友情提示：如果本网页打开太慢或显示不完整，请尝试鼠标右键“刷新”本网页！
电子电路大全(PDF格式)-第40部分
快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！
M3 3 3 4 4 pch w=5u L=1u
R1 3 0 100k
Vin 1 0 dc 5
Vdd 4 0 dc 5
图 4…6 电流源负载共源放大器结构
。MODEL nch NMOS VTO=0。7 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
。MODEL pch PMOS VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
。dc vin 0 5 0。1
。print dc v（2）
。end
分析结果：
图 4…7 电流源负载共源放大器直流特性仿真
34
…………………………………………………………Page 483……………………………………………………………
（3）交流分析
假设输出端接 5PF的电容，当放大器被偏置在过渡区时，试用HSPICE获得
Vout（ω）/Vin（ω）的小信号频率响应，给出从 100Hz到 100MHz范围内的幅度和相位响应。
EX 4。2 mon source amp AC analysis
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
M1 2 1 0 0 nch W=5u L=1u
M2 2 3 4 4 pch w=5u L=1u
M3 3 3 4 4 pch w=5u L=1u
CL 2 0 5P
R1 3 0 100k
Vin 1 0 dc 1。07 AC 1
Vdd 4 0 dc 5
。MODEL nch NMOS VTO=0。7 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
。MODEL pch PMOS VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
。ac dec 20 100 100MEG
。op
。print ac vm（2） vdb（2） vp（2）
。end
分析结果：
图 4…8 电流源负载共源放大器交流特性仿真
35
…………………………………………………………Page 484……………………………………………………………
（4）瞬态分析
当电路输入脉冲信号时的瞬态响应，仿真时间从 0 到 4us。
EX 4。3 mon source amp TRansient analysis
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
M1 2 1 0 0 nch W=5u L=1u
M2 2 3 4 4 pch w=5u L=1u
M3 3 3 4 4 pch w=5u L=1u
CL 2 0 5P
R1 3 0 100k
Vin 1 0 PWL（0 0v 1u 0v 1。05u 3v 3u 3v 3。05u 0v 6u 0v）
Vdd 4 0 dc 5
。MODEL nch NMOS VTO=0。7 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
。MODEL pch PMOS VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
。tran 0。01u 4u
。print tran v（2） v（1）
。end
分析结果：
图 4…9 电流源负载共源放大器瞬态响应仿真
36
…………………………………………………………Page 485……………………………………………………………
第 5 章 共源共栅放大电路分析与设计
5。1 共源共栅放大器原理及分析
与反相放大器相比，共源共栅放大器有两
个显著的优点：首先，它提供更高的输出阻抗，
类似于共源共栅电流漏和共源共栅电流镜。其
次，它减小了放大器输入端的米勒电容效应，
这一点在设计运算放大器的频率性能时是很重
要的。图 5…1 示出由晶体管M1、M2 和M3 构成的
简单共源共栅放大器。除M2 之外，共源共栅放
大器与电流源CMOS反相器一样。M2 的主要功能
是使M1 漏极的小信号阻抗变小。从M2 的漏极看
图 5…1 简单共源共栅放大器 r g r
进去的小信号电阻近似为 ds 1 m 2 ds 2 ，比从M3
r
的漏极看进去的小信号阻抗 ds 3 大的多。共源共栅放大器的小信号增益大约是共源反相器
R
的两倍，因为 OUT 为原来的两倍。
（1） 共源共栅的小信号特性
图 5…2（a）忽略 M2 体效应后的共源共栅放大器的小信号模型
图 5…2 （b）共源共栅放大器的简化等效模型
图 5…1 所示的简单共源共栅放大器的小信号性能可以用图 5…2（a）的小信号模型来分
析，此模型简化后如图 5…2（b）所示。为简化起见，我们忽略了M2 的体效应。这里的简化采
