目录 摘要 Abstract. 第一章绪论. 1 1.1研究背景.… 7 1.2研究内容..… 。。 2 1.3论文组织 。。 2 第二章单管放大器低频特性以及晶体管电容 5 2.1单管放大器低频特性 5 2.2晶体管器件电容 6 2.2.1器件电容分类 6 2.2.2器件电容大小的详细讨论 2.2.3器件电容与Vcs、VDs的关系. 10 第三章单管放大器的频率响应特性 .11 3.1共源放大器 .11 3.1.1单独考虑各个电容.… 12 3.1.2考虑所有电容，求传输函数 14 3.1.3共源放大器的频率特性 16 3.2源极跟随器. 26 3.2.1增益Av. 27 3.2.2输入阻抗Zin: 32 3.2.3输入阻抗Zout: 33 3.3共栅放大器 35 3.3.1低频特性 35 3.3.2高频特性 37 第四章双管放大器的频响分析.… 42
I 目录 摘要 ............................................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................................... III 第一章 绪论................................................................................................................ 1 1.1 研究背景............................................................................................................ 1 1.2 研究内容............................................................................................................ 2 1.3 论文组织............................................................................................................ 2 第二章 单管放大器低频特性以及晶体管电容.............................................................. 5 2.1 单管放大器低频特性.......................................................................................... 5 2.2 晶体管器件电容................................................................................................. 6 2.2.1 器件电容分类.............................................................................................. 6 2.2.2 器件电容大小的详细讨论 ............................................................................ 7 2.2.3 器件电容与 VGS、VDS 的关系 .................................................................... 10 第三章 单管放大器的频率响应特性...........................................................................11 3.1 共源放大器 .......................................................................................................11 3.1.1 单独考虑各个电容..................................................................................... 12 3.1.2 考虑所有电容，求传输函数....................................................................... 14 3.1.3 共源放大器的频率特性.............................................................................. 16 3.2 源极跟随器 ...................................................................................................... 26 3.2.1 增益 AV ..................................................................................................... 27 3.2.2 输入阻抗 Zin：........................................................................................... 32 3.2.3 输入阻抗 Zout： ......................................................................................... 33 3.3 共栅放大器 ...................................................................................................... 35 3.3.1 低频特性................................................................................................... 35 3.3.2 高频特性................................................................................................... 37 第四章 双管放大器的频响分析 ................................................................................. 42
