电子电路大全(PDF格式)-第60部分
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ds 2 m 2 1 ds 2 ds3 OUT （5…2）
v / v
求解得出 out in 为：
v …g （g ＋g ） …g ' 1
2K W
out = m1 ds 2 m 2 m1 =…（ 1 ）2
v g g ＋g g ＋g g ＋g g g L I λ2
in ds1 dds 2 ds1 ds 3 ds 2 ds 3 ds 2 m 2 ds 3 1 D 3
（5…3）
r
我们可以用图 5…1 所示共源共栅电流漏（M1 和M2）的小信号输出阻抗与 ds 3 并联来求
输出电阻。因此，共源共栅放大器的小信号输出电阻为：
r =＇r ＋r ＋g r r ＇ &r r
out ds 1 ds 2 m 2 ds 1 ds 2 ds 3 ds 3 （5…4）
我们将看到如何利用共源共栅放大器在满足增益的条件下增加电势的优点。
我们进一步主要到小信号增益对偏置电流同样有依赖性。由式（5…1）和式（5…2）得出：
v1 …gm1（gds 2 ＋gm 2 ）
=
vin gds1gdds 2 ＋gds1gds 3 ＋gds 2 gds 3 ＋gds 2 gm 2
gds2 ＋gds3 …gm1 …2gm1 WL 1
≈（ ）（ ） =…2（ 1 2 ）2
gds gm gm LW
3 2 3 1 2
（5…5）
g =g v / v
可以看出，如果M1 和M2 的宽长比相同且 ds 2 ds3 ，那么， 1 in 近似为…2。
增益为…2 的原因不明显，通常我们希望从M2 的源极看进去的电阻是1/gm 2 。然而，这
R
里显然不是这种情况。让我们进一步观察图 5…1 中电阻 s 2 ，这是一个从M2 的源极点进去
的电阻。此计算的小信号模型如图 5…3 所示，图中忽略了体效应（gmbs 2 =0 ）。
R
为了求解图 5…3 中所示的 s 2 值，我们首先写出了一个电压环路是：
v =（i …g v ）r ＋i r =i （r ＋r ） …g r v
s 2 1 m 2 s 2 ds 2 1 ds3 1 ds 2 ds3 m2 ds 2 s 2 （5…6）
v i
为求 s 2 1
与 的比值，解这个等式得到：
v r ＋ r
s 2 d s 2 d s 3
R = =
s 2
i1 1 ＋ g m 2 rds 2 （5…7）
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r ≈r R
我们看到如果 ds 2 ds3 ， s 2 正好
等于 2 / gm 2 。于是，如果gm1 ≈gm 2 ，
则从图 5…1 中所示共源共栅放大器的输
出到M1 的漏极或M2 的源极的电压增益
近似为…2。我们注意到一个重要的规则，
R 从MOSFET的源极看进去的小信号电阻与
图 5…3 用于计算 s 2 的小信号模型
管子漏极到交流地的电阻有关。
让我们进一步用观察法来说明图 5…1 共源共栅放大器的小信号电流流进M1 的漏极。在
v g v
这个电路中，输入信号 in 作用到M1 的栅…源极，这引起 m1 in 的小信号电流流进M1 的漏极，
r g r
这个电流流过M2 在输出端得到电压，该点是M2 和M3 的漏极连接点，其电阻是 ds 1 m 2 ds 2 和
r r g r r R ≈r
ds 3 的并联。因为 ds 1 m 2 ds 2 大于 ds 3 ，因此 out ds3 。
5。2 共源共栅放大器的设计流程
共源共栅级的普及有两个主要原因。第一个主要原因是它们由于大输出阻抗，对单级
有相当大的增益。为了得到这个高增益，与输出节点相连的镜像电流源可以用高质量共源
共栅镜像电流源实现。通常，得到这个高增益不会导致任何速度降低，而且有时还会提高
速度。使用共源共栅级的第二个主要原因是它们限制了输入驱动晶体管上的电压。这最小
化了任何短沟道效应，它在使用的晶体管沟道长度非常短的现代技术中越来越重要。
对如图的共源共栅放大器，设计参数为W1/L1、W2/L2、W3/L3、直流电流和偏置电压。
V
下图显示了放大器各个参数设计的关系式。共源共栅放大器的典型指标是 DD 、小信号增
A P
益 V 、最大和最小输出电压摆幅Vout（最大）和Vout（最小）以及功耗 diss 。
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图 5…4 共源共栅放大器结构
5。3 设计实例及 HSPICE 仿真分析
vOUT （max） =4V vOUT （min） =1。5V
共源共栅放大器指标为：Av =…50V/V ， ， ，VDD=5V，