用了电流源拆分和置换原理。采用节点分析为：
（g ＋g ＋g ）v …g v =…g v
ds 1 ds 2 m 2 1 ds 2 OUT m1 in
（5…1）
37
…………………………………………………………Page 486……………………………………………………………
…（g ＋g ）v ＋（g ＋g ）v =0
ds 2 m 2 1 ds 2 ds3 OUT （5…2）
v / v
求解得出 out in 为：
v …g （g ＋g ） …g ' 1
2K W
out = m1 ds 2 m 2 m1 =…（ 1 ）2
v g g ＋g g ＋g g ＋g g g L I λ2
in ds1 dds 2 ds1 ds 3 ds 2 ds 3 ds 2 m 2 ds 3 1 D 3
（5…3）
r
我们可以用图 5…1 所示共源共栅电流漏（M1 和M2）的小信号输出阻抗与 ds 3 并联来求
输出电阻。因此，共源共栅放大器的小信号输出电阻为：
r =＇r ＋r ＋g r r ＇ &r r
out ds 1 ds 2 m 2 ds 1 ds 2 ds 3 ds 3 （5…4）
我们将看到如何利用共源共栅放大器在满足增益的条件下增加电势的优点。
我们进一步主要到小信号增益对偏置电流同样有依赖性。由式（5…1）和式（5…2）得出：
v1 …gm1（gds 2 ＋gm 2 ）
=
vin gds1gdds 2 ＋gds1gds 3 ＋gds 2 gds 3 ＋gds 2 gm 2
gds2 ＋gds3 …gm1 …2gm1 WL 1
≈（ ）（ ） =…2（ 1 2 ）2
gds gm gm LW
3 2 3 1 2
（5…5）
g =g v / v
可以看出，如果M1 和M2 的宽长比相同且 ds 2 ds3 ，那么， 1 in 近似为…2。
增益为…2 的原因不明显，通常我们希望从M2 的源极看进去的电阻是1/gm 2 。然而，这
R
里显然不是这种情况。让我们进一步观察图 5…1 中电阻 s 2 ，这是一个从M2 的源极点进去
的电阻。此计算的小信号模型如图 5…3 所示，图中忽略了体效应（gmbs 2 =0 ）。
R
为了求解图 5…3 中所示的 s 2 值，我们首先写出了一个电压环路是：
v =（i …g v ）r ＋i r =i （r ＋r ） …g r v
s 2 1 m 2 s 2 ds 2 1 ds3 1 ds 2 ds3 m2 ds 2 s 2 （5…6）
v i
为求 s 2 1
与 的比值，解这个等式得到：
v r ＋ r
s 2 d s 2 d s 3
R = =
s 2
i1 1 ＋ g m 2 rds 2 （5…7）
38
…………………………………………………………Page 487……………………………………………………………
r ≈r R
我们看到如果 ds 2 ds3 ， s 2 正好
等于 2 / gm 2 。于是，如果gm1 ≈gm 2 ，
则从图 5…1 中所示共源共栅放大器的输
出到M1 的漏极或M2 的源极的电压增益
近似为…2。我们注意到一个重要的规则，
R 从MOSFET的源极看进去的小信号电阻与
图 5…3 用于计算 s 2 的小信号模型
管子漏极到交流地的电阻有关。
让我们进一步用观察法来说明图 5…1 共源共栅放大器的小信号电流流进M1 的漏极。在
v g v
这个电路中，输入信号 in 作用到M1 的栅…源极，这引起 m1 in 的小信号电流流进M1 的漏极，
r g r
这个电流流过M2 在输出端得到电压，该点是M2 和M3 的漏极连接点，其电阻是 ds 1 m 2 ds 2 和
r r g r r R ≈r
ds 3 的并联。因为 ds 1 m 2 ds 2 大于 ds 3 ，因此 out ds3 。
5。2 共源共栅放大器的设计流程
共源共栅级的普及有两个主要原因。第一个主要原因是它们由于大输出阻抗，对单级
有相当大的增益。为了得到这个高增益，与输出节点相连的镜像电流源可以用高质量共源
共栅镜像电流源实现。通常，得到这个高增益不会导致任何速度降低，而且有时还会提高
速度。使用共源共栅级的第二个主要原因是它们限制了输入驱动晶体管上的电压。这最小
化了任何短沟道效应，它在使用的晶体管沟道长度非常短的现代技术中越来越重要。
对如图的共源共栅放大器，设计参数为W1/L1、W2/L2、W3/L3、直流电流和偏置电压。
V
下图显示了放大器各个参数设计的关系式。共源共栅放大器的典型指标是 DD 、小信号增
A P
益 V 、最大和最小输出电压摆幅Vout（最大）和Vout（最小）以及功耗 diss 。
39
…………………………………………………………Page 488……………………………………………………………
图 5…4 共源共栅放大器结构
5。3 设计实例及 HSPICE 仿真分析
vOUT （max） =4V vOUT （min） =1。5V
共源共栅放大器指标为：Av =…50V/V ， ， ，VDD=5V，
Pdiss=1mW。 要求在 10pF负载上的摆率大于等于 10V/μs。
（1）设计过程
