單級放大器知識講座(編輯修改稿)
2025-07-18 23:58 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 于亞閾值區(qū)時，gm1將與漏極電流成正比（而MOS管的輸出阻抗與漏極電流成反比），因此，此時CMOS放大器的電壓增益與工作電流的變化無關(guān)。 CMOS單級放大器的Av與ID的關(guān)系曲線此類電路較好解決了電壓增益與輸出擺幅之間的矛盾：l 對于電流源M2：，故減小M2的過驅(qū)動電壓就可增大該電路的輸出擺幅，而根據(jù)薩氏方程可知，在保持電流恒定的前提下要提高過驅(qū)動電壓只需通過增大M2管的寬長比實(shí)現(xiàn)，同時由式（）可以發(fā)現(xiàn)提高增益可以通過提高M(jìn)2的輸出電阻實(shí)現(xiàn)，即可通過增大M2的長度以得到較小的λ值，所以采用提高M(jìn)2的寬長比即可提高增益又可提高輸出擺幅。但由于大器件的M2會引入大寄生電容，從而影響放大器的頻率特性。l 對于放大管M1：由式()可以看出它從兩方面影響電路的增益：跨導(dǎo)與輸出電阻，通過增大M1的溝道長度以減小它的λ值以獲得大的輸出電阻，但同時要按比例增大M1的寬度以保證在給定電流下M1的過驅(qū)動電壓為一恒定值，即保證了輸出擺幅；同時器件的跨導(dǎo)與寬長比成正比關(guān)系，若只增大M1的長度會降低它的增益，所以器件寬度要同時增大。同理這樣也會引入大的寄生電容。另一方面因?yàn)椋骸 。ǎ﹦t當(dāng)L1增大而W1保持不變，則由于L變化引起λ的變化比gm變化大得多，即L增大則增益上升，同理，ID增大時，gmro減小。 總之，采用電流源作為負(fù)載的共源放大電路很好地解決了增益與輸出電壓擺幅之間的矛盾，缺點(diǎn)是會引入大的寄生電容，影響電路和頻率特性。3 推挽式CMOS放大器。 推挽式CMOS放大器，但飽和時電路的小信號電壓增益則不同?！⊥仆焓紺MOS放大器的等效電路上圖中，根據(jù)KCL定理，可得到其交流小信號電壓增益為： ?。ǎ┥鲜奖砻鳎和仆焓紺MOS放大器具有較高電壓增益，也可達(dá)500至2000，并且電壓增益與工作電流ID的平方根成反比?！ ∮捎跍系勒{(diào)制系數(shù)與溝道長度L成反比，而KN（或KP）與（W/L）成正比，所以由式（）還可以看出此類電路的增益與MOS管的面積的平方根成正比。4 線性區(qū)MOS管負(fù)載的共源放大器（a）所示。(a) (b) 工作在線性區(qū)的MOS為負(fù)載的共源級(a)中的M2工作于深三極管區(qū)，則由第二章可知，M2可等效為一個電阻，其阻值為： ?。ǎ╝）（b）所示的電路，由此可以直接得到該電路的交流小信號電壓增益為： ?。ǎ 〈祟惙糯笃鞯膬?yōu)點(diǎn)是：可以獲得最大的輸出電壓擺幅，因?yàn)樯钊龢O管區(qū)的MOS管的漏源電壓為最小，即。 而其缺點(diǎn)為：1） 該電路的增益較小，因?yàn)樵谌龢O管區(qū)的MOS管的通態(tài)電阻較小。2） 由于Ron2的值與μpCox，Vb，VthP相關(guān)，而μpCox，VthP隨工藝、溫度而變化，故Ron2的值也與工藝及溫度相關(guān)，使得增益不穩(wěn)定，而產(chǎn)生非線性誤差。3） 為了產(chǎn)生Vb的精確的值則需額外的輔助電路。所以該電路在實(shí)際電路設(shè)計中不常使用。 源極跟隨器源極跟隨器也稱為共漏級放大器，電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是信號在柵極輸入而在源極輸出。同共源放大器一樣，其輸入阻抗對于低頻小信號而言為無窮大。下面仍以不同的負(fù)載對該類電路進(jìn)行分析?！‰娮柝?fù)載源極跟隨器1 直流分析 （a）是以電阻為負(fù)載的源極跟隨器的基本電路圖。 (a) (b) (a)源跟隨器 (b)輸入－輸出特性曲線根據(jù)KCL定理，忽略襯底效應(yīng)，（a）可以得到方程： ?。ǎ┘从校骸 。ǎ┯墒剑ǎ┛芍苯拥玫狡渲绷髫?fù)載線（略）。根據(jù)薩氏方程有： ?。ǎ┫旅鎸Υ诉M(jìn)行詳細(xì)分析：截止區(qū)（ViVth）：M1處于截止?fàn)顟B(tài)，Vo＝0；飽和區(qū)（ViVth且VDS不小于過驅(qū)動電壓）：根據(jù)飽和薩氏方程有： （） 即Vo隨Vi的增大而增大。線性區(qū)：只有VDS＜VGS－Vth，即VDD＜Vi－Vth時才進(jìn)入線性區(qū)，這就要求Vi高于工作電源電壓，所以一般不用考慮。由以上直流分析結(jié)果可以得到其輸入輸出轉(zhuǎn)移特性曲線，（b）所示?！ ?2 交流小信號分析考慮襯底偏置效應(yīng)，(a)， 源跟隨器的小信號等效電路根據(jù)KCL定理有： （）V1＝Vi－Vo （）Vbs=－Vo （）聯(lián)合以上三式求解，可得到： ?。ǎι鲜竭M(jìn)行分析可得到：1） 電壓增益在Vi≈Vth (gm≈0)時為0并單調(diào)上升。2） 當(dāng)Vi足夠大，即gm足夠大時，則其交流小信號電壓增益可近似表示為： （）3） 由于η本身隨Vo上升變化減緩，Av最終將會變?yōu)?。，由于其交流小信號電壓增益接近于1，所以稱之為跟隨器?！≡锤S器電壓增益和輸入電壓之間的關(guān)系 電流源負(fù)載源極跟隨器通過以上的分析可知，對于電阻負(fù)載的源極跟隨器，由于放大管M1的漏極電流與輸入直流電平緊密相關(guān)，從而導(dǎo)致放大管的跨導(dǎo)的變化，即Vi變化時會導(dǎo)致電路增益的非線性。為了減小非線性，使放大管的漏極電流基本保持恒定，所以采用電流源作為其負(fù)載構(gòu)成源極跟隨器，(a) 所示，(b)是電流源的一種具體實(shí)現(xiàn)，即用工作在飽和區(qū)的NMOS管構(gòu)成電流源。(a) (b)?。╝）電流源為負(fù)載的源極跟隨器?。╞）NMOS管電流源為負(fù)載的源跟隨器1 直流分析 ?。╞）中，若M1與M2都處于飽
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