拉扎维第三章单级放大器总结

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PS：给出关键结论，以便复习。具体思路还得看书。

若un=350*10^(-4), $Cox=\varepsilon _{sio2}*\varepsilon/tox=\frac{3.9*8.854*10^{-12}}{9^{-9}}$ ,

$u_{n}*Cox=134uA/V$

(介电常数*8.854*10e-12) / tox,SIO2介电常数=3.9
用这个公式，工艺不同tox不同，一般sansen认为 tox=Lmin/50 但是也不尽然

一、共源级（G输入，D输出）

共源级作用：借助于自身的跨导,MOS 管可以将栅-源电压的变化转换成小信号漏极电流,小信号漏电流流过电阻就会产生输出电压。

Vgs→Id→Vout

1.1 采用电阻做负载的共源级

特点：电路的输入阻抗在低频时非常高。

Av=-gm*RD

$Av=-g_{m}\tfrac{r_oR_D}{r_o+R_D}$ (考虑了沟道长度调制效应）

1.1.1讨论如何使共源级的增益达到最大值

$Av=-\sqrt{2u_{n}C_{ox}\tfrac{W}{L}I_{D}}*\tfrac{V_{RD}}{I_{D}}$

①提高W/L，较大的器件尺寸会导致较大的器件电容；

②增大 $V_{RD}$ ,较高的 $V_{RD}$ 会限制最大电压摆幅；

③减少 $I_{D}$ ,由于 $R_{D}=\frac{V_{RD}}{I_{D}}$ 导致RD增大。输出结点的时间常数 $\tau =R_{D}C$ 增大。

综上，需要在增益、带宽和电压摆幅之间进行折中。

1.1.2本征增益

这个量代表用单个器件能够得到的最大电压增益。短沟道器件的Av大约在5-10。

1.2采用二极管连接型器件作负载的共源级

特点：把晶体管的栅极和漏极短接，这个 MOS 器件可以起一个小信号电阻的作用。

$R\approx \tfrac{1}{g_m+g_mb}$ ( $\lambda =0$ ）

$R\approx \tfrac{1}{g_m}$ （ $\lambda =\gamma =0$ ）

1.2.1采用PMOS二极管连接型器件做负载的共源级

优点：如果忽略 $\eta$ 随输出电压的变化，增益和偏置电压或电流没有关系(只要 MOS 管工作在饱和区)。也就是说，当输入和输出电平发生变化时,增益相对保持不变,这表明输入-输出特性呈线性。

缺点：①高增益除了会造成晶体管的图形不均衡(太宽或太长，从而导致大的输入或者负载电容)

②允许的输出电压摆幅的减小（Vgs2会相应增大，导致Vout=VDD-Vgs2 减小）。

摆幅同时受所需的过驱动电压和闽值电压两方面的约束。也就是说，即使过驱动电压很小,输出电平也不会超过 VDD-|VTH|

1.3采用电流源作负载的共源级

有时要求单级有很大的电压增益，根据Av=-gm*RD，我们可以增大共源级的负载电阻。但是对于电阻或者二极管连接的负载而言,增大阻值会消耗直流压降,从而限制输出电压的摆幅。

一个更切实可行的方法是用不服从欧姆定律的器件,如电流源代替负载。

特点：增加M2的沟道宽度，就可以使电压|VDS2,min=VGS2-VTH2|减小到几百毫伏。如果 ro不够大，在保持相同的过驱动电压的同时增大 M2的长和宽可以获得比较小的 $\lambda$ 。代价是 M2在输出结点引人了大的电容。

长沟道器件可以产生高的电压增益。

缺点：电流源负载共源级的输出摆幅较小：

优点：但若增加L，它总能得到较高的增益 。

1.4有源负载的共源级（互补共源级）

特点：将M2的栅极也作为输入端，产生了更高的增益。

缺点：①两个晶体管的偏置电流是PVT的强函数，VDD或者阈值电压的变化会直接转换为它们的漏电流的变化；

②电路会放大电源电压的变化电源噪声。

1.5工作在线性区的MOS为负载的共源级

特点：可作为电阻

缺点：

优点：

1.6带源级负反馈的共源级

特点：在一些应用中,由于漏电流与过驱动电压之间的非线性关系引入大量的非线性,因此,人
们希望“软化”器件的这种非线性关系。

优点：①在晶体管的源端串联一个“负反馈”电阻,以使输入器件更加线性。

②增大共源级的输出阻抗。

缺点：牺牲增益和高的噪声。

1.6.1GM和Av

考虑体效应和沟道长度调制效应后，

1.6.2输出阻抗

如果加了负载RD后，

以上式子得到原因

1.7共源级总结


采用电阻作负载	将Vgs转换为ID，然后在利用电阻转化为Vout输出
采用二极管连接型器件作负载	负载用MOS管（饱和区）作为电阻
采用电流源作负载	提供较大增益
有源负载	提供比“采用电流源作负载”更大的增益，缺点也更明显
工作在深线性区的MOS为负载	作为电阻，缺点很多
带源级负反馈	使得Vgs-ID关系更线性化，增大输出阻抗。增益不太高，噪声大