单管和双管放大器的频响分析 4.1电流镜（电流放大器） 43 4.1.1电流增益 43 4.1.2输入阻抗 44 4.1.3输出阻抗 45 4.2反相放大器 45 4.3共源共栅结构 47 4.3.1以反馈的角度理解共源共栅结构的高输出阻抗 47 4.3.2 Miller效应 49 4.3.3中间节点电容Cm... 51 4.3.4共源共栅的深入讨论-电阻负载. 52 4.4差分对...… 56 第五章零极点偶对分析和零极点图 59 5.1差分放大器 59 5.1.1戴维南等效法 59 5.1.2电流叠加法 60 5.2增益自举， 63 5.2.1节点电压法 63 5.2.2更加直观的方法 64 5.3单位增益反馈环路中的零极点偶对 66 5.4零极点图 67 5.4.1零极点 68 5.4.2复数极点 69 参考文献. 73 致谢 75
单管和双管放大器的频响分析 II 4.1 电流镜（电流放大器） .................................................................................... 43 4.1.1 电流增益................................................................................................... 43 4.1.2 输入阻抗................................................................................................... 44 4.1.3 输出阻抗................................................................................................... 45 4.2 反相放大器 ...................................................................................................... 45 4.3 共源共栅结构................................................................................................... 47 4.3.1 以反馈的角度理解共源共栅结构的高输出阻抗.......................................... 47 4.3.2 Miller 效应................................................................................................. 49 4.3.3 中间节点电容 Cm....................................................................................... 51 4.3.4 共源共栅的深入讨论--电阻负载................................................................. 52 4.4 差分对 ............................................................................................................. 56 第五章 零极点偶对分析和零极点图.......................................................................... 59 5.1 差分放大器 ...................................................................................................... 59 5.1.1 戴维南等效法............................................................................................ 59 5.1.2 电流叠加法................................................................................................ 60 5.2 增益自举.......................................................................................................... 63 5.2.1 节点电压法................................................................................................ 63 5.2.2 更加直观的方法 ........................................................................................ 64 5.3 单位增益反馈环路中的零极点偶对 .................................................................. 