第三章3.2-3.2.4基本放大单元电路 2.直流传输特性曲线 v↑ csoz+D2《Vp wos: spofc osi Vn VI GS(th) 区:0(小),A'→B点 ③区:VuV12导通(可变电阻区),T2导通,D→N 第三章-3.2-3.2.4基本放大单元电路 三种放大电路传输特性的比较 vo/ 10 E/D 5 cMOSE/E /V 246 V 1 2
1 1 清华大学电子工程系李冬梅 2. 直流传输特性曲线 c区：νI 0(小)，A′→B点 e区：VI1VI2，T1导通(可变电阻区)， T2导通，D→N A B 0 iD1 vDS1 D VGSQ1 N VGSQ2 -vDS2 iD2 V VCC VDSQ1 SDQ2 Q vO A VDD B 0 D vI A′ 1 3 4 VGS(th)1 VI1 VI2 2 T2 T1 v1 v0 VDD VG 第三章-3.2 -3.2.4 基本放大单元电路 2 清华大学电子工程系李冬梅 三种放大电路传输特性的比较 第三章-3.2 -3.2.4 基本放大单元电路 5 10 2 4 6 E/D CMOS E/E v1/V v0/V
第三章3.,2-3.2.4基本放大单元电路 4.共源-共栅组合放大电路( Cascode) (1)电路形式 (2)动态特性 电压增益Ay Ay=AVIAv? ≈ gilray∥(I/gmh) 输出电阻R。 R≈rdsy∥(1/gmb (3)电路的改进 3 第三章 33MOS管电流源 331耗尽型单管电流源(或结型) 无电阻型 ↓L DSS Q 忽略沟道长度调制效应 小 D Ro= Ta 加大
2 3 清华大学电子工程系李冬梅 4. 共源-共栅组合放大电路（Cascode） (1) 电路形式 (2) 动态特性 •电压增益AV AV =AV1AV2 ≈-gm1[rds3//( 1/ gmb3)] •输出电阻Ro Ro ≈ rds3//(1/gmb3) (3) 电路的改进 第三章-3.2 -3.2.4 基本放大单元电路 VDD V0 VG T1 T2 T3 T4 VDD V0 VG T1 T2 T3 T4 4 清华大学电子工程系李冬梅 3.3 MOS管电流源 ID i D vDS Q iD 0 vGS=0 IDSS O ds R = r 忽略沟道长度调制效应 D DSS I ≈ I 加大 小小 !! 第三章 3.3.1 耗尽型单管电流源(或结型) z 无电阻型
第三章3.3MOS管电流源 3.31耗尽型单管电流源(或结型)(续) 自生偏压型 耗尽型、R的大小 结型 调节ID d、的 R R+(-8n es)ras R R R+1 8m( 静态:D≈ K w 大 s or) 风2=R+Q+gnR)=(+gRy 第三章3.3MOS管电流源 332MOs基本电流源R2 T1、T2工作在饱和区 参数对称 Ⅴcs、相等 n,=l H VasI-Vasaw (1+\,VD 1m=0=H1(a-1+m)□ Oe,/L2(1+ pz2 (W,/L)(+AV 6
3 5 清华大学电子工程系李冬梅 z 自生偏压型 ID R (a) + _ V gs . gmV gs . I . I . V . R + _ rds (b) ( ) ( ) GS D GS GS off P D V RI V V L K W I = − ≈ − 2 2 静态: 耗尽型、 结型 耗尽型、 结型 R的大小 调节ID R的大小 调节ID ( ) ( ) O m ds m ds R = R + 1+ g R r ≈ 1+ g R r 大大!! 第三章-3.3 MOS管电流源 3.3.1 耗尽型单管电流源(或结型)（续） I IR I g V r I V R m gs ds O & & & & & & + ( − ) = = ds m gs r I g V R ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = + + & & ( ) 1 6 清华大学电子工程系李冬梅 3.3.2 MOS基本电流源 IR T1 T2 R r I0 ( ) ( ) ( ) 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 GS GS th