在设计中，不是所有的指标都重要且必须完全满足的。比如供电要求是 5V，但是如因
某种原因输出摆幅可以超过设计要求。让我们从直流电流开始分析。摆率和功耗都会影响
直流电流。摆率要求电流大于 100μA ，功耗要求小于 200μA。我们折中取 150μA。
首先从M3 开始，因为唯一不知道的就是W3/L3，根据关系式，求得：
W3 2 I 2 ×150
= = =6
L3 Kp 'VDD …vOUT （最大）2 50（1）2
设计图左上角的关系式给出I＝IBIAS时W4/L4＝W3/L3。接下来用设计图右下角的关系
式确定W1/L1：
2 2
W1 （Avλ ） I （50×0。05） ×150
= 3 = =4。26
L1 2K ' 2×110
N
为了设计W2/L2，首先计算VDS1（饱和），并用vOUT（最小）来确定VDS2（饱和）。求解
VDS1（饱和）得：
2I 2 ×150
饱和＝ = =
V （ ） 0。8V
DS 1
K N '（W 1/ L1） 110 ×4。26
用 1。5V减去这个值得VDS2（饱和）＝0。7V。因此，W2/L2 为：
40
…………………………………………………………Page 489……………………………………………………………
W2 2 I 2 ×150
= ＝ =5。57
L 2 K N 'VDS 2 （饱和）2 110 ×0。72
最后，用设计图左下角的关系式给出VGG2 的值：
2I
V =V （饱和） ＋ ＋V =0。8V ＋0。7V ＋0。7V =2。2V
GG2 DS1 TN
K N '（W 2 / L 2）
这个例子说明改变各个管的W/L可以得到 2。5V的输出电压范围且使所有管子都工
作在饱和区。共源共栅放大器给了设计者比反相放大器更多的对小信号性能的控制能力。
另外，单级共源共栅电路可以在恰当地确定主极点的情况下提供非常高的电压增益。
（2）网表
EX5。1 a Cascode Amplifier
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
m1 2 1 0 0 NMOSl l= 1u w=4。26u
m2 4 3 2 2 NMOSl l= 1u w=5。57u
m3 4 5 6 6 PMOSl l= 1u w=6u
m4 5 5 6 6 PMOSl l= 1u w=6u
ibias 5 0 dc 150u
*rset 5 0 11。33k ？？？
cl 4 0 10pf
vdd 6 0 5
vgg 3 0 dc 2。2
*vref 5 0 dc 3。3
vi1 1 0 DC 1。5 ac 1
。op
*。tran 1ms 30ms
。ac DEC 10 1 10MEG
。print vdb（4）
。MODEL NMOSl NMOS VTO=0。70 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
＋MJ=0。5 MJSW=0。38 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=770U CJSW=380P
＋LD=0。016U TOX=14N
。MODEL PMOSl PMOS VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
＋MJ=0。5 MJSW=0。35 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=560U CJSW=350P
＋LD=0。014U TOX=14N
。END
（3）仿真结果
41
…………………………………………………………Page 490……………………………………………………………
图 5…5 共源共栅放大器仿真输出
42
…………………………………………………………Page 491……………………………………………………………
第 6 章 源级跟随电路分析与设计
反相器、差分放大器和共源共栅放大器的共同特点是输出电阻大，但当负载是由一个
小电阻和大电容组成时，就不希望输出电阻太大。要在小的负载电阻上取得较大的输出电
压摆幅，就要求很大的电流。一个大负载电容也要求很大的输出电流来提供所需的充电电
流，才能满足瞬态响应的要求。为了在稳态或瞬态偏压下提供足够的输出电流，就必须采
用低阻输出级。
输出放大器的主要目的是有效的将信号提供给输出负载。输出负载可由电阻、电容或
二者并联构成。一般来说，输出电阻较小，在 50～1000Ω范围内；输出电容较大，在 5～
1000pF范围内。输出放大器应该有能力给这些负载提供足够的信号（电压、电流或功率）。
输出放大器驱动低负载电阻主要需要有一个小于等于负载电阻的�
快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部!
温馨提示： 温看小说的同时发表评论，说出自己的看法和其它小伙伴们分享也不错哦！发表书评还可以获得积分和经验奖励，认真写原创书评 被采纳为精评可以获得大量金币、积分和经验奖励哦！