66 5.4 零极点图.......................................................................................................... 67 5.4.1 零极点....................................................................................................... 68 5.4.2 复数极点................................................................................................... 69 参考文献 ................................................................................................................... 73 致谢 .......................................................................................................................... 75
摘要 模拟集成电路设计必须在多种参数之间进行折中。大多数情况下，速度和包括增益、 功率、噪声等在内的其他参数是相互影响的。同时，由于对高速电路的强劲需求，如何 将模拟电路设计推向更高频率一直挑战着设计者。因此，理解各种电路的频率响应和速 度限制因素是十分必要的。 绝大多数模拟电路是由差分对、电流镜等基本电路单元构成的，本论文只考察这些 基本电路。他们通常包含两个节点，有时包含三个节点，因此传输函数是两阶的，有时 是三阶的。两阶系统可以代表绝大多数放大器，因此被详细讨论。在本文中，基本放大 器根据包含的晶体管数目划分为，单管放大器：共源放大器、源极跟随器（共漏放大器）、 共栅放大器：双管放大器：电流镜、反相放大器、共源共栅放大器和差分对。 本文完成工作： 在推导上述基本电路的传输函数表达式时我们使用了一定技巧：首先使用节点分析 法得到各节点方程，然后利用克莱姆法则求解矩阵方程组。利用波特图和零极点位置图 来研究高频特性。为研究电路中某个指定参数对频率特性的影响，以该参数的不同取值 重复作波特图多次。零极点位置图给出了以某个指定参数为变量的指定传输函数的零极 点变化。它为分析该参数对高频特性的影响提供了有力工具，也可以清楚地解释不稳定 区域、零极点抵消点等概念。 首先，本文回顾了单管放大器的低频特性和包含器件电容的晶体管高频小信号模型。 其次，分析了单管放大器的频率特性。虽然看起来过于简单，但是单管放大器已经包含 两个极点，可以代表所有的两阶放大器。源极跟随器可用作阻抗转换级，将仔细研究它 的从高阻抗到低阻抗缓冲能力随着频率的变化。从低阻抗到高阻抗转换可以通过共栅放 大器实现。详细讨论包括增益、输入输出阻抗在内的传输函数特性。其他重要的现象， 比如极点分离在这些简单电路结构中也会涉及。然后，双管放大器的频率响应也会被详 细讨论。电流镜在构建放大器的偏置电路和有源负载方面极其重要，它的最简单的形式 由两个晶体管构成。接着讨论的是非常著名的反相放大器、共源共栅放大器和模拟电路 中最重要的基本单元电路差分对。最后，研究电流镜对差分对频率特性的影响，以及增 益自举共源共栅放大器的频率响应特性，引入了零极点偶对的概念。还将给出关于如何 作零极点位置图的详细的例子
I 摘要 模拟集成电路设计必须在多种参数之间进行折中。大多数情况下，速度和包括增益、 功率、噪声等在内的其他参数是相互影响的。同时，由于对高速电路的强劲需求，如何 将模拟电路设计推向更高频率一直挑战着设计者。因此，理解各种电路的频率响应和速 度限制因素是十分必要的。 绝大多数模拟电路是由差分对、电流镜等基本电路单元构成的，本论文只考察这些 基本电路。他们通常包含两个节点，有时包含三个节点，因此传输函数是两阶的，有时 是三阶的。两阶系统可以代表绝大多数放大器，因此被详细讨论。在本文中，基本放大 器根据包含的晶体管数目划分为，单管放大器：共源放大器、源极跟随器(共漏放大器)、 共栅放大器；双管放大器：电流镜、反相放大器、共源共栅放大器和差分对。 本文完成工作： 在推导上述基本电路的传输函数表达式时我们使用了一定技巧：首先使用节点分析 法得到各节点方程，然后利用克莱姆法则求解矩阵方程组。利用波特图和零极点位置图 来研究高频特性。为研究电路中某个指定参数对频率特性的影响，以该参数的不同取值 重复作波特图多次。零极点位置图给出了以某个指定参数为变量的指定传输函数的零极 点变化。它为分析该参数对高频特性的影响提供了有力工具，也可以清楚地解释不稳定 区域、零极点抵消点等概念。 首先，本文回顾了单管放大器的低频特性和包含器件电容的晶体管高频小信号模型。 其次，分析了单管放大器的频率特性。虽然看起来过于简单，但是单管放大器已经包含 两个极点，可以代表所有的两阶放大器。源极跟随器可用作阻抗转换级，将仔细研究它 的从高阻抗到低阻抗缓冲能力随着频率的变化。从低阻抗到高阻抗转换可以通过共栅放 大器实现。详细讨论包括增益、输入输出阻抗在内的传输函数特性。其他重要的现象， 比如极点分离在这些简单电路结构中也会涉及。然后，双管放大器的频率响应也会被详 细讨论。电流镜在构建放大器的偏置电路和有源负载方面极其重要，它的最简单的形式 由两个晶体管构成。接着讨论的是非常著名的反相放大器、共源共栅放大器和模拟电路 中最重要的基本单元电路差分对。最后，研究电流镜对差分对频率特性的影响，以及增 益自举共源共栅放大器的频率响应特性，引入了零极点偶对的概念。还将给出关于如何 作零极点位置图的详细的例子
单管和双管放大器的频响分析 关键词： 单管放大器、共源放大器、源极跟随器、共栅放大器、双管放大器、电流镜、反相 放大器、共源共栅放大器、差分对、零极点偶对、增益自举、频率响应特性、传输函数、 零极点、零极点位置图、波特图、密勒效应、正负零点 中图分类号：TN4
单管和双管放大器的频响分析 II 关键词： 单管放大器、共源放大器、源极跟随器、共栅放大器、双管放大器、电流镜、反相 放大器、共源共栅放大器、差分对、零极点偶对、增益自举、频率响应特性、传输函数、 零极点、零极点位置图、波特图、密勒效应、正负零点 中图分类号：TN4
