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共源级
1.电阻负载
理想情况:
考虑沟长调制效应:
2.二极管接法的MOS做负载
①NMOS二极管负载
)
存在体效应时的阻抗:
忽略η随Vout的变化时,增益只于W/L有关,与偏置电流、电压无关,线性度很好。
②PMOS管负载
、
缺点:
a.大增益需要极大的器件尺寸
b.输出摆幅小
提高输出摆幅的方法:
加电流源
3.电流源做负载
4.深线性区MOS管做负载
^
5.带源极负反馈
①增益与跨导
!
随着RS增大,Gm和增益都变为gm的弱函数,提高了线性度;
但以牺牲增益为代价。
另外,可以通过如下方法简便计算:
Av=“在漏极节点看到的电阻”/“在源极通路上看到的电阻”
②输出电阻
¥
源跟随器(共漏)
1.负载为Rs
2.负载为电流源
3.考虑rO和RL后的增益(注意分析过程)
》
4.负载为理想电流源时输出电阻Ro
共栅级
1.不考虑沟长调制效应时增益
,体效应导致增益增加
2.输入阻抗
<
RD=0时,共栅级输入阻抗相当于源跟随器输出阻抗
,故在RD较小时,输入阻抗小
3.输出阻抗
计算结果同带源极负反馈的共源级的Rout,故输出阻抗很大
共源共栅级
1.增益(不考虑沟长调制)
(注意此处为约等于且结果为负,具体增益参照P71,掌握方法即可)
2.输出阻抗
M2管将M1管的输出阻抗提高为原来的(gm2+gmb2)rO2倍;
有利于实现高增益
>
3.其他性质:
①作理想电流源,代价:
输出摆幅减小
②屏蔽特性:
Vout端有ΔVout的电压跳变时,表现在X点的电压跳变很小,屏蔽了输出节点对输入管的影响
4.折叠共源共栅
5.总结:
基本差动对
1.大信号差分特性
上式假定了M1、M2均工作在饱和区,然鹅
2.大信号共模特性
共模输入电平必须满足:
3.小信号差分特性
因此,当ΔVin为下值时跨导降为0:
,其表征放大器所允许的最大输入差分信号
:
差模增益:
用叠加法、半电路法均可求全差分时的差模增益,结论为:
①单边输入时差模增益为-gmRD
②差分输入时差模增益为-gmRD
③单边输入时单端输出增益为-gmRD/2
4.小信号共模特性
若电路完全对称,则流过M1和M2管的直流电流总为ISS/2,不随Vin,CM的变化而变化,因此,VX和VY不变;
非理想性包括:
M1和M2之间有失配(W/L、VTH等),RD1和RD2之间有失配(阻值不完全相等等);
尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大
①尾电流内阻非无穷大时
若电路完全对称,则VP会随Vin,CM的变化而变化,导致尾电流变化,Vout1和Vout2会随之变化,但Vout1和Vout2总相等,故可短接,将M1、M2并联处理(注意此时跨导为2gm)
共模增益为:
②输入管失配对共模响应的影响
共模到差模转换的增益:
5.CMRR-共模抑制比
Common-ModeRejectionRatio,用来综合反映差分放大器的性能
基本电流镜
原理:
利用输出电流与参考电流的过驱动电压相同
因此
复制精度受工艺(宽长比)、沟长调制效应的影响
有源电流镜
密勒效应
如果上图1的电路可以转换成图2的电路,则
@
是在所关心的频率下的小信号增益,通常为简化计算,我们一般用低频增益来代替AV,这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。
极点与结点的关联
1.CS放大器的简化频率特性分析
如果忽略输出结点与输入结点的相互作用,我们可以利用密勒定理得到CS放大器的两个极点频率:
"
2.共源放大器的频率特性(理论推导)
将分母化为:
其零点:
总而言之:
若题目出到图,根据公式给出极点、零点,之后若表达传输函数,则模仿理论推导中增益的表达形式。
噪声类型
.
