电子电路大全(PDF格式)-第55部分

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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小信号输出电阻。驱动大　



电容的输出放大器主要需要有能力输出一个大的源或漏电流。驱动大电容的放大器不需要　



低的输出电阻。　　



　　　CMOS输出级的基本作用是电流变换。大部分输出级都具有高电流增益和低电压增益，　



对一个输出级的特定要求有：（1）以电压或电流的形式提供足够的输出功率，（2）防止信　



号失真，（3）高效率，（4）对异常状态（短路、过热等等）提供保护。由于信号摆幅很大，　



并且在小信号放大器中一般不会遇到的非线性问题变得重要了，故而有第二项要求。第三　



项要求是要使驱动晶体管上的功耗比负载上的功耗小得多。对第四项要求，CMOS输出级通　



常都可以满足，这是由于CMOS器件本身的自我限制特性造成的。　　



6。1　源极跟随缓冲级　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　图　6…1　（a）源极跟随器的电路结构和（b）电压传输曲线　　



　　



　　



　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　43　　


…………………………………………………………Page　492……………………………………………………………

　（1）输出电压摆幅　　



　　　　　v　　　　（min）　V　　　　　…V　　　　　　　　　R　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（min）　…I　Q　RL　　　　　　R　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　SS　　　　ON　2　（如　L　　较大）　或者　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（如　L　　较小）　　



　　　　　v　　　　（max）　V　　　　　…V　　　　　　　　　　　　v　　　》V　　　　　　　　　　　　　v　　　　（max）　V　　　　　　…V　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　SS　　　　ON　1　　（如果　IN　　　　　DD　　）　或者　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　DD　　　　GS　1　　　



　　　　　如果考虑衬底效应：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇　

　　　　　V　　　=V　　　　　＋γ　2φF　　…v　　　　　　　　2φF　　　　　　≈V　　　　　＋γ　v　　　　　=V　　　　　＋γ　v　　　　　　　（max）　…V　

　　　　　　　T　1　　　T　01　　　　　　　　　　　　　　BS　　　　　　　　　　　　　　　T　01　　　　　　SB　　　　　T　01　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　∴V　　　　　（max）…V　　　　≈V　　　　…V　　　　…V　　　　…V　　　=V　　　　…V　　　　…V　　　　…V　　　　＋γ　v　　　　　　（max）…V　

　　　　　　　　OUT　　　　　　　　　　SS　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T1　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T01　　　1　　　OUT　　　　　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　v　　　　（max）　…V　　　　　=v　　　　　'　（max）　

　　　　　定义　OUT　　　　　　　　　　　　　　SS　　　　OUT　　　　　　　　　　　



　　　　　那么　　



　　　　　V　　　　'　（max）　＋γ　v　　　　　　　'　（max）　…（V　　　　…V　　　　　…V　　　　　…V　　　　）　=0　

　　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　1　　　OUT　　　　　　　　　　　　　DD　　　　　SS　　　　ON　1　　　T　01　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　解得　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4（　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ　　γ　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ　＋　V　　　　　　　…V　　　…V　　　　　…V　

　　　　　　　　　　'（max）　　　　1　　　　　1　　　　　　　4（　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）　　　1　　　　　　　DD　　　　SS　　　ON1　　　　T01　

　　　　　v　　　　　　　　　　≈　　　γ　＋　V　　　　　　　　　　　　　…V　　　…V　　　　　…V　　　　　＋　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T01　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4　　　　　4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　V　　　　=2。5V　　　　　　γ　=0。4V　1/　2　　　　　　　V　　　　=0。7V　　　　　　　　　　　V　　　　　=0。2V　

　　　　　如果　DD　　　　　　　　　　　　　，　　N　　　　　　　　　　　　　　，　　TN　1　　　　　　　　　　，　并且　ON　1　　　　　　　　　　　　　，　　　



　　　　　　　　　　　'　

　　　　　那么vOUT　　（max）　=3。661V　、vOUT　　（max）　=　3。661…2。5　=　0。8661V　　



　（2）输出最大电流　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　=…V　　　　　=2。5V　

　　　　　假定晶体管处于饱和状态，并且　　DD　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SS　　　　　　　　　，　　那么　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K　'W　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　I　　　　（sourcing　）　=　1　　　1　＇V　　…v　　　　　　…V　1　＇　…I　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　　2L1　　　DD　　　　　OUT　　　　T　　　　　　　Q　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　v　　　=v　

　　　　　假设　IN　　　　　　　DD　　。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　　=0V　　　　　　　　　　　　V　　　=1。08V　　　　　　　　I　OUT　=1。11mA　

　　　　　如果W1/L1　　=10　、　　　　　　　　　　　　　　　　　，　　那么　　T　1　　　　　　　　　　　　=》　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。然而，　　　随着　　



v　

　　OUT　　升高于到　　0V　以上时，　　　电流快速下降。　　



　（3）效率　　



　　　　　假设输入信号能使输出达到等于电源最大情况，如图　　



44　　　　


…………………………………………………………Page　493……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　那么　　



　　　　　　　　　　　　β　（　　　　　　　　　　　　　　　　）2　

　　　　　　i　　=　　v　　　　　　…v　　　　　…V　

　　　　　　　D　　　　　　　　IN　　　　OUT　　　　　T　

　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　v　

　　　　　　i　　=I　　　　OUT　

　　　　　　　D　　　　　Q　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　R　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　得效率　　



　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）2　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）2　

　　　　　　　P　　　　　　　　　　　　2R　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2R　　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）　2　

　　　　　　　　RL　　=　　　　　　　　　　L　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　L　　　　　　　　　　　　=（　　　　　　　　　　　　　　）　

　　　　　P　　　　　　　　　（V　　　…V　　　　）I　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　…V　　　　　　　　　V　　　　…V　

　　　　　　　Supply　　　　DD　　　　　SS　　Q　　　　（V