Abstract Many parameters should be taken into consideration because there are so many different specifications in analog circuits.Nevertheless,in most cases,the speed trades with many other parameters including gain,power dissipation,and noise. Meanwhile,due to the need for increasingly higher speed circuits,the demand to push circuits to higher frequencies has always challenged designers.It is therefore necessary to understand the frequency response and speed limitations of each circuit. Most circuits are built up using elementary building blocks such as current mirrors and differential pairs,and in this thesis,only elementary circuits are considered.They have two or sometimes three nodes,and thus their transfer characteristics are second order,or occasionally third order.Second-order systems are discussed in detail because most amplifiers can be well represented by them.In the organization of this thesis,elementary transistor stages are classified by the number of transistors used or we can classify as follows.single-transistor stages:common source amplifier,source follower(common drain amplifier)and common gate amplifier;two-transistor stages: current mirror,CMOS inverter,cascode amplifier and differential pair. Skills are developed for deriving transfer functions of these elementary stages Equations at each nodes are written using the technique of nodal analysis,and then these matrix equations are solved using Cramer's approach.In order to study their high-frequency performance,Bode diagrams and pole-zero position diagrams are used throughout.Bode diagrams are repeated for several values of one single parameter to learn how that parameter in the circuit may influence the performance.A pole-zero position diagram gives the evolution of poles and zeros of a particular transfer function with one single parameter as a variable.It provides insight into the role of that parameter with respect to the high frequency performance and illustrates the regions of instability,pole-zero cancellation points,etc. First,we review the low frequency characteristics of single-transistor amplifier, transistor's high-frequency small-signal model with device capacitances and load capacitances added. 川
III Abstract Many parameters should be taken into consideration because there are so many different specifications in analog circuits. Nevertheless, in most cases, the speed trades with many other parameters including gain, power dissipation, and noise. Meanwhile, due to the need for increasingly higher speed circuits, the demand to push circuits to higher frequencies has always challenged designers. It is therefore