电子电路大全(PDF格式)-第53部分

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　　　　　　　　I　O　　　　　　S　　2　（1　　＋　λV　　D　　S　2　）　　　S　　2　

　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　

　　　　　　　　　I　　R　　　　S　1　（1　　＋　λV　　D　　S　1　）　　　　S　1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…3）　　



　　　　S为各器件的宽长比，上式表明，输出电流I　0　与λ无关，即输出电流不跟随输出电压　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　r　

的变化而变化，从而具有很好的恒流特性和较高的输出阻抗。电路的输出阻抗　0　可由交流　



小信号等效电路图　3…3　所得：　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…2　标准共源共栅的恒流源电路　　

26　　　　


…………………………………………………………Page　475……………………………………………………………

　　　　　V　　=i　＇r　　　　　　　　　＋r　　　　　　＋r　　　　　　r　　　　（　g　　　　　＋　g　　　　　　　）＇　

　　　　　　　0　　　　　0　　　ds　2　　　　　ds　4　　　　ds　2　ds　4　　　　m　4　　　　　　mb　4　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　=i　＇r　　　　　　　　＋r　　　　　　　＋r　　　　　　r　　　　g　　　　　（1＋η　）＇　

　　　　　　　　　　　　　0　　　ds　2　　　　　ds　4　　　　　ds　2　ds　4　　m　4　　　　　　　　　　4　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…4）　　



　　　　其中：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　m　　b　　4　

　　　　　　　　　η　=　

　　　　　　　　　　　4　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　m　4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…5）　　



因此输出阻抗r　　可以表示为：　　

　　　　　　　　　　　　　　　　0　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　r0　　=　rd　s　2　rd　s　4　g　m　4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…6）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…3　交流小信号等效电路　　



　　　　　上式可以表明，该恒流源的输出阻抗比图3…1所示的恒流源电路的输出阻抗　



大r　　　　g　　　倍。　　

　　　　ds　4　m4　



　　　　例：共源共基镜像电流源电路中，Iin＝100uA，每个晶体管W/L＝100um/1。6um。假设　

unCox=92uA/V2　，　　



　　　　Vtn=0。8V，rds=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，求镜像电流源的rout（体效应约为　0。2gm）。　



还求使得输出晶体管保持在工作区的Vout的最小输出电压。　　



　　　　解：通常，Iout=Iin，这样我们可以求出这个镜像电流源的小信号参数为　　　

　　　　　　　　　　gm4＝＇2unCox（W/L）Iout＇1/2=1。07mA/V　　



　　　　还有　　



　　　　　　　　　　rds2=rds4=8000*1。6/0。1=128kΩ　　



　　　　输出阻抗为　　



　　　　　　　　　　Rout=128k＇128（1。07＋0。2*1。07）＇=21MΩ　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　27　　


…………………………………………………………Page　476……………………………………………………………

　　　　　要求出最小输出电压，我们首先需要确定Veff：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1/2　

　　　　Veff=＇2Iout/（　unCoxW/L）＇　　=0。19V　　



　　　　　这样，最小输出电压求得为　2×0。19＋0。8=1。18V　　



3。3　HSPICE　仿真分析基本恒流源电路　　



　（1）仿真电路　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）网表　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　EXP　3。1　Simple　MOS　Current　Mirror　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。option　post=2　numdgt=7　tnom=27　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　M1　1　1　0　0　nch　l　=　1u　w　=　5u　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　M2　2　1　0　0　nch　l　=　1u　w　=　5u　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I1　0　1　DC　10u　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V1　3　0　DC　0　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V_I2　3　2　DC　0　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　图　3…4　基本恒流源电路　　

　　　　　　



　　　　　。MODEL　nch　NMOS　VTO=0。7　KP=110U　LAMBDA=0。04　GAMMA　=　0。4　PHI　=　0。7　　



　　　　　*。dc　V1　0　5　。1　I1　10u　80u　10u　　



　　　　　。dc　V1　0　5　。1　　



　　　　　。END　　



　　　　　　



　（3）仿真结果　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…5　基本恒流源电路仿真输出结果　　



　　



　　



