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单级放大器.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.44M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    2.1 2.2 第 2 章 单级放大器........................................................................................................................9 放大器概念.............................................................................................................9 2.1.1 一般概念.........................................................................................................9 2.1.2 放大器双端口模型分析...............................................................................10 2.1.3 电流和电压源内阻与负载效应 .................................................................. 11 共源放大器...........................................................................................................12 2.2.1 电阻负载的共源放大器...............................................................................12 1. 直流特性分析...............................................................................................12 2. 交流小信号分析...........................................................................................14 2.2.2 恒流源作负载的 CMOS 共源放大器.........................................................16 2.2.3 栅、漏短接的 MOS 管为负载的共源放大器 ...........................................18 2.2.4 带源极电阻负反馈的共源放大器电路 ......................................................20 共栅放大器...........................................................................................................22 共漏放大器...........................................................................................................26 共源共栅放大器...................................................................................................28 2.5.1 大信号特性...................................................................................................29 2.5.2 小信号特性...................................................................................................30 2.3 2.4 2.5 8
    第 2 章 单级放大器 CMOS 运算放大器是 CMOS 模拟集成电路的最重要的模块，它的特性决定了模拟集成 电路的特性[1-3]。复杂的 CMOS 运算放大器的基础是简单的单级放大器。本章将介绍常用 的单级共源放大器、共栅放大器、源跟随器、共源共栅放大器。 2.1 放大器概念 2.1.1 一般概念 按放大器的输入输出信号的类型，可将放大器归类为以下四类放大器[4]： 电压放大器：输入与输出信号均为电压信号； 电流放大器：输入与输出信号均为电流信号； 跨导放大器（Transconductance）：输入信号为电压，输出为电流； 跨阻放大器（Transresistance）：输入信号为电流，输出为电压。 在分析放大器工作时，我们首先定义信号的表示方法。模拟电路中有直流信号、交流信 号以及交流与直流混合叠加的信号。我们设定直流输入信号表示为VIN, 交流输入信号为vin, 直流与交流的混合输入信号为 vIN。 图 2- 1 包括输入信号和负载电阻的一般放大器示意图 图 2- 1 为一般放大器示意图以及输入信号。放大器由有源器件和负载电流所构成。有 源器件中的电流 iD 由输入电压或电流信号所控制。直流偏置电流 ISUP 流入有源器件的一端。 有源器件可以是 MOS 管，也可以是双极性晶体管。图 2- 1 中的输入信号可能是电压信号， 9