DS p D R V V V L k W I = I = ⋅ − +λ ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 GS GS th DS p D O V V V L k W I = I = ⋅ − +λ ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 ( / ) 1 ( / ) 1 DS DS R O W L V W L V I I λ λ + + = T1、T2工作在饱和区 参数对称： VGS(th)、λ相等 第三章-3.3 MOS管电流源
第三章3.3MOS管电流源 R ·忽略沟道长度调制效 应,且w2L2 则:I=l-镜像电流源 W2/L2≠W1/L1 则 (W2/L2) (H: /L 1+ Aym) (W1/L1) 比例电流源 ≠0,V v+v DS2 1+V d s 2 则 + 已的产生:R有源负载 (1+ANsi 电流微小差别 第三章-3.3MOS管电流源 333威尔逊电流源 条件:gm2>g, 8ml-gm2-8 大 orgmrldslre T1上串接T4 使 消除沟道长度调 制效应
4 7 清华大学电子工程系李冬梅 第三章-3.3 MOS管电流源 IR T1 T2 Rr I0 ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 ( / ) 1 ( / ) 1 DS DS R O W L V W L V I I λ λ + + = • 忽略沟道长度调制效 应，且W2/L2=W1/L1 则：IO=IR----镜像电流源 • 忽略沟道长度调制效 应，且W2/L2=W1/L1 则：IO=IR----镜像电流源 • W2/L2 ≠ W1/L1 则： ----比例电流源 • W2/L2 ≠ W1/L1 则： ----比例电流源 O R I W L W L I ( / ) ( / ) 1 1 2 2 = • λ ≠ 0，VDS1 ≠ VDS2 则： ----电流微小差别 • λ ≠ 0，VDS1 ≠ VDS2 则： ----电流微小差别 R DS DS O I V λV I (1 ) (1 ) 1 2 +λ + = 2 2 2 2 2 1 D DS D A DS O ds λI λV I V V R r + = + = = •IR的产生：Rr •IR的产生：Rr---- ----有源负载 有源负载 8 清华大学电子工程系李冬梅 3.3.3 威尔逊电流源 T1 T2 T3 I I 0 R RO≈ gm1rds1rds3 条件：gm2 >> gds2, gm1rds1 >> 1, gm1 = gm2 = gm3 大！大！ T1上串接T4， 使VDS1=VDS2， 消除沟道长度调 制效应！ T1上串接T4， 使VDS1=VDS2， 消除沟道长度调 制效应！ 第三章-3.3 MOS管电流源 G3 D3 S3 G1, G2 D2 S1, S2 Vgs3 Vgs1 Vds1 Vds2 Vds3 gm1Vgs1 gm3Vgs3 gmb3Vbs3 rds2 rds1 rds3 1/gm2 V D1
第三章 34MOS差分放大电路 E/E型NMOS差放 差模:单边 等效电路 AD=-n,R1=-gm(m∥r) g 8m| ∥-∥ 8m3 8mb3 9 第三章3.4MOS差分放大电路 共模 R 单边等效电路 g, R=2 v R R
5 9 清华大学电子工程系李冬梅 3.4 MOS差分放大电路 差模：单边 等效电路 T3 vi1 vo VDD T4 vi2 T1 T2 T5 VG -VSS I T SS 3 vi1 vo VDD T1 ' AVD = −gm1RL g (r // r) = − m1 ds1 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − ds3 m3 mb3 m1 ds1 // r g 1 // g 1 g r // m3 m1 g g ≈ − 第三章 E/E 型 NMOS 差放 10 清华大学电子工程系李冬梅 第三章-3.4 MOS差分放大电路 共模： 单边等效电路 T3 vi1 vo VDD T4 vi2 T1 T2 T5 VG -VSS ISS gmb1Vbs 1 G + - + - Vbs1 vi Vgs1 gm1Vgs1 RD R S D B RD vi1 R VDD T1 vO 5 3 2 1 ds m D R r g R = ≈