necessary to understand the frequency response and speed limitations of each circuit. Most circuits are built up using elementary building blocks such as current mirrors and differential pairs, and in this thesis, only elementary circuits are considered. They have two or sometimes three nodes, and thus their transfer characteristics are second order, or occasionally third order. Second-order systems are discussed in detail because most amplifiers can be well represented by them. In the organization of this thesis, elementary transistor stages are classified by the number of transistors used or we can classify as follows. single-transistor stages: common source amplifier, source follower (common drain amplifier) and common gate amplifier; two-transistor stages: current mirror, CMOS inverter, cascode amplifier and differential pair. Skills are developed for deriving transfer functions of these elementary stages. Equations at each nodes are written using the technique of nodal analysis, and then these matrix equations are solved using Cramer’s approach. In order to study their high-frequency performance, Bode diagrams and pole-zero position diagrams are used throughout. Bode diagrams are repeated for several values of one single parameter to learn how that parameter in the circuit may influence the performance. A pole-zero position diagram gives the evolution of poles and zeros of a particular transfer function with one single parameter as a variable. It provides insight into the role of that parameter with respect to the high frequency performance and illustrates the regions of instability, pole-zero cancellation points, etc. First, we review the low frequency characteristics of single-transistor amplifier, transistor’s high-frequency small-signal model with device capacitances and load capacitances added
单管和双管放大器的频响分析 Second,we analyze the frequency response of single-transistor amplifiers. Although they may seem too elementary to dwell on,single-transistor amplifiers already contain two nodes and they can represent all two-node amplifiers.Source followers can used as impedance converter stages.The buffering capabilities from high to low versus frequency are investigated.Impedance conversion from low to high can be realized by means of common gate stages.Important characteristics including gain,input and output impedance are discussed in detail.Other important phenomena such as pole-splitting are also introduced,even in this simple configuration. Third,the frequency response of two-transistor stages are discussed in detail. Current mirrors are of vital importance in construction of biasing blocks and active loads for amplifying stages.In their simplest