1.热噪声
①定义:
导体中载流子的随机运动,引起导体两端电压波动
②电阻的热噪声
,教材上默认Δf=1Hz
③MOS管沟道区的热噪声
单个MOS管能产生的最大热噪声电压:
(也即如果有负载,ro要替换为负载RD)
减少gm可降低噪声。
当gm不影响其他关键指标时,应尽量小
2.MOS管的闪烁噪声(1/f噪声)
①来源:
载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放,导致源漏电流有噪声
用与栅极串联的电压源来模拟
②表达式:
③1/f噪声的转角频率fC
。
热噪声和1/f噪声曲线的交叉点
电路中的噪声表示
1.方法一:
输出参考噪声电压
把输入置零,计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声
例:
求如图所示共源级电路的总输出噪声电压
2.方法二:
输入参考噪声电压
在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响
对于上例,
3.用电压源与电流源共同表示输入参考噪声
'
如图,
4.辅助定理
源漏之间的噪声电流源可以等效为与栅级串联的噪声电压源(对任意的ZS)
条件:
均由有限阻抗驱动;
低频时
单级放大器中的噪声
1.共源级
(已在上边讲过,不赘叙)
M1和M2均工作在饱和区。
计算:
①输入参考热噪声电压
②若负载电容为CL,求总输出热噪声
③若输入是振幅为Vm的低频正弦信号,求输出信噪比
①
(利用交流小信号模型,ro1与ro2在漏端并联)
②
(
频带内积分,得总输出热噪声
③输入信号在输出端产生的信号振幅为:
SNR(SignalandNoiseRatio)为功率之比:
2.共源共栅级
(只考虑热噪声)
M2的噪声对输出噪声的贡献很小,因为图(c)中从M2栅极到输出的增益很小(同带源极负反馈的放大器)
3.折叠共源共栅电路的热噪声
(M2为共栅管,其热噪声可忽略不计,即右式第二项可省去)
(gm1ro1的由来:
易得Vn22=4kT*2/(3gm2),由知Vn,out,最后该项与Vin,2呈现一个gm1RD倍的关系)
[
差动对中的噪声
输入参考噪声电压是共源级的两倍
噪声带宽
总噪声:
噪声带宽为:
反馈概述
1.基本概念
X(s):
输入信号
Y(s):
输出信号
Y(s)/X(s):
闭环传输函数,闭环增益
~
H(s):
前馈网络;
开环传输函数,开环增益
G(s):
反馈网络;
若与频率无关,可用β代替
H(s)×
G(s):
环路增益
β:
反馈系数
2.反馈系统的组成部分:
①前馈放大器
②检测输出的方式
③反馈网络
④产生反馈误差的方式
3.反馈电路的特性
①降低增益灵敏度
②改变输入、输出阻抗
③扩展带宽
④抑制非线性
反馈结构
反馈结构包括哪四种,它们对反馈网络的输入、输出阻抗有何要求,对整个电路的闭环输入、输出阻抗有何影响
四种反馈的记忆方法:
①明确命名方式,如,电流-电压反馈指的是输出端电流反馈,输入端电压反馈(输出、输入的位置千万别搞反了!
②明确一个“正统原则”,也即:
一般来说提到电压都是串联,提到电流都是并联,然后我们再记住以输入为正统
③开始列表格,左边一列四行写下四种反馈:
电压-电压、电流、电压、电压-电流、电流-电流
④根据①和②,确定每一种反馈方式的基本电路图(脑补也行,知道大概即可),比如:
电流-电压反馈,输出端电流,输出端非正统,因此电流对应了串联;
输入端电压,输入端正统,因此电压对应了串联
⑤记住最后一个原则:
串联端的反馈会要求对应端反馈网络低阻抗(理解为避免串联分压)、使对应端闭环阻抗增加(想象电阻串联,阻抗肯定增加咯);
并联端的反馈会要求对应端反馈网络高阻抗(理解为避免并联分流)、使对应端闭环阻抗下降。
比如:
电流-电压反馈,我们已经脑补出它输入端串联、输出端也串联,因此两端闭环阻抗都增加,要求反馈网络两端都低阻抗。
是不是瞬间感觉简单了很多呢QUQ
]
1.电压-电压反馈:
串联-并联,反馈与输入串联,检测与输出并联
要求:
反馈网络高输入阻抗、低输出阻抗
特性:
①输入端串联,–输入电阻增大
②输出端并联,–输出电阻减小
2.电流-电压反馈:
串联-串联,反馈与输入串联,检测与输出也串联
3.电压-电流反馈:
并联-并联
4.电流-电流反馈:
并联-串联
负载的影响
运算放大器概述
1.定义:
高增益的差分放大器
2.小信号带宽:
单位增益频率fu
3dB频率f3dB与fu的示意如下(均为对数坐标)
3.共模输入、输出摆幅(通过以下例子掌握方法)
方法概括:
a.结果先用每个管子的VGS或Vov(过驱动电压)/Vdsat表示,最后化为只含有Vov与Vth
b.如果出现Vb等栅电压,优先用Vb来表征Vin或Vout
c.求下限往下看,求上限往上看
①单级运放的输入共模电平范围
②共源共栅运算放大器,如下左图(重点掌握,必要时可只看图当做题目,之后与标准答案对照)
增益表达式:
输入共模电平范围:
输出共模电平范围:
③双端输出共源共栅运放的输出范围(注意输出要乘以2!
4.共源共栅运放设计
设计流程:
已知:
VDD、功耗、Av0、输出摆幅
①确定各晶体管的过驱动电压
根据设计经验,
放大管过驱动电压:
200mV
负载管过驱动电压:
200~500mV
尾电流管过驱动电压:
300~500mV
②确定各支路的直流电流(功耗分配)
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- 模拟 集成电路设计 复习 笔记