网站全网建设莱芜,网站的建设主题,网站高中建设工具,企业文化vi设计电子技术——共源共栅放大器 之前我们提到过#xff0c;提高基础增益单元#xff08;共源放大器#xff09;的一种方法是提高其 ror_oro 的阻值#xff0c;之后我们学过共栅放大器作为电流缓冲器可以做到这一点#xff0c;自然地我们就得到了终极解决方案#xff0c;也…电子技术——共源共栅放大器 之前我们提到过提高基础增益单元共源放大器的一种方法是提高其 ror_oro 的阻值之后我们学过共栅放大器作为电流缓冲器可以做到这一点自然地我们就得到了终极解决方案也就是共源共栅放大器。
共源共栅结构
共源共栅结构指的是共源放大器作为主要增益单元共栅放大器作为电流缓冲器下图展示了这种结构 这里 Q1Q_1Q1 是放大器省略了DC偏置 Q2Q_2Q2 作为电流缓冲器偏置在 VG2V_{G2}VG2 信号地上。之后我们会介绍同样的BJT版本的结构。
之前我们知道电流缓冲器的电流不变将输出阻抗提升了 KKK 倍因此共源共栅结构的一种抽象表示如右图。
MOS共源共栅结构
下图展示了一个理想的MOS共源共栅结构使用一个理想电流源作为偏置 其等效的抽象模型为 因为电流源是理想的也就是说阻抗为无穷大此时的开路增益为
Avo−gm1RoA_{vo} -g_{m1}R_o Avo−gm1Ro
又因为 Q1Q_1Q1 的输出阻抗是 ro1r_{o1}ro1 Q2Q_2Q2 将输出阻抗提升约 gm2ro2g_{m2}r_{o2}gm2ro2 倍因此
Ro≃(gm2ro2)ro1R_o \simeq (g_{m2}r_{o2})r_{o1} Ro≃(gm2ro2)ro1
带入得到
Avo−(gm1ro1)(gm2ro2)A_{vo} -(g_{m1}r_{o1})(g_{m2}r_{o2}) Avo−(gm1ro1)(gm2ro2)
假设 Q1Q_1Q1 和 Q2Q_2Q2 完全匹配也就是 gm1gm2gmg_{m1} g_{m2} g_mgm1gm2gm 和 ro1ro2ror_{o1} r_{o2} r_oro1ro2ro 则得到
Avo−(gmro)2−A02A_{vo} -(g_mr_o)^2 -A_0^2 Avo−(gmro)2−A02
所以MOS共源共栅结构将之前的固有增益从原来的 A0A_0A0 近似提升至 A02A_0^2A02 。
接下来考虑电流源不完美的情况假设电流源是使用的PMOS电流镜如下图 则此时负载电阻阻值为 RLro3R_L r_{o3}RLro3 。此时的电压增益是
Av−gm1(Ro∣∣RL)−gm1(gm2ro2ro1∣∣ro3)A_v -g_{m1}(R_o || R_L) -g_{m1}(g_{m2}r_{o2}r_{o1}||r_{o3}) Av−gm1(Ro∣∣RL)−gm1(gm2ro2ro1∣∣ro3)
注意到 RL≪RoR_L \ll R_oRL≪Ro 因此
Av≃−gm1ro3A_v \simeq -g_{m1}r_{o3} Av≃−gm1ro3
此时的电压增益又退回到 A0A_0A0 这里电流缓冲器 Q2Q_2Q2 的作用失效了。也就是说只是提升 Q1Q_1Q1 的输出阻抗是没用的我们还必须要提升 Q3Q_3Q3 的输出阻抗。
自然地可以想到可以在 Q3Q_3Q3 同样串联一个电流缓冲器如图 此时整个电路结构变为 则此时电流源的输出电阻变为
Ro(gm3ro3)ro4R_o (g_{m3}r_{o3})r_{o4} Ro(gm3ro3)ro4
整个电路等效于右边的抽象模型因此电压增益变为
Av−gm1[Ron∣∣Rop]−gm1[[(gm2ro2)ro1]∣∣[(gm3ro3)ro4]]A_v -g_{m1}[R_{on}||R_{op}] -g_{m1}[[(g_{m2}r_{o2})r_{o1}]||[(g_{m3}r_{o3})r_{o4}]] Av−gm1[Ron∣∣Rop]−gm1[[(gm2ro2)ro1]∣∣[(gm3ro3)ro4]]
假设四个晶体管完全匹配得到
Av−12A02A_v -\frac{1}{2} A_0^2 Av−21A02
此时的电压增益与 A02A_0^2A02 同阶是我们想要的结果。
共源共栅放大器中的电压增益分配
现在我们探究共源共栅放大器的整体增益是怎样在共源共栅放大器中的电压增益分配的。在这里不失一般性的我们将负载阻抗表示为 RLR_LRL 如下图 则此时的电压增益为
Av−gm1(Ro∣∣RL)−gm1(gm2ro2ro1∣∣RL)A_v -g_{m1}(R_o ||R_L) -g_{m1}(g_{m2}r_{o2}r_{o1} ||R_L) Av−gm1(Ro∣∣RL)−gm1(gm2ro2ro1∣∣RL)
上图中的电压增益还可以表示为两级增益
AvAv1Av2(vo1vi)(vovo1)A_v A_{v1}A_{v2} (\frac{v_{o1}}{v_i})(\frac{v_o}{v_{o1}}) AvAv1Av2(vivo1)(vo1vo)
