放大電路的基礎(chǔ)—單級(jí)放大器（1）

放大是模擬電路的基本功能之一，是運(yùn)算放大器、功率放大器、低噪聲放大器等模塊的主要功能。本文將討論放大電路的基礎(chǔ)——單級(jí)放大器。

根據(jù)輸入輸出信號(hào)的位置，單級(jí)放大器可以分為具有不同特點(diǎn)四大類：共源、共漏（源跟隨器）、共柵以及共源共柵。根據(jù)放大器的負(fù)載不同，同類的單級(jí)放大器也具有不同的特點(diǎn)。

我的想法是寫一篇通俗易懂的文章，對(duì)于單級(jí)放大器的分析，我想可以從MOS工作條件以及增益的推導(dǎo)兩個(gè)方面展開。

一、共源級(jí)（Common-Sourse Stage）

共源級(jí)放大器將MOS管柵極輸入信號(hào)（柵源電壓的變化）轉(zhuǎn)化成MOS管漏極輸出信號(hào)（漏極電流變化），電流變化通過負(fù)載從而產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)。

1.電阻負(fù)載的共源級(jí)

圖1.1.1 電阻負(fù)載的共源級(jí)

對(duì)于放大電路，我們關(guān)心用作放大的MOS是否工作在飽和區(qū)。

先考慮工作條件，M1工作在飽和區(qū)：Vin不能太小，為了確保M1導(dǎo)通，必須有Vin>VTH；Vin也不能太大，為了確保M1不進(jìn)入線性區(qū)，必須有Vin-VTH

Vin>VTH1

Vin-VTH1out

對(duì)于放大電路，增益是我們需要關(guān)心的指標(biāo)。

不做數(shù)學(xué)推導(dǎo)，我們從物理上理解放大器產(chǎn)生增益的原理：小信號(hào)電壓Vin由M1的柵極輸入，由M1的跨導(dǎo)轉(zhuǎn)化成小信號(hào)電流經(jīng)過負(fù)載產(chǎn)生輸出電壓。那我們想知道增益，就只需要知道MOS的跨導(dǎo)以及負(fù)載等效電阻。

小信號(hào)電流：

Iout=gm1Vin

負(fù)載為M1與RD并聯(lián)：

Rout=RD||ro1

輸出電壓：

V out =IoutR **out=gm1Vin(RD||ro1) **

那么增益的大小就是：

|Av|=Vout/Vin=gm1(RD||ro1) ****

輸出電流與輸出電壓參考方向不同，輸入與輸出是反相的。

Av=-gm1(RD||ro1) ****

2.二極管連接型器件作為負(fù)載的共源級(jí)

圖1.2.1 二極管連接型器件作為負(fù)載的共源級(jí)

電阻負(fù)載的共源級(jí)雖然簡單，但CMOS工藝制作的電阻精確度往往很低，在實(shí)際工程中很少用到。而使用CMOS工藝制作一個(gè)晶體管是非常簡單的，因此可以用圖1.2.1中的二極管連接型MOS替代電阻作為負(fù)載。

考慮工作條件：

若電路能導(dǎo)通，M2作為二極管連接型器件無條件滿足工作在飽和區(qū)；M1工作在飽和區(qū)需滿足：

Vin>VTH1

** Vin-VTH1outDD -V**TH2

討論增益：

M2的襯底與源極存在電位差，需考慮襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)），利用與推導(dǎo)電阻負(fù)載的共源級(jí)的方法可以得到二極管連接型器件作為負(fù)載的共源級(jí)的增益：

Av=-gm1[1/(gm2******+g mb2 ) ||ro1]**********

電阻ro1較大，并聯(lián)時(shí)可簡化忽略：

** Av=-gm1 **/(g m2 +g mb2 )

這個(gè)增益一般很小，兩個(gè)MOS的跨導(dǎo)的比值也就是兩個(gè)MOS的尺寸的比值，若要實(shí)現(xiàn)100倍、1000倍甚至更大的增益，兩個(gè)MOS的尺寸之比就會(huì)很大。

對(duì)于二極管連接型器件作為負(fù)載的共源級(jí)，拉扎維在第52頁還提出了一個(gè)蠻有意思的問題，值得大家去思考一下。

3.電流源負(fù)載的共源級(jí)

圖1.3.1 電流源負(fù)載的共源級(jí)

二極管連接型器件作為負(fù)載的共源級(jí)增益一般做不大，分析到這里，我們已經(jīng)明白要提高增益的其中一個(gè)思路就是提高負(fù)載等效電阻，那我們把負(fù)各種各樣可以放上去的負(fù)載一個(gè)一個(gè)試一下不就行了嘛！那我們放個(gè)工作在飽和區(qū)的MOS試試：

考慮工作條件：

很熟悉了，直接寫：

Vin>VTH1，VDD-Vb ** >|VTH2 ** |

** Vin-VTH1out******< VDD-|V b -V DD -V TH2 | ********

討論增益：

負(fù)載為M1與M2的并聯(lián)，負(fù)載等效電阻為：

Rout=ro1||ro2************

增益：

********** Av=-gm1(ro1||ro2******************** ) **************

ro1與ro2與溝道長度調(diào)制效應(yīng)有關(guān)，正比于器件的溝道長度，增大L可以進(jìn)一步提高增益，但代價(jià)就是版圖面積增加。

4.線性區(qū)MOS負(fù)載的共源級(jí)

圖1.4.1 線性區(qū)MOS負(fù)載的共源級(jí)

與電流源負(fù)載的共源級(jí)一樣的電路，不同點(diǎn)在于M2工作在線性區(qū)。此時(shí)M2為壓控電阻，通過調(diào)節(jié)Vb實(shí)現(xiàn)不同大小的電阻，與電阻負(fù)載的共源級(jí)沒有本質(zhì)上的不同。那是不是就可以解決CMOS工藝制作電阻不精確的問題了呢？別高興太早，在模擬集成電路中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)精準(zhǔn)的偏置電壓Vb其實(shí)并不容易。 外界條件，尤其是溫度對(duì)器件的影響很大，而實(shí)現(xiàn)一個(gè)與溫度無關(guān)的偏置電壓需要更加復(fù)雜的電路實(shí)現(xiàn) 。