    也可以是电流信号。如果是电压信号，那么如图 2- 1 所示 VBIAS 是直流偏置电压。其值选 定条件是 ISUP = ID，ISUP 为负载电流源的直流电流，ID 为流入有源器件的直流电流，即偏置 电流。因此，在此条件下直流输出电流 IOUT 为零。与 VBIAS 串联的 vs 是小信号电压，RS 是 内阻。vs 的变化使总的输入电压 vIN 有变化，因此使有源器件的总电流 iD 变化。而 ID 为一 个定值，因此输出电流 iout = id，id 为有源器件的小信号电流。如果放大器的输入信号是电 流信号，那么直流偏置电流 IBIAS 作为输入信号，保证有源器件，例如 MOS 的漏源电流 ID， 等于电流源电流 ISUP。与 IBIAS 并联的是一个小信号电流源 is 以及电流源内阻 RS。is 使有源 器件的总电流 iD 发生变化，因此输出电流是小信号电流 id。 图 2- 1 右图中的 RL 为放大器的负载电阻。RL 对小信号的影响问题将在后面讨论。通 常我们所关心的开路电压，被定义为当 RL→∞时的小信号输出电压。另外一个重要参数是 小信号输出电流，定义为当 RL=0 时的输出小信号电流。 一般情况下，集成电路是单电源电压 VDD 供电，另一端 V -电压为“0”伏，并且当 ISUP = ID 时，IOUT = 0。另外一个条件是存在一个 VOUT 值，使有源器件和直流偏置电流源器件都工 作在恒定电流区域。因此一般 VOUT 被设定在 V+和 V -的中间。当计算静态直流工作点时， 要除去小信号源和内阻。在计算直流工作点时，由于 ID = ISUP，因此流过 RL 的电流为零。 对图 2- 1 的放大电路总结如下：输入电流或电压，使有源器件中的直流电流与电流源 电流相等，小信号输入电压或电流使有源器件中小信号电压或电流有线性变化，产生一个 对应的输出电压或输出电流。 2.1.2 放大器双端口模型分析 本节中我们将用双端口网络模型分析各种放大器，给出放大器的双端口网络模型。图 2- 2 是四种放大器的双端口模型，包括输入电压或电流控制源和负载。 图 2- 2 四种放大器的双端口模型：（a）电压放大器；（b）电流放大器； （c）跨导放大器；（d）跨阻放大器 在电压放大器中，控制源是压控电压源；在电流放大器中，控制源是电流控制的电流 源；在跨导放大器中，控制源是压控电流源；在跨阻放大器中，控制源是电流控制的电压 源。在双端口模型下计算小信号传输函数时，需包括作为输入信号的电压源或电流源的内 阻，并且需要将负载电阻连接在输出端口。如图 2- 3 所示，为计算开路电压增益 Av，我们 10
    用零内阻的测试电压 vt 连接在输入端口，输出端口开路条件下，测定电压，并计算增益 Av； 为测定短路电流增益 Ai，用一个内阻为无穷大的电流源连接到输入端，在输出端短路的条 件下，测定短路电流，并计算增益；为测定跨导 Gm，可用内阻为零的电压源，测定短路电 流，并计算其跨导；为测定跨阻 Rm，可以用内阻为无穷大的电流源，测量输出开路电压， 并计算跨阻。 另外，如图 2- 3（e）所示，为了计算放大器的输入电阻 RIN，可用一个测试电压源， 并测量相应的电流值，或者加一个测试电流源，测量电流源两端的电压值。测量输入电阻 时，需要将负载 RL 接在输出端口。为计算放大器的输出阻抗 ROUT，可在输出端口加测试 电压源或电流源，测量其相应的电流和电压值，此时输入端口的电压源短路，而电流源开 路，仅留内阻在输入端，如图 2- 3（f）所示。各种控制源、输入和输出电阻与放大器的器 件参数之间的关系十分重要。这种关系使得设计者可以了解如何改变器件的参数或者电路 设计来改善放大器性能。 图 2- 3 计算双端口小信号模型的方法(a)电压增益 Av；(b)电流增益 Ai； (c)跨导 Gm；(d)跨阻 Rm；(e)输入电阻 RIN；(f)输出电阻 ROUT 2.1.3 电流和电压源内阻与负载效应 放大器的双端口模型包括输入电阻、输出电阻以及由放大器类型决定的控制源。这里 我们分析电流与电压源内阻和负载电阻对放大器转移特性的影响。 图 2- 4 所示的是电压放大器的双端口小信号模型，包括输入电压源内阻 RS 和负载电 阻 RL。其小信号电压增益可表达为： v out v s ⎛ = ⎜ ⎝ R IN + R IN R S ⎞ ⎟ ⎠ A v ⎛ ⎜ ⎝ R L R L R + OUT ⎞ ⎟ ⎠ （2-1） 图 2- 4 电压放大器的双端口小信号模型 11
    图 2- 5 跨导放大器的双端口小信号模型 输入电阻由 RS 和 Rin 串联构成，使输入电压减小。从式（2-1）可见，要使放 大器正常地放大信号，需要输入电阻 RIN 较内阻 RS 大得多，而输出电阻 ROUT 需 比负载电阻 RL 小。 图 2- 5 是跨导放大器的双端口小信号模型，包括了输入电压的内阻 RS 和负 载电阻 RL。这一个放大器的跨导为： ⎞ ⎟ ⎠ ⎛ = ⎜ ⎝ i out v s R IN + R IN R S G m ⎛ ⎜ ⎝ R OUT R + OUT ⎞ ⎟ ⎠ R L （2-2） 要使跨导值提高，则必须要有大的输入阻抗 RIN 和大的输出阻抗 ROUT。 2.2 共源放大器 2.2.1 电阻负载的共源放大器 1. 直流特性分析 图 2- 6 共源放大器电路（a）包括小信号电压 vs、内阻 Rs 和负载 RL； （b）当 vs = 0、内阻 Rs = 0 和 RL→∞时的电路，用于大信号分析 12