为了计算 Av1A_{v1}Av1 我们将从 Q1Q_1Q1 的漏极到地直接的阻抗记为 Rd1R_{d1}Rd1 如图 则
Av1−gm1Rd1A_{v1} -g_{m1}R_{d1} Av1−gm1Rd1
这里 Rd1ro1∣∣Rin2R_{d1} r_{o1} || R_{in2}Rd1ro1∣∣Rin2 Rin2R_{in2}Rin2 是CG级的输入阻抗
Rin2RLgm2ro21gm2R_{in2} \frac{R_L}{g_{m2}r_{o2}} \frac{1}{g_{m2}} Rin2gm2ro2RLgm21
那么 Av2Av/Av1A_{v2} A_v / A_{v1}Av2Av/Av1 。基于上述方法根据 RLR_LRL 的不同我们可以得到下图表的两级增益分配情况 四种情况分别为假设MOS管完全匹配
RL∞R_L \inftyRL∞ 表示负载是理想电流源。RL(gmro)roR_L(g_mr_o)r_oRL(gmro)ro 表示负载是共源共栅电流源。RLroR_Lr_oRLro 表示负载是简单电流镜。RL0R_L0RL0 理论最坏情况此时负载短路。
其中情况一代表了共源共栅结构的理论最大增益情况二代表了一般情况。但是情况三并不是无用在以后我们会学到情况三具有优秀的高频响应。
共源双级共栅放大器
如果还需要更高的电压增益那么就需要更高的输出阻抗自然想到我们可以在加一级共栅结构构成两级电流缓冲器如图 此时通过计算可以算出电压增益为
AvA03A_v A_0^3 AvA03
这种结构的一个缺点就是会造成晶体管在同一条漏极支路上堆叠只提高CS放大器的输出阻抗是不够的还要提高电流镜的输出阻抗因此电流镜的输出端也需要再加一级的共栅结构此时整个漏极支路上总共有6个MOS晶体管因为每个晶体管都需要工作在饱和区下每个晶体管的 vDSv_{DS}vDS 最小不能小于 VOVV_{OV}VOV 。因此总压降在 6vDS6v_{DS}6vDS 那么就必须提高 VDDV_{DD}VDD 的值。但是我们知道对于IC来说 VDDV_{DD}VDD 一般在1V到2V左右这就限制了漏极支路中的最大MOS晶体管数量。
折叠共源共栅放大器
为了避免晶体管在同一条漏极支路上堆叠我们的CG结构可以通过PMOS实现如下图 现在 Q1Q_1Q1 偏置在 I1−I2I_1 - I_2I1−I2 上 Q2Q_2Q2 是我们的PMOS的CG结构偏置在 I2I_2I2 上电流源 I2I_2I2 作为主动负载。
其小信号模型和我们之前普通的共源共栅放大器一样只不过我们的信号电流 gmvig_mv_igmvi 通过PMOS转向折叠流入 Q2Q_2Q2 。因此这个结构称为 折叠共源共栅放大器 。这种折叠结构在IC设计中非常受欢迎。
BJT 共射共基结构
下图展示了具有理想电流源负载的BJT 共射共基结构 对于该电路的分析和MOS的大体相似首先因为基极电流输入阻抗为
Rinrπ1R_{in} r_{\pi 1} Rinrπ1
假设 α1\alpha 1α1 此时的抽象结构为 这里
Roro2(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)≃(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)R_o r_{o2} (g_{m2}r_{o2})(r_{o1}||r_{\pi 2}) \simeq (g_{m2}r_{o2})(r_{o1}||r_{\pi 2}) Roro2(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)≃(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)
别看这个结果和MOS的相似但这个结果只是一个近似的结果因为基极的有限电流。就是因为有限的 β\betaβ 存在导致了括号中的并联计算这导致BJT电流缓冲器存在理论最大值
Ro∣maxβ2ro2R_o|_{max} \beta_2r_{o2} Ro∣maxβ2ro2
因为存在理论最大值也就是说无论怎么提高CB的信号源阻抗CB的输出阻抗总是无法突破理论最大值。所以不像MOS使用多级BJT电流缓冲器是没有意义的。
开路增益为
Avo−gm1(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)A_{vo} -g_{m1}(g_{m2}r_{o2})(r_{o1} || r_{\pi 2}) Avo−gm1(gm2ro2)(ro1∣∣rπ2)
对于完美匹配
Avo−(gmro)[gm(ro∣∣rπ)]A_{vo} -(g_mr_o)[g_m(r_o||r_\pi)] Avo−(gmro)[gm(ro∣∣rπ)]
小于 (gmro)2(g_mr_o)^2(gmro)2 。当 ro∞r_o \inftyro∞ 的时候存在理论最大值
∣Avo∣maxβgmroβA0|A_{vo}|_{max} \beta g_m r_o \beta A_0 ∣Avo∣maxβgmroβA0
下图展示了BJT的共射双级共基结构
