模拟集成电路课件 第5章CMOS放大器

第5章CMOS放大器反相器差分放大器共源共栅放大器（cascode放大器）电流放大器输出放大器放大器特性大信号静态特性传输特性曲线大信号增益输入输出摆幅小信号静态特性交流信号增益输入输出电阻小信号动态特性带宽噪声电源抑制大信号动态特性摆率非线性反相器反相——共源同相——共栅、共漏有源负载反相器PMOS有源负载反相器的电压传输特性曲线有源负载反相器的大信号输出电压摆幅211121[()]2[()]2DSDGSTDSOUTDDTOUTvivVvvVVvM1工作在非饱和区M2工作在饱和区22222()2()2DGSTDDOUTTivVVvV两式联立最大输出电压：最小输出电压：小信号电压增益电流电压增益电压增益受器件尺寸的限制，有源负载反相器的输出阻抗较低。输出电阻有源负载反相器的频率响应如果-3db频率等于-3db频率近似正比于漏极电流的平方根电流源负载反相器电流源负载反相器大信号输出电压摆幅M1工作在非饱和区得到下限（Vin=vdd）小信号电压增益随着直流电流的减小，增益上升。这是因为输出电导正比于偏置电流，而跨导正比于偏置电流的平方根。电流源负载反相器的频率响应如果推挽反相器小信号电压增益如果反相器比较第5章CMOS放大器反相器差分放大器共源共栅放大器（cascode放大器）电流放大器输出放大器差分放大器定义参数共模抑制比输入共模范围输出失调电压输入失调电压大信号分析P阱的两种连接带入求解这个关系在满足时才有效传输特性M2饱和的条件M4饱和的条件P沟道MOSFET构成的CMOS差分放大器共模输入范围从G1通过M1、M3到VDD从G2通过M2、M4到VDD小信号分析其中Iout’表示输出短路电流共模分析差模电压增益共模增益假设rds足够大可以被忽略，电路可以更简化差分放大器的频率响应如果小信号分析的直观方法摆率定义：最大输出电压变化率。取决于Iss和输出节点到交流地的电容。电流镜负载CMOS差分放大器的设计设计的约束电源、工艺、温度参数要求小信号增益Av频率响应输入共模范围给定输出电容式的摆率功耗举例：设计电流镜差分放大器的电流和宽长比满足下列指标。小信号差模电压增益100V/V已知根据摆率确定电流根据功耗确定电流取300W5/L5这个值太大，可以稍微增加点W1/L1来减小VGS1，如果W1/L1为25则W5/L5等于12.3增益为111.1第5章CMOS放大器反相器差分放大器共源共栅放大器（cascode放大器）电流放大器输出放大器共源共栅放大器（cascode放大器）特点提高输出电阻，增大小信号增益减小米勒效应大信号特性最大输出电压：最小输出电压：M1、M2工作在非饱和区M3工作在饱和区假设小信号M1M2的宽长比相等且频率响应假设gm2gds3•频率响应的极点趋向于与节点到地的电容和电阻的乘积的倒数有关。例如，输出节点RC乘积的倒数近似为gds/C3，而v1节点RC乘积的倒数近似为gm2/（C1+C2）•零点是因输入到输出有两条途径而形成。一条通过C1直接耦合，另一条由受控源gm1vin产生米勒效应可见用一个小的电容等效大电容。例如用等效高阻源激励放大器信号源的内阻足够大以至于不能忽略的情况下根据电流节点方程其中或者显然，p1起主导作用。说明高阻源激励的反相器存在一个重要的缺点。电容出现了米勒效应：C2乘以从V1到Vout的低频电压增益或与R1并联，产生一个主极点，在节点1处，由C2产生等效的米勒电容。这个电容对驱动电路呈现一个大的电容负载共源共栅放大器（cascode放大器）如何减小米勒效应电容出现米勒效应：C2乘以从V1到Vout的电压增益后与Rs并联，产生主极点。C2产生的等效电容称为米勒电容。cascode放大器的优点是M1的低频电压增益低，C2不会乘以大的系数反相器和cascode放大器的极点比较高增益高输出电阻的cascode放大器共源共栅放大器（cascode放大器）设计举例共源共栅放大器的指标要求在10pF电容负载上的摆率大于等于10V/us解：根据摆率确定电流所以要求电流大于100uA根据功耗确定电流不大于200uA取电流150uA根据最大输出电压确定M3根据左上角的关系式确定VGG3根据右下角的关系式确定M1第5章CMOS放大器反相器差分放大器共源共栅放大器（cascode放大器）电流放大器输出放大器电流放大器什么电流放大器？