1.8观察法看出增益公式

1.9辅助定理

Av=-Gm*Rout

可根据（3.61）确定Gm,(3.66)确定Rout

例题

二、源跟随器（G输入，S输出）

预期目标，Vout随着Vin线性变化。

2.1负载为电阻Rs

Vgs=Vin-Vout

但是Vgs随Id影响大，Vgs会变化导致Vout随着Vin非线性变化。以下为原因：

2.1.1Av原理分析：

2.1.2计算Rout

2.1.3戴维南等效电路后算Av（仅对源跟随器的算法）

加了负载RL后，并且考虑沟道长度调节效应

例题

2.2负载为工作在饱和区的电流源代替电阻

目的：让Id保持相对稳定，使得Vgs=Vin-Vout，中的Vgs保持相对不变。

2.3 源跟随器的优缺点

优点：①高的输入阻抗；（查资料说是阻抗接近无穷大？但目前还不知道为什么）

②中等的输出阻抗。

缺点：①体效应和沟道长度调制效应导致的非线性；

A.这源于阈值电压 VTH与源极电压之间的非线性关系（如果把衬底和源接在一起,可以消除由体效应引起的非线性，由于所有的 NMOS管共用一个衬底，仅对PMOS管有效）（PMOS的低迁移率导致它的输出阻抗比NMOS的输出阻抗高。）

B.在亚微米工艺中，晶体管的ro同样随 VDS而显著改变,因此也会给电路的小信号增益带来额外的变化.

②电平移动导致电压余度的减小；

③差的驱动能力；

④引入显著噪声。

三、共栅极（S输入，D输出）

（a）M1管的偏置电流流过输入信号源；(b)M1管用一个恒流源来偏置,信号通过电容耦合到电路

对3.48（a）：

共栅极的增益：

3.1观察法算增益（以共源共栅极为例）

类似于（3.96）的公式，2.1.3里面的

3.2输入输出阻抗

3.2.1输入阻抗

3.2.2输出阻抗

3.2.3MOSFET的阻抗变换（这点的作用还不太懂）

四、共源共栅极 cascode（共源级S输入，共栅极D输出）

4.1套筒式共源共栅

因为输入器件产生的漏电流必定流过共源共栅器件，所以电压增益与共源级的电压增益相同。（都在饱和区，不考虑沟道长度调制效应）

4.1.1偏置条件分析

因此,M1和M2工作在饱和区的最小输出电平等于M1和 M2的过驱动电压之和。换句话说，电路中 M2管的增加会使电路的输出电压摆幅减小,减小的量至少为 M2的过驱动电压。我们也说成 M2“层叠”在 M1上。

也可不严格地讲，最小输出电压为 2个过驱动电压2VD,sat

4.1.2大信号分析

4.1.3优势之一：输出阻抗高；缺点之一：电压余度减小

缺点：所需要的额外的电压余度使这样的结构缺少吸引力。例如,三层共源共栅电路的最小输出电压等于三个过驱动电压之和。

输出阻抗高的好处：

4.1.4比较提高输出阻抗方法：采用共源共栅和增大输入晶体管的沟道长度

4.1.4.1从电压摆幅约束分析

4.1.4.2从输出阻抗分析

总结：电压摆幅约束一样，但共源共栅极能提供更高的输出阻抗

4.1.5应用之一：作恒定电流源

共源共栅结构不一定起放大器的作用。这种结沟的另一种普遍应用是构成恒定电流源。高的输出抗提供一个接近理想的电流源，但这样做的代价是牺牲了电压余度。

注意事项：

4.1.6优势之一：屏蔽特性

4.2折叠式共源共栅（优缺点说是后面会讲）

4.2.1输出阻抗（比套筒式的小）

4.2.2提高增益的方法

4.2.3电路速度容易负载影响？

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拉扎维 第三章单级放大器 总结