form,they also consist of only two transistors.Then,the well-known CMOS inverter is discussed,followed by cascode amplifiers and by differential stages. Finally,we consider the effect of current mirrors on the frequency response of differential pairs where a pole-zero doublet is introduced.It is followed by the gain boosting cascode amplifier and its frequency response is investigated.A detailed example is also given on how to draw a pole-zero diagram. Key Words: Single-transistor amplifier,common source amplifier,source follower,common gate amplifier,two-transistor amplifier,current mirror,CMOS inverter,cascode stage, differential pair,pole-zero doublet,gain-boosting,frequency response characteristics, transfer function,zero,pole,pole-zero position diagram,Bode diagram,Miller effect, positive zero,negative zero Classification Code:TN4 M
单管和双管放大器的频响分析 IV Second, we analyze the frequency response of single-transistor amplifiers. Although they may seem too elementary to dwell on, single-transistor amplifiers already contain two nodes and they can represent all two-node amplifiers. Source followers can used as impedance converter stages. The buffering capabilities from high to low versus frequency are investigated. Impedance conversion from low to high can be realized by means of common gate stages. Important characteristics including gain, input and output impedance are discussed in detail. Other important phenomena such as pole-splitting are also introduced, even in this simple configuration. Third, the frequency response of two-transistor stages are discussed in detail. Current mirrors are of vital importance in construction of biasing blocks and active loads for amplifying stages. In their simplest form, they also consist of only two transistors. Then, the well-known CMOS inverter is discussed, followed by cascode amplifiers and by differential stages. Finally, we consider the effect of current mirrors on the frequency response of differential pairs where a pole-zero doublet is introduced. It is followed by the gain boosting cascode amplifier and its frequency response is investigated. A detailed example is also given on how to draw a pole-zero diagram. Key Words: Single-transistor amplifier, common source amplifier, source follower, common gate amplifier, two-transistor amplifier, current mirror, CMOS inverter, cascode stage, differential pair, pole-zero doublet, gain-boosting, frequency response characteristics, transfer function, zero, pole, pole-zero position diagram, Bode diagram, Miller effect, positive zero, negative zero Classification Code: TN4