放大器的类型是输入输出变量是电流低的输入电阻高的输出电阻优点•电流不受电源电压的限制，在低的电源电压下，具有更宽的信号动态范围。•采用负反馈时，电流放大器的-3d带宽与闭环增益无关带负反馈的电流放大器的频率响应假设从放大器的输入端看进去的小信号输入电阻远小于R1和R2GB单位增益带宽。如果GB是常数，增大R2/R1，增大GB单端输入电流放大器举例上图，已知10I1=I2=100uA，W2/L2=10W1/L1=10，Cbd1=10fF，Cgs1=Cgs2=100fF，Cgd2=50fF。求电流放大器的小信号电流增益、输入电阻、输出电阻和-3dB频率解忽略沟道调制和不匹配因素宽摆幅的cascode电流镜实现的电流放大器举例假设IIN和IOUT为100uA，W/L=182求解因为低输入电阻的电流放大器为了使输入电阻比cascode电流放大器的输入电阻还要低，必须使用负反馈。如图，这个电路用并联负反馈将小信号输入电阻减小到1/gm以下。没加反馈时Rin=rds1加负反馈，假设I1和I3的电阻很大小信号分析差分输入电流放大器小结电流放大器放大器的类型是输入输出变量是电流低的输入电阻高的输出电阻电流不受电源电压的限制，在低的电源电压下，具有更宽的信号动态范围。电流放大器的-3d带宽与闭环增益无关第5章CMOS放大器反相器差分放大器共源共栅放大器（cascode放大器）电流放大器输出放大器输出放大器要求用电压或电流的形式输出足够大的输出功率。避免信号失真。效率高提供非正常情况下的保护电路（短路、过热）输出电路的形式甲类放大器（A类）源极跟随器（AB类）推挽放大器（B类）衬底双极性晶体管负反馈放大器。甲类放大器（A类）为了减小输出电阻，提高电流驱动能力，一个简单的方法是提高输出级的偏置电流确定输出放大器性能的方法1.确定放大器的交流输出电阻2.对给定的RL确定输出摆幅甲类放大器（A类）电流源负载的CMOS反相器甲类放大器（A类）电流源负载的CMOS反相器的性能输出电阻输出级最大流进电流（假设vIN可以达到VDD）输出级最大流出电流可见最大源电流受输出电流限制要求甲类放大器的小信号特性增益零点极点举例设计简单甲类输出级电路已知VDD=--VSS=3V，VGG2=0V，沟道长度L=2um，用表的值设计M1和M2的W/L，得到±2V的电压摆幅和1V/us的摆率。设RL=20KΩ，CL=1000pF，Cgd1=100fF。解首先考虑RL和CL的影响电流IQ取1mA源极跟随器第二种输出级放大器使用MOS管构成的共漏或源极跟随器这种结构具有大的电流增益和小的输出电阻因为源极是输出节点，MOS器件与体效应有关，体效应引起的阈值电压VT随输出电压的增大而提高，使得最大输出电压远小于VDD源极跟随器或者源极跟随器的输出电压幅度解得源极跟随器的最大输出电流•最大输出电流的流入电流由M2决定，最大流出电流由M1和vIN决定•假设管子工作在饱和区当VOUT升高到0V以上时，电流迅速减小。最大输出的流入电流源极跟随器的效率源极跟随器的效率类似甲类放大器源极跟随器的小信号特性频率响应推挽放大器（B类）优点：电流可以灵活地流入或流出缺点：输出摆幅限制在比最大电源电压低一个阈值电压，比最低电源电压高一个阈值电压之间乙类和甲类重要的区别是输出电压0V时乙类放大器没有电流偏置乙类放大器有交越失真具有更高的效率推挽放大器的小信号特性衬底双极型晶体管为了减小输出电阻和输出级面积，可以采用标准CMOS工艺中可利用的衬底双极型晶体管优点输出电阻近似为1/gm,可以小于100Ω缺点电压传输曲线的正负部分不对称，因而产生失真流出电流增加时积极电流会增加。当基极电压接近VDD时，提供这样大的偏置电流很困难电压负反馈输出放大器这种电路级可以降低输出电阻（10Ω），又可以保持特性不变用两个差分误差放大器对输入和输出进行采样，采用并联负反馈到共源MOS管的栅极误差放大器的设计必须使M1或M2导通以避免交越失真已达到最大效率输出电阻误差放大器用电阻负反馈网络替代实现小结反相器有源负载反相器电流源/源负载反相器推挽反相器差分放大器需要好的共模抑制放大器的输入级共源共栅放大器（cascode放大器）控制放大器的极点电流放大器低电源工作输出放大器最小输出电阻最大的电流驱动