28　　　　


…………………………………………………………Page　477……………………………………………………………

3。4　HSPICE　仿真分析高输出阻抗恒流源电路（MOS　管参数同上）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…6　高输出阻抗的恒流源电路　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…7　高输出阻抗恒流源电路仿真输出结果　　



　　　　通过与前面的仿真结果比较，可看出共源共栅电流沉的输出电阻较大（斜率的倒数为　



输出电阻）。另外，体效应会使M3　管和M4　管的阈值电压变大，导致电流值低于我们的期望　



值。　　



3。5　基本恒流源电路的敏感度分析　　



　　　　跨过电流沉的电压（即M2　管的漏端电压）对输出电流有很大影响，敏感度很高。通过　



敏感度分析，可知道哪个元件对输出变量有最大影响。通过计算机仿真得到输出变量对元　



件参数的敏感度，这在大电路设计中几乎是必须要做的一步。　　



　　　　。sense　I（vdrain2）　　



　　　　。dc　vdrain　…2。5　2。5　0。01　　



3。6　基本恒流源电路的温度特性　　



　　　　　　　　　　（　）　　　　　　　　（　　　　　（　）（　　　　　　））　　（　）　　　　　　　　　　（　　　　　）　

　　　　　　　　I　　T　　=I　　（T　）　1＋TC　I　　T　…T　　　=I　　T　　＇1…0。0015　T　…27　＇　

　　　　　　　　　O　　　　　　O　　0　　　　　　　　　0　　　　　　0　　　　　　0　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29　　


…………………………………………………………Page　478……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…8　基本恒流源电路温度特性仿真输出结果　　



　　　　　　　



3。7　其它类型的电流源/沉　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…9　恒流源电路仿真输出结果　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　3…10　恒流源电路仿真输出结果　　



　　　　　　　



　　　　　　　



30　　　　


…………………………………………………………Page　479……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　第　4　章　共源放大电路分析与设计　　



　　　　共源放大器是CMOS电路中的基本增益级。它是典型的反相放大器，负载可以是有源负　



载或者电流源。共源放大器多种实现方式如图　4…1　所示有源负载放大器，电流源负载放大　



器和推挽放大器，在其他条件相同的情况下，图中电路的小信号增益由左至右依次增大。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　（a）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（c）　　



　　　　　　　　图　4…1（a）有源负载共源放大器（b）电流源负载共源放大器（c）推挽共源放大器　　



4。1　有源负载共源放大器　　



　　　　在许多应用场合需要用到可高度预见其小信号和大信号特性的底增益反相器。满足此　



要求的一种结构如图　4…1（a）所示，这就是PMOS有源负载共源放大器。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　4…2　图　4…1（a）的小信号图　　



　　　　我们利用它的小信号图　4…2，可以计算出它的增益。对输出端的电流求和可得：　　



　　　　　　　　gm1vin＋gds1vout＋gm2vout＋gds2vout=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4…1）　　



　　　　　　　　求解电压增益vout/vin，得到：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　

　　　　　　　　v　　　　　　　　　　　…g　　1　　　　　　　　　　g　　1　　　　K　'　W　L2　　2　

　　　　　　　　　　out　=　　　　　　　　　m　　　　　　m　　　　　=N　　　　　　1　　　　

　　　　　　　　　vin　　　g　　　＋g　　　　＋g　　　　　　　　g　　　　　　　　'　　　　　W　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K　　L1　

　　　　　　　　　　　　　　　　　ds　1　　ds　2　　m　2　　　　　m　2　　　　P　　　　　　　　2　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4…2）　　



　　　　小信号的输出电阻从图　4…2　也可以得出　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　31　　


…………………………………………………………Page　480……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　　　　　1　

　　　　　　　Rout　=　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　g　ds　1　＋g　ds　2　＋g　m　2　g　m　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4…3）　　