第一章绪论 第一章绪论 1.1研究背景 模拟集成电路具有不同的抽象层次：器件物理级、晶体管级、结构级和系统级等。 大多数的模拟集成电路都是由简单的基本电路结构单元搭建的，这些基本单元中有比如 共源放大器、源极跟随器、共栅放大器、共源共栅级、差分对和电流镜等。熟悉并掌握 这些基本单元的特性，对于分析和设计模拟集成电路来说是非常重要的。 比如在所有模拟电路中，运算放大器（简称运放）是最灵活多变的电路单元，它可 以由差分对和单端输出电路构成，增益非常高，常用于反馈环路中。图1-1所示运放包 括以下几个基本单元，第一级是以电流镜为负载的差分对输入端，第二级是以电流源（也 是电流镜的一部分)为负载的单管共源放大器。 B 电流镜 差分对 VOUT 流 单管放大器 图1-1差分输入单端输出Miller运算放大器 噪声 线性度 功耗 增益 输入输出 阻抗、 电源电压 速度←—→电压摆幅 图1-2模拟集成电路设计中的折中 模拟集成电路设计涉及多种不同的性能指标，比如上面举例的运放的重要指标参数 就包括增益、速度、功耗、电源电压、噪声、摆幅和线性度等。实际上这些不同的参数
第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 模拟集成电路具有不同的抽象层次：器件物理级、晶体管级、结构级和系统级等。 大多数的模拟集成电路都是由简单的基本电路结构单元搭建的，这些基本单元中有比如 共源放大器、源极跟随器、共栅放大器、共源共栅级、差分对和电流镜等。熟悉并掌握 这些基本单元的特性，对于分析和设计模拟集成电路来说是非常重要的。 比如在所有模拟电路中，运算放大器（简称运放）是最灵活多变的电路单元，它可 以由差分对和单端输出电路构成，增益非常高，常用于反馈环路中。图 1-1 所示运放包 括以下几个基本单元，第一级是以电流镜为负载的差分对输入端，第二级是以电流源（也 是电流镜的一部分）为负载的单管共源放大器。 1 : B vOUT vIN- vIN+ 电流镜 电流镜 差分对 单管放大器 图 1-1 差分输入单端输出 Miller 运算放大器 噪声 速度 输入输出 阻抗 增益 线性度 功耗 电压摆幅 电源电压 图 1-2 模拟集成电路设计中的折中 模拟集成电路设计涉及多种不同的性能指标，比如上面举例的运放的重要指标参数 就包括增益、速度、功耗、电源电压、噪声、摆幅和线性度等。实际上这些不同的参数
单管和双管放大器的频响分析 之间是相互制约、相互关联的，模拟集成电路设计需要在不同的参数之间进行折中。多 数模拟电路中，速度和其他性能参数，比如功耗、增益、噪声等是相互影响的：可以降 低速度来改善其他性能参数，也可以牺牲其他性能参数来换取速度的提升。因此，熟悉 并掌握每种电路的频率响应特性不仅是必要的，也是十分重要的，这样可以在设计电路 时充分考虑各种折中，有更多选择的余地。 1.2研究内容 在每个电路中，理论上，总是存在从各个节点到地之间的电容，包括寄生电容、器 件输出电容和负载电容等。每个这类电容代表了传输函数中的一个极点，从而在高频范 围引起增益衰减等影响。本论文中考察了基本电路单元的频率响应特性，复杂度限于两 个或者有时三个节点，因此只有两个或三个极点。这导致了两阶或者有时是三阶的传输 函数特性。因为大多数运算放大器是两阶系统，所以本论文将详细讨论两阶系统。为了 研究基本单元电路的高频特性，全文将广泛采用波特图。 电路设计中，研究单个参数的变化对电路特性的影响是非常有益的，本文也将对此 加以研究，并针对参数的几个不同值给出相应的波特图。为了给出指定的传输函数的零 极点随着某个指定参数的变化的相应变化，采用零极点位置图加以说明。这也为分析该 参数对高频特性的影响提供了有力工具。而且，零极点位置图给出了波特图的直接推导 的方法，可以形象地解释不稳定区域（复极点）和零极点抵消等概念。 对基本晶体管级电路有几种不同的划分方式，比如按照晶体管数目划分，也可以按 照节点数目划分（电源和地没有交流信号通过，因此并不考虑）。本论文将重点研究共源 放大器、共漏放大器（源极跟随器）和共栅放大器三种单管放大器和电流镜、CMOS反 相器、共源共栅放大器、差分对等双管放大器（这几种电路的最简单形式都是双管放大 器)的频率响应特性。单管放大器虽然看起来过于简单，但是它己经包含两个节点，即 输入节点和输出节点。它可以代表所有包含两个节点的放大器。增益、输入、输出阻抗 等重要参数将被详细讨论，其他重要现象诸如极点分离等也会在这种简单结构中出现。 由于CMOS是工业界选择的必然倾向，本论文中将主要讨论CMOS电路，而不涉及双 极型晶体管的相关内容。 1.3论文组织 本文的内容安排如下： 第二章回顾共源放大器、源极跟随器（共漏放大器）和共栅放大器三种单管放大器 2
单管和双管放大器的频响分析 2 之间是相互制约、相互关联的，模拟集成电路设计需要在不同的参数之间进行折中。多 数模拟电路中，速度和其他性能参数，比如功耗、增益、噪声等是相互影响的：可以降 低速度来改善其他性能参数，也可以牺牲其他性能参数来换取速度的提升。因此，熟悉 并掌握每种电路的频率响应特性不仅是必要的，也是十分重要的，这样可以在设计电路 时充分考虑各种折中，有更多选择的余地。 1.2 研究内容 在每个电路中，理论上，总是存在从各个节点到地之间的电容，包括寄生电容、器 件输出电容和负载电容等。每个这类电容代表了传输函数中的一个极点，从而在高频范 围引起增益衰减等影响。本论文中考察了基本电路单元的频率响应特性，复杂度限于两 个或者有时三个节点，因此只有两个或三个极点。这导致了两阶或者有时是三阶的传输 函数特性。因为大多数运算放大器是两阶系统，所以本论文将详细讨论两阶系统。为了 研究基本单元电路的高频特性，全文将广泛采用波特图。 电路设计中，研究单个参数的变化对电路特性的影响是非常有益的，本文也将对此 加以研究，并针对参数的几个不同值给出相应的波特图。为了给出指定的传输函数的零 极点随着某个指定参数的变化的相应变化，采用零极点位置图加以说明。这也为分析该 参数对高频特性的影响提供了有力工具。而且，零极点位置图给出了波特图的直接推导 的方法，可以形象地解释不稳定区域（复极点）和零极点抵消等概念。 对基本晶体管级电路有几种不同的划分方式，比如按照晶体管数目划分，也可以按 照节点数目划分（电源和地没有交流信号通过，因此并不考虑）。本论文将重点研究共源 放大器、共漏放大器（源极跟随器）和共栅放大器三种单管放大器和电流镜、CMOS 反 相器、共源共栅放大器、差分对等双管放大器（这几种电路的最简单形式都是双管放大 器）的频率响应特性。单管放大器虽然看起来过于简单，但是它已经包含两个节点，即 输入节点和输出节点。它可以代表所有包含两个节点的放大器。增益、输入、输出阻抗 等重要参数将被详细讨论，其他重要现象诸如极点分离等也会在这种简单结构中出现。 由于 CMOS 是工业界选择的必然倾向，本论文中将主要讨论 CMOS 电路，而不涉及双 极型晶体管的相关内容。 1.3 论文组织 本文的内容安排如下： 第二章回顾共源放大器、源极跟随器（共漏放大器）和共栅放大器三种单管放大器