    图 2- 7（a）共源放大器 NMOS 管 ID-VDS 特性和负载线，设 VDD = 5V，RD =10 kΩ；（b）共源放 大器的转移特性 图 2- 6（a）为电阻负载的共源放大器，包括了输入大信号和小信号电压源、 内阻 RS 以及负载电阻 RL，（b）图为用于大信号分析的除去小信号电压、内阻 RS 和负载电阻 RL 电路图。NMOS 管作为输入管，电阻 RD 作为负载。 图 2- 7（a）为典型的 NMOS 管特性曲线，其中的漏源电压 VDS，即为输出电 压 VOUT，直流偏置电压 VBIAS 为参数。注意 NMOS 管在饱和区时，其漏源电流 ID 和栅源电压 VGS 成平方律关系[2]。 我们在 NMOS 的特性曲线上画出式（2-3）所示的负载线。 = V DD − V OUT I R D D （2-3） 通过负载线我们可以得到 VOUT 与输入偏置电压 VBIAS、漏源电流 ID 之间的关系。 负载线与 MOS 管特性曲线的交点即为电路的直流工作点，因此可以看到电路的 直流工作点的设定是由 VBIAS 和 ID 所决定。共源放大器的转移特性如图 2- 7（b） 所示，可以看出，带电阻负载的共源放大器的工作状态有以下三种[5]： 1) 当 VBIAS 小于 NMOS 管的阈值电压 VTH 时，即 VBIAS < VTH 时，NMOS 管 截止，ID=0，输出电压 VOUT = VDD - IDRD = VDD，如图 2- 6（b）中的 AB 段线。 2) 当 VBIAS 大于 VTH 时，NMOS 管开通，输出电压 VOUT 随着 VBIAS 的增大开 始下降。如果 VBIASVOUT +VTH 时，MOS 管从饱和区进入线性区，输出电压如图 2- 6 （b）中的 DE 段线。此时的 VOUT 与 VBIAS 的关系如式（2-5）所示。 V OUT = V DD − 1 2 μ n C ox W L 2 ⎡ ⎣ ( V BIAS − V TH ) V OUT − V 2 OUT R D ⎤ ⎦ （2-5） 13
    从图 2- 7（b）可知，当 NMOS 管工作在饱和区时，曲线的斜率最大（图中的 BD 段线），增益也最大。因此 CMOS 运算放大器为了获得较大的增益，通常要求用 于放大的 MOS 管工作在饱和区。 2. 交流小信号分析 分析放大器的交流小信号特性，首先是将直流电源和直流信号源设为零，即 将直流电压源短路，而将电流源开路。 （a）为电阻负载的共源放大器电路的小信号模型；（b）考虑了输入小信号与 负载的小信号模型[6,7]。 图 2- 8（a）电阻负载的共源放大器电路的小信号模型；（b）考虑了输入小信号与负载的小信号 模型 按双端口模型，在图 2- 8（a）所示电路的输入端口加一个测试电压源 vt，并 将输出端口短路，可以计算得到放大器的本征跨导为[6,7]： G m = i out v t = g m = 2 W L μ n C I ox D （2-6） 由于放大器的输入信号连接在 NMOS 管的栅端，因此在低频时可以认为输入 电阻 RIN→∞，故 RS 不起作用。为测量放大器的输出电阻，可将测试电压源连接 到输出端口，测量其电流，而将输入信号的内阻连接在输入端口。因为无输入电 压信号，因此输出小信号电阻可根据图 2- 8（a）得到： （2-7） 图 2- 9（a）是本征共源放大器的交流双端口模型，（b）添加了电压源与内阻， R OUT R D / / = r o 以及负载电阻后的双端口模型。图中的 ro 是 MOS 管的漏源电阻[6,7]： 1 Iλ D 其中，λ 为 MOS 管的沟道长度调制参数。 r o ≈ （2-8） 图 2- 9（a）本征共源放大器的交流双端口模型；（b）添加了电压源与内阻，以及负载电阻后的 以下分析交流小信号电压增益。如果将式（2-4）中的 VOUT 对 VBIAS 求导，可 双端口模型 14
    以得到电路的交流小信号电压增益如式（2-9）所示。注意式（2-4）中没有考虑 MOS 管的沟道长度调制效应。 = V ∂ OUT V ∂ BIAS R g = − D m A V = − R μ D n C ox W L ( V BIAS − V TH ) （2-9） 如果按照图 2- 9（a）所示的交流小信号模型计算小信号电压增益。根据 KCL 定理，可得： g v + m in 因此，得到交流小信号增益： v out ( r o // R D ) = （2-10） 0 A V = v out v in = − g m ( r o // R D ) = − 1 r o g m + 1 R D （2-11） 式（2-11）和图 2- 9 中，都考虑了 MOS 管的沟道长度调制效应，即认为工 作在饱和区的 MOS 管的导通电阻值是有限的，而不是无穷大。这种效应在 RD 值不是很小或者 MOS 管为短沟导器件时必须考虑的。 当 RD 远小于 MOS 管的输出阻抗时，小信号增益如（2-9）式所示；当 RD 远 大于 ro 时，交流增益可改为： A v = v out v in = − g r m o （2-12） 式（2-12）表示的增益称为 MOS 管的本征增益。将式（2-6）和式（2-8）代 入式（2-12），可得： A V = − 1 I D ⎛ ⎜ ⎝ 1 ⎞ ⎟ λ ⎠ 2 μ n C ox W L （2-13） 由式（2-13）可以看出，MOS 管的本征增益 Av 与 ID 的平方根以及 λ 系数成反比。 在长沟道器件中，λ 系数的值较小，因此 MOS 管的本征增益可达到 500 ~ 1000。 但在短沟道器件中，λ 系数的值较大，MOS 管的本征增益下降到 10 ~ 30 之间。 因此在设计放大器时，不仅要考虑 MOS 管的宽长比，而且还要考虑沟道长度值。 例 2-1 电阻负载共源放大器电路的参数如下：ID = 100 µA, RD = 25 kΩ，MOS 管 的参数为 VTHn = 1V,µnCOX = 50 µA/V2，λ=0.1V-1，W/L=50/2。 求：[1.]用双端口模型，计算放大器的本征跨导 Gm（RS = 0 Ω，RL = 0 Ω）；[2.]在 接负载电阻 RL 的情况下，为保证跨导 iout/vs 大于本征跨导的 10%，那么 RL 的取值 范围？ 解：[1]当 RL = 0Ω, RS = 0 时，按式（2-6）计算本征跨导： G m = g m = 2 I D W μ⎛ ⎜ L ⎝ ⎞ ⎟ ⎠ n C ox = A 2 100μ × × 50 2 × 50μ / A V 2 = S 500μ [2]当有负载电阻 RL 时，如图 2- 9 所示由于 RL 与 ROUT 并联，实际的跨导将降 低。 15
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