第三章3AMO整公放士由 共模 单边等效电路Dg灬如Wo片T R=2 ds 5 R gn R on v 1+(I+numer 8mb bs/ +8mlgsl R Rp 1+(Ⅰ+m1)gm·2hs R 第三章3.4MOS差分放大电路 共模抑制比 Ayp g lVDI 8m1/8m3 l+(1+n1)gm2 1-)/( Avci 28m3 1+(1+n1)gmI. 2ra 2 +(1+m1)gm·2ksl
6 11 清华大学电子工程系李冬梅 第三章-3.4 MOS差分放大电路 共模： 单边等效电路 T3 vi1 vo VDD T4 vi2 T1 T2 T5 VG -VSS ISS gs1 i Vbs V = v + gmb1Vbs 1 G + - + - Vbs1 vi Vgs1 gm1Vgs1 RD R S D B R V g V g V bs1 mb1 bs1 + m1 gs1 = − D bs O R R V v = RD vi1 R VDD T1 vO 5 3 2 1 ds m D R r g R = ≈ 1 ( 1 )g R g R A 1 m1 m1 D VC1 + +η = − 1 m1 ds5 m1 m3 1 ( 1 )g 2r g / g + + ⋅ = − η m mb g g η = 12 清华大学电子工程系李冬梅 第三章-3.4 MOS差分放大电路 共模抑制比 T3 vi1 vo VD T D 4 vi2 T1 T2 T5 VG -VSS ISS 1 1 5 1 3 1 1 (1 ) 2 / m ds m m VC g r g g A + +η = − ) 1 (1 ) 2 / )/( 2 ( 1 1 5 1 3 3 1 1 1 m ds m m m m VC VD CMR g r g g g g A A K + + ⋅ = = η 3 1 m m VD g g A ≈ − 3 1 1 2 m m VD g g A ≈ − [1 (1 ) 2 ] 2 1 1 m1 ds5 = ⋅ + +η g ⋅ r
第三章3.4MOS差分放大电路 E/D型NMOS差放 差模:A0=-gm g 738m 共模: 1+(I+numer g +(1+71)8m·2 CMOS差放 直流传输特性 iD 限幅区 线性输入 k n 分界点LP范围大 4L k,w k n IDi v k Lop =pI-D 2L k, H
7 13 清华大学电子工程系李冬梅 E/D 型 NMOS 差放 差模： mb3 VD m1 g 1 A = −g ⋅ 共模： 1 ( 1 )g R g R A 1 m1 m1 D VC1 + +η = − 1 m1 ds5 mb3 m1 1 ( 1 )g 2r g 1 g + + ⋅ ⋅ = − η m3 m1 3 g 1 g η = − VDD T3 vi1 vo T4 vi2 T1 T2 T5 VG -VSS ISS 第三章-3.4 MOS差分放大电路 14 清华大学电子工程系李冬梅 CMOS差放： vID i OD ISS -ISS O ( ) ( )2 GS 1 GS th p D 1 v V L W 2 k i = ⋅ − ( ) ( )2 GS 2 GS th p D 2 v V L W 2 k i = ⋅ − 限幅区 分界点 1. 直流传输特性 ID I 1 I 2 GS1 GS2 v = v − v = v − v D1 D2 SS i + i = I 2 ID p p ID SS OD D1 D2 2 ID p SS p ID SS D2 2 ID p SS p ID SS D1 v k W 4LI 2L k W v i i i v k W 4LI 4L k W v 2 I i v k W 4LI 4L k W v 2 I i − ⋅ = − = − ⋅ = − − ⋅ = + k W LI p 2 SS k W LI p SS 2 − 线性输入 范围大 第三章-3.4 MOS差分放大电路 VDD i OD v0 v12 v11 -VSS ISS T1 T2 T3 T4 C1