第一章绪论 的低频特性，即增益和输入、输出阻抗等。然后从器件物理级给出晶体管中的各种寄生 电容，以及这些器件电容在晶体管处于各个工作区时的变化。 第三章研究共源放大器、源极跟随器（共漏放大器）和共栅放大器三种单管放大器 的频响特性。虽然看起来过于简单，但是已经包含两个极点，可以代表所有两阶放大器。 采用波特图和零极点图等方法分析单管放大器中的零极点，以及增益和输入、输出阻抗 等传输函数的频率响应特性。较为详细地介绍了共栅放大器的低频特性，并且介绍了正 负零点、密勒效应、极点分离和零极点相消等现象。 第四章对电流镜（电流放大器）、CMOS反相放大器、共源共栅结构和差分放大器 等双管放大器的频率响应特性进行了详细讨论。其中，对共源共栅结构的一些直流特性 进行了新的阐述。 第五章作为拓展，采用两种方法讨论了以电流镜为负载的差分对的频响特性，然后 讨论了增益自举共源共栅放大器的频率响应特性，并且以此引出并讨论了零极点偶对对 频率响应特性和建立时间的影响。随后，在本章以源极跟随器的增益传输函数为例，详 细给出了如何作零极点位置图的方法。最后对本论文进行总结，并提出研究展望
第一章 绪论 3 的低频特性，即增益和输入、输出阻抗等。然后从器件物理级给出晶体管中的各种寄生 电容，以及这些器件电容在晶体管处于各个工作区时的变化。 第三章研究共源放大器、源极跟随器（共漏放大器）和共栅放大器三种单管放大器 的频响特性。虽然看起来过于简单，但是已经包含两个极点，可以代表所有两阶放大器。 采用波特图和零极点图等方法分析单管放大器中的零极点，以及增益和输入、输出阻抗 等传输函数的频率响应特性。较为详细地介绍了共栅放大器的低频特性，并且介绍了正 负零点、密勒效应、极点分离和零极点相消等现象。 第四章对电流镜（电流放大器）、CMOS 反相放大器、共源共栅结构和差分放大器 等双管放大器的频率响应特性进行了详细讨论。其中，对共源共栅结构的一些直流特性 进行了新的阐述。 第五章作为拓展，采用两种方法讨论了以电流镜为负载的差分对的频响特性，然后 讨论了增益自举共源共栅放大器的频率响应特性，并且以此引出并讨论了零极点偶对对 频率响应特性和建立时间的影响。随后，在本章以源极跟随器的增益传输函数为例，详 细给出了如何作零极点位置图的方法。最后对本论文进行总结，并提出研究展望
第二章单管电路低频特性以及晶体管电容 第二章单管放大器低频特性以及晶体管电容 每个电路中，理论上，总是存在从各个节点到地之间的电容，包括器件电容、负载 电容等。这种电容会在传输函数中形成极点，造成高频处的衰减退化。本章中，我们将 简要回顾共源、共漏、共栅三种单管放大器的低频特性。然后对MOS晶体管器件电容 和高频小信号模型进行讨论。 2.1单管放大器低频特性 在研究单管放大器的频率响应特性之前，先回顾一下它们的低频特性。如图21所 示，共源放大器由电压源VB偏置，跨导9m将输入电压转换为输出电流；共漏放大器（源 极跟随器)和共栅放大器都是由直流电流源B偏置，它们的Vgs可以自我调整，从而电 流有效流过。其中源极跟随器输入在栅极，输出在源极，电流源B保持恒定，Vgs也保 持恒定。因此输入的任何变化将在输出引起相同的变化，其电压增益约为1，输入阻抗 无穷大，输出阻抗较低，适合作为电压缓冲器。源极跟随器可以实现电压从高阻抗到低 阻抗精确的转换。共栅放大器，输入电流加在源极上，输出在漏极，电流增益约为1， 输入阻抗较低，输出阻抗较高，适合作为电流缓冲器。共栅放大器可以实现电流从低阻 抗到高阻抗精确的转换。 (b) (c) Vout Vin lout=in lout =9mVin Rut≈1/gnm Rn≈1/gnm 图2-1三种单管放大器电路结构(a)共源(b)源极跟随器（共漏）(c)共栅 如图2-2所示，给出了共源放大器和源极跟随器的增益和输入、输出阻抗。低频情 况下不考虑电容，输入阻抗无穷大，输出阻抗为纯电阻性。 如图2-3所示，给出了低频情况下，共栅放大器的增益和输入、输出阻抗，其中增 益是用跨阻形式给出的。 5
第二章 单管电路低频特性以及晶体管电容 5 第二章 单管放大器低频特性以及晶体管电容 每个电路中，理论上，总是存在从各个节点到地之间的电容，包括器件电容、负载 电容等。这种电容会在传输函数中形成极点，造成高频处的衰减退化。本章中，我们将 简要回顾共源、共漏、共栅三种单管放大器的低频特性。然后对 MOS 晶体管器件电容 和高频小信号模型进行讨论。 2.1 单管放大器低频特性 在研究单管放大器的频率响应特性之前，先回顾一下它们的低频特性。如图 2-1 所 示，共源放大器由电压源 VB偏置，跨导 gm将输入电压转换为输出电流；共漏放大器（源 极跟随器）和共栅放大器都是由直流电流源 IB偏置，它们的 Vgs 可以自我调整，从而电 流有效流过。其中源极跟随器输入在栅极，输出在源极，电流源 IB 保持恒定，Vgs 也保 持恒定。因此输入的任何变化将在输出引起相同的变化，其电压增益约为 1，输入阻抗 无穷大，输出阻抗较低，适合作为电压缓冲器。源极跟随器可以实现电压从高阻抗到低 阻抗精确的转换。共栅放大器，输入电流加在源极上，输出在漏极，电流增益约为 1， 输入阻抗较低，输出阻抗较高，适合作为电流缓冲器。共栅放大器可以实现电流从低阻 抗到高阻抗精确的转换。 IB iOUT vin VB Rout vOUT IB iin Rin iOUT vin VB (a) (b) (c) 图 2-1 三种单管放大器电路结构 (a) 共源 (b) 源极跟随器(共漏) (c) 共栅 如图 2-2 所示，给出了共源放大器和源极跟随器的增益和输入、输出阻抗。低频情 况下不考虑电容，输入阻抗无穷大，输出阻抗为纯电阻性。 如图 2-3 所示，给出了低频情况下，共栅放大器的增益和输入、输出阻抗，其中增 益是用跨阻形式给出的。 out m in i g v out in out m 1/ v v R g out in in m 1/ i i R g
