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* Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design--CMOS模拟集成电路基本单元（二） 微电子学院 刘帘曦 西安电子科技大学 * CMOS模拟集成电路基本单元（二） CMOS基本放大器： 共源放大器 共栅放大器 共漏放大器 共源共栅放大器 西安电子科技大学 * 模拟CMOS基本放大器 放大器是集成电路的最基本单元电路之一； 用于小信号的放大，也可以提高模拟电路的驱动能力，增益较高的放大器常应用于负反馈系统中； 基本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏三种单管组态及Cascode共源共栅放大器； 掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出阻抗的简化公式 * 重要的基本公式 临界条件的变形： 如果考虑沟道长度调制，还需 * CMOS共源放大器-电路结构 共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏极电流流过负载产生输出电压。 * CMOS共源放大器-大信号模型 共源放大器的大信号分析 * CMOS共源放大器-小信号模型 由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在饱和区 考虑沟道调制效应，可得： 增加NMOS的W/L或增大源漏电流（直流）或增大RD都可以提高共源放大器的小信号增益； 常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅。 * CMOS共源放大器-有源电阻负载 输入输出特性曲线和饱和区小信号模型 * CMOS共漏放大器-电路结构 对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻 ; 如果共源放大器驱动低阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。 共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。 * CMOS共漏放大器-大信号模型 当VinVTN时，NMOS管 M1截止，输出电压Vout等于零 ; 随着输入电压的增大并超过VTN， M1由截止进入饱和区，Vout开始随着输入电压的增加而增加 ; 进一步增大Vin， Vout将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为VGS 共漏放大器的输入－输出特性可以表示为： 大信号分析： * CMOS共漏放大器-小信号模型 输入输出特性曲线和饱和区小信号模型 * CMOS共栅放大器-电路结构 在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共栅放大器就是利用这个特性所实现的。 当输入电压Vin较大时，即Vin≥Vb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout约等于VDD * CMOS共栅放大器-大信号模型 当Vin Vb-VTH时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为 进一步减小Vin，Vout逐渐减小，M1开始进入线性区，临界点即： 如果M1工作在饱和区，则输出电压为 * CMOS共栅放大器-小信号模型 输入输出特性曲线和小信号模型 * CMOS共栅放大器-进一步讨论 * CMOS共源共栅放大器-电路结构 共源放大器则将输入电压信号转换成输出电流，而共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流； 如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放大器，即级联三极管（Cascode）放大器； NMOS M1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，M2将该漏电流转换成输出电流，该电流流过负载电阻变成输出电压Vout，所以M1为输入器件，M2为共源共栅器件。 * CMOS共源共栅放大器-大信号分析 为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足VX≥Vin－VTH1 为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足Vout≥Vb－VTH2， 为了保证M1和M2都处于饱和区，则必须满足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，可见M2的增加使放大器的输出电压摆幅减小 * CMOS共源共栅放大器-大信号讨论 当VinVTH1时，M1和M2处于截止状态，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；当Vin≥VTH1时，M1将输入电压转换成漏电流，并使输出电压Vout下降，但漏电流的增加使M2的栅源电压VGS2也随着增加，从而导致VX下降 ; 当Vin继续增加，从而导致两个结果：(1) VX降到比Vin低一个阈值电压VTH1，使M1进入线性区；(2) Vout降到比偏置电压Vb低一个阈值电压VTH2，使M2进入线性区。如果Vb比较低的时候，M1会先进入线性区； (3)如果M2进入深线性区，VX和Vout将近似相等。 Casc