接的共源放大器:,此电路无衬底偏置效应:,当,时,
15、,2023/7/11,42,设计考虑,该放大器要获得一定的电压增益,必须设计足够大的(W/L)1,例如当设计AV=10,由上式可知,时,(W/L)1=50(W/L)2.,问题:由于M1尺寸很大,M2尺寸很小,而偏置电流相同,可预计到|VGS2|需要很大,即Vout直流偏置很低。,或,即10倍之差。,2023/7/11,43,从以上分析可以知道:互补二极管负载放大器靠增大M1管的宽长比提高增益,这样出现的问题是,在直流I1=I2的情况下M2的VGS占用很大空间,克服的方法可以通过一恒流源对M2的电流分流,而负载电阻不受影响,如下图:,优点(以I2=(1/4)I1为例):,(1)提高增益:在M1,
16、M2结构参数不变及M1电流为I1情况下,M2管电流为(1/4)I1。,于是,提高了一倍。,由于:,2023/7/11,44,(2)M2管偏置电压占用空间变小,当I2为原来的1/4 时,由,减小为原来的1/2,则有,也减小.,2023/7/11,45,加入了恒流源与未加入恒流源器件的放大器增益的比较:,2023/7/11,46,3.2.3 以恒流源为负载的共源放大器,右图的电路是恒流源为负载的共源放大器:,直流大信号的分析,当VinVthn时,M1导通,处于saturation区,M2由triode区逐渐进入saturation区。,当VinVthn时,M1 cut off,M2由于Vb的存在,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单级放大器 放大器 PPT 课件
链接地址:https://www.31ppt.com/p-5475529.html