第三章3.4MOS差分放大电路 2.动态特性 忽略λ时 lai=gmvi LcI Ia2 =8m?i2=-8mlvil 2in,=2 R ∥r √fn2x(m2/rh)1(C+C A4n="0=gm(a∥m2 MOS差放特点 Ra大,输入电流小 R=4∥k2 输入线性范围大 失调电压大、增益低 第三章 35CMOS输出级(互补输出级 1.CD(共漏)CMOS输出级 Vesa+VGs=VGsItV Gs2 小 T3 T2 DD DS6 GSI 8
8 15 清华大学电子工程系李冬梅 2．动态特性 VDD i OD v0 v12 v11 -VSS ISS T1 T2 T3 T4 C1 忽略λ时 ( ) m1 i1 i 2 od d 1 d 2 d 1 m1 i1 d 2 m2 i2 m1 i1 d 1 m1 i1 g v v i i i 2i 2g v i g v g v i g v = − = − = = = = − = ( ) O ds4 ds2 m1 ds4 ds2 id O VD ds4 ds2 ' L R r // r g r // r v v A R r // r = = = = MOS差放特点 •Rid大，输入电流小 •输入线性范围大 •失调电压大、增益低 MOS差放特点 •Rid大，输入电流小 •输入线性范围大 •失调电压大、增益低 第三章-3.4 MOS差分放大电路 2 ( // ) ( ) 1 ds2 ds4 L n H r r C C f ⋅ + ≈ π 16 清华大学电子工程系李冬梅 3.5 CMOS输出级（互补输出级） VDD -VSS v0 T2 T1 T3 T4 T5 v1 VG T6 VGS3+VGS4=VGS1+VGS2 •RO小 •AV<1 •Vom小 Vom=VDD-VDS6-VGS1 1. CD（共漏）CMOS输出级 第三章
第三章3.4MOS差分放大电路 2.CS(共源)CMOS输出级 直流: GS2 动态: n电压放大 动态范围大 输出电阻大,带 负载能力有限 第三章 3.6模拟开关 ■什么是模拟开关 受控电子开关 要求 闭合:RoN→0v≈v 关断:R 组成 BJT:速度快 MOSFET:简单、Ro小,Ra大
9 17 清华大学电子工程系李冬梅 2. CS（共源）CMOS输出级 VDD -VSS v0 v1 T3 T2 T1 I0 直流： VGS1=VG3-VDD VGS2=VS3+VSS VS3=VG3-VGS3 动态： vI↑ vGS1↑ vGS2↑ vO↓ iD2↑ iD1↓ vI↓ vO↑ •电压放大 •动态范围大 •输出电阻大，带 负载能力有限 第三章-3.4 MOS差分放大电路 18 清华大学电子工程系李冬梅 3.6 模拟开关 第三章 什么是模拟开关 ------受控电子开关 要求 闭合：RON → 0 vo ≈ vI 关断：Roff → ∞ vo ≈ 0 组成 BJT：速度快 MOSFET：简单、 RON 小，Roff 大
第三章3.6模拟开关 36.1单通道MOS开关 工作原理 时 T导通,vs≈0,vo≈V v=Ⅴ1时,"s=Ⅴa-"1<Ⅴs),T截止,i≈0,"≈0 特点: -GL GS(th)VI< VcHV 窄! 与v有关 1↑→↓→Ran↑ 只适合直流电阻很高的负载!有失真。 D、S可互换,双向开关
10 19 清华大学电子工程系李冬梅 3.6.1 单通道MOS开关 vO VG vI 1. 工作原理 VG=VGH时，vGS=VGH-vI > VGS(th) T导通，vDS ≈ 0, vO ≈ vI VG=VGL时，vGS=VGL-vI < VGS(th) , T截止，iD ≈ 0, vO ≈ 0 特点： VGL-VGS(th) < vI < VGH-VGS(th) ----窄！ Ron与vI有关 vI↑ → vGS↓ → Ron↑ 只适合直流电阻很高的负载！有失真。 D、S可互换，双向开关 特点： VGL-VGS(th) < vI < VGH-VGS(th) ----窄！ Ron与vI有关 vI↑ → vGS↓ → Ron↑ 只适合直流电阻很高的负载！有失真。 D、S可互换，双向开关 第三章-3.6 模拟开关