　　　　有源电阻负载共源放大器的输出电阻抗较低，因为按二极管方式连接的M2　管具有低阻　



抗的缘故。在要求反相增益级具有大带宽时，低输出阻抗是非常有用的。　　



4。2　电流源负载共源放大器　　



　　　　通常，共源放大器需要得到比有源负载共源放大器更大的增益。第二种有较高增益的　



共源放大器结构是图　4…1（b）所示的电流源负载共源放大器。这种结构采用电流源负载代　



替PMOS二极管连接的负载。电流源是共栅结构，采用栅极加直流电压偏置VGG2　的P沟道管　



实现。　　



　　　　小信号性能可由图　4…2　模型中用gm2vout＝0（考虑M2　的栅极交流接地）来求得。小信　



号电压增益为：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　

　　　　　　　v　　　　　　　…g　　　　　　　2K　'　W　　2　　…1　　　　　　　1　

　　　　　　　　　out　=　　　　m1　　=　　　　　N　　1　　　　　　　　　∝　

　　　　　　　　　　　　　g　　＋g　　　　　　　　　　　　　　　　　＋　　　

　　　　　　　　v　　　　　　　　　　　　　　　　　L　I　D　　　　　　λ　λ　

　　　　　　　　　in　　　　ds　1　ds　2　　　1　　　　　　1　　　　　2　　　I　D　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4…4）　　



　　　　取决于器件尺寸、电流和使用的技术，这个电路的典型增益在－10～－100　的范围内。　



为了用电阻性负载得到类似的增益，必须使用远远高于　5V的电源电压。电阻性负载方法还　



会大大提高功率损耗。但是，这里应该提到的是：对于低增益、高频率级，（如果不需要大　



量硅面积）用电阻负载会更理想，因为它们一般都有较小的寄生电容。它们通常还比有源　



负载噪声小。　　



　　　　这是个有意义的结果：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。增益随ID减小而增加可一直保持到电流接近亚　



阀值工作区，即弱反型层出现，此时跨导变为正比于偏置电流且小信号电压增益成为偏置　



电流函数的常数。如果我们假设亚阀区发生在电流近似为　1μА的时候，又如果（W/L）　



1=（W/L）2=10，使用　0。8μm模型的参数值可给出图　4…1（b）所示的电流负载CMOS共源放大　



器的最大增益近似为－521V/V。图　4…3　示出了电流源负载作为直流偏置电流的函数的典型　



关系（假设亚区效应发生在近似等于　1μА的时候）。　　



　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　4…3　漏极电流对电流源共源放大器的小信号电压增益的影响　　



32　　　　


…………………………………………………………Page　481……………………………………………………………

　　　　电流源负载CMOS共源放大器的小信号输出电阻抗可从图　4…2（gm2vout＝0）求得：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　　　　　　　　1　

　　　　　　　　Rout　=　g　　　＋g　　　　=I　D　（λ＋λ）　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　ds　1　　ds　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4…5）　　



　　　　如果ID＝200μА，沟道长度为　1μm，采用　0。8μm的模型参数值，电流源CMOS共源放　



大器的输出阻抗近似为　56kΩ，与有源负载CMOS共源放大器相比此输出阻抗较高。然而，　



此结果导致带宽降低。　　



　　　　例：在上面电路中，晶体管W/L＝100um/1。6um。假设unCox=90uA/V2，　upCox=30uA/V2，　　



Ibias＝100uA，rds…n=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，　rds…p=＇12000L（um）＇/＇ID（mA）＇，这一级　



的增益是多少？　　



　　　　解：gm1　的值由下式得出　　



　　　　　　　　gm1＝＇2unCox（W/L）ID1＇1/2=1。06mA/V　　



　　　　同时　　



　　　　　　　　Rds1=8000*1。6/0。1=128kΩ　　



　　　　　　　Rds2=12000*1。6/0。1=192kΩ　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　vout　　　　…g　m1　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　=　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　有　　　　vin　　　g　ds　1　＋g　ds　2　…1。06（128｜｜192）=…81。4　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　与电流源负载CMOS共源放大器对应的是电流漏共源放　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大器，如图　4…4　所示结构。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　它的特性和电流源负载相似　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　图　4…4　电流漏　　　　　　　　　　　4。3　推挽共源放大器　　



　　　　如图　4…1（a）和图　4…1（b）中M2　的栅极接到M1　的栅极，即为图　4…1（c）所示的推挽　



S共源