共源共栅放大器.doc

共源共栅放大器

姓名：郭 佛 威
学号：2140320071

共源共栅放大器
　　源共栅放大器又称为级联放大器，是共源极和共栅极的级联。
由于共源放大级把电压信号转换为电流信号，而共栅放大级的输入信号为电流信号，故可把共源与共栅放大电路级联起来构成了共源共栅放大器，如右图所示。M1产生正比于Vin的小信号漏 电流而M2电流流过RD，M1为输入器件，M2为级联器件， 且M1与M2具有相同的电流。
偏置条件：M1和M2均工作在饱和区即 Vb ≥ Vin + VGS2 -VTH1；
Vout ≥ Vin -VTH1+VGS2-VTH2

1.共源共栅——大信号特性分析：
　　　　　输入—输出特性曲线

1.1大信号特性：
　　Vin ≤VTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD,且VX ≈ Vb -VTH2 (忽略亚阈值导通)；当Vin≥VTH1，M1产生电流，Vout则降低，VGS2上升而VX下降。
　　Vin>VTH1，开始出现电流，Vout下降，VX下降，到一定值时M1或M2 进入线性区，增益（Vout曲线的斜率）减小。
1.2输出摆幅：

M1工作在饱和区：
　　VA=Vb-VGS2≥Vov1=Vin-Vt1 Vb≥Vin+VGS2-Vt1
M2工作在饱和区：Vout≥Vb-Vt2≥Vin+VGS2-Vt1-Vt2=Vov1+Vov2
为了使M4工作在饱和区：Vout<VDD-|VGS4-VTH4|
所以输出摆幅为：Von1+Von2<Vout<VDD-|VGS4-VTH4|
2.共源共栅级______小信号特性
2.1增益:
当两个晶体管工作在饱和区时；假设两个管子的λ均等于 0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅级电路，所以AV=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin，而V1= Vin ，所以AV=-gm1RD。
　　当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。
2.2输出阻抗：
　可将电路看成带有负反馈电阻ro1的共源级，如下图所示：

　　上式表明串接了M2使M1的输出阻抗为原来(gm2+ gmb2) ro2倍，即输出阻抗大大增大，这是共源共栅放大器的一个最大特点，对提高放大器小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利。
３．电流源负载的共源共栅级增益

　　由上式可知，电流源负载型共源共栅比电流源负载的共源级的增益增大了 倍。所以经常用共源共栅结构来提高增益。
４．增加L与采用共源共栅结构来提高增益的比较
提高增益的两种方法：
1、采用共源共栅增大增益；
2、在给定的偏置电流情况下通过增大输入晶体管的长度来增大增益 。
假设共源级的输入管的长度变为原来的四倍而宽度保持不变，

　　由上式可知：L增大四倍的结果只是使gmro的值增大两倍。缺点：为了保证电流相等，在增大输入管的沟道长度时，必须增大输入管的过驱动电压。所以其最小输出电压也提高，输出电压摆幅减小。
　　而采用共源共栅结构却使得输出阻抗大约增大gmro倍。缺点是其输出电压的最小值为两个过驱动电压。

５．共源共栅级的屏蔽特性

　　Vout端有△Vout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变

　　由上式可知：当共源共栅的输出节点电压改变ΔVX时，由于共源共栅结构具有高输出阻抗特性，因此只会引起ΔVX 发生很小的变化，即输入器件的工作状态不受输出电压变化的影响，这就是所谓的共源共栅的屏蔽特性。
６．折叠式共源共栅
　　共源共栅级由共源级实现电压到电流的转换，然后电流信号加到共栅级的源端。因此，构成共源共栅级时共源管和共栅管类型可以不同。
如左图所示，M1是输入器件，PMOS
　　　　M2是共源共栅器件，NMOS
　　　I1为直流偏置电流源
　　特点：1.Vin和Vout的电平可以是相近的；
2.增益和输出阻抗的计算跟共源共栅放大器相同，略小一些。

７．折叠式共源共栅放大器大信号特性
假定Vin从电源电压下降：
①当Vin>VDD-|VTH1|，那么M1截止，电流I1全部流过M2，即，

②当Vin<VDD-|VTH1|，M1开启并处于饱和区，

随着Vin ↓，ID1↑ ID2 ↓，
③当ID1=I1时，ID2最终变为0，这时M1进入线性区。

８．共源共栅放大器频率特性分析
　　采用节点近似法分析：共有三个节点，分别为A、X、Y
　　节点A：密勒近似

节点X：密勒近似

↖
节点Y：密勒近似

　　在这三个极点中，其中 一般不考虑，在设计电路时， 选择在高频处。因此： 是主极点，传输函数是单极点函数。
９．共源共栅放大器频率特性的仿真

１０．共源共栅级总结
优点
　　1.输出阻抗高
　　2.增益高，常用来提高增益
　　3.具有屏蔽特性
不足
1.输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损失，这在低电源电压运用中是致命的缺点
2.折叠式共源共栅级直流功耗大