Pdiss=1mW。 要求在 10pF负载上的摆率大于等于 10V/μs。
（1）设计过程
在设计中，不是所有的指标都重要且必须完全满足的。比如供电要求是 5V，但是如因
某种原因输出摆幅可以超过设计要求。让我们从直流电流开始分析。摆率和功耗都会影响
直流电流。摆率要求电流大于 100μA ，功耗要求小于 200μA。我们折中取 150μA。
首先从M3 开始，因为唯一不知道的就是W3/L3，根据关系式，求得：
W3 2 I 2 ×150
= = =6
L3 Kp 'VDD …vOUT （最大）2 50（1）2
设计图左上角的关系式给出I＝IBIAS时W4/L4＝W3/L3。接下来用设计图右下角的关系
式确定W1/L1：
2 2
W1 （Avλ ） I （50×0。05） ×150
= 3 = =4。26
L1 2K ' 2×110
N
为了设计W2/L2，首先计算VDS1（饱和），并用vOUT（最小）来确定VDS2（饱和）。求解
VDS1（饱和）得：
2I 2 ×150
饱和＝ = =
V （ ） 0。8V
DS 1
K N '（W 1/ L1） 110 ×4。26
用 1。5V减去这个值得VDS2（饱和）＝0。7V。因此，W2/L2 为：
40
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W2 2 I 2 ×150
= ＝ =5。57
L 2 K N 'VDS 2 （饱和）2 110 ×0。72
最后，用设计图左下角的关系式给出VGG2 的值：
2I
V =V （饱和） ＋ ＋V =0。8V ＋0。7V ＋0。7V =2。2V
GG2 DS1 TN
K N '（W 2 / L 2）
这个例子说明改变各个管的W/L可以得到 2。5V的输出电压范围且使所有管子都工
作在饱和区。共源共栅放大器给了设计者比反相放大器更多的对小信号性能的控制能力。
另外，单级共源共栅电路可以在恰当地确定主极点的情况下提供非常高的电压增益。
（2）网表
EX5。1 a Cascode Amplifier
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
m1 2 1 0 0 NMOSl l= 1u w=4。26u
m2 4 3 2 2 NMOSl l= 1u w=5。57u
m3 4 5 6 6 PMOSl l= 1u w=6u
m4 5 5 6 6 PMOSl l= 1u w=6u
ibias 5 0 dc 150u
*rset 5 0 11。33k ？？？
cl 4 0 10pf
vdd 6 0 5
vgg 3 0 dc 2。2
*vref 5 0 dc 3。3
vi1 1 0 DC 1。5 ac 1
。op
*。tran 1ms 30ms
。ac DEC 10 1 10MEG
。print vdb（4）
。MODEL NMOSl NMOS VTO=0。70 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
＋MJ=0。5 MJSW=0。38 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=770U CJSW=380P
＋LD=0。016U TOX=14N
。MODEL PMOSl PMOS VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
＋MJ=0。5 MJSW=0。35 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=560U CJSW=350P
＋LD=0。014U TOX=14N
。END
（3）仿真结果
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图 5…5 共源共栅放大器仿真输出
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第 6 章 源级跟随电路分析与设计
反相器、差分放大器和共源共栅放大器的共同特点是输出电阻大，但当负载是由一个
小电阻和大电容组成时，就不希望输出电阻太大。要在小的负载电阻上取得较大的输出电
压摆幅，就要求很大的电流。一个大负载电容也要求很大的输出电流来提供所需的充电电
流，才能满足瞬态响应的要求。为了在稳态或瞬态偏压下提供足够的输出电流，就必须采
用低阻输出级。
输出放大器的主要目的是有效的将信号提供给输出负载。输出负载可由电阻、电容或
二者并联构成。一般来说，输出电阻较小，在 50～1000Ω范围内；输出电容较大，在 5～
1000pF范围内。输出放大器应该有能力给这些负载提供足够的信号（电压、电流或功率）。
输出放大器驱动低负载电阻主要需要有一个小�
