单级放大器

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单级放大器
由于模拟或数字信号太小而不能驱动负载等，在模拟电路中就必须采用放大器对信号进
行放大。在本章中重点描述五种放大器结构：共源、共栅、源极跟随器和级联结构以及 CMOS
放大器。对于每一种结构，先进行直流分析，然后进行低频交流小信号分析。分析方法一般
都先采用一个简单模型进行分析，然后逐步增加一些诸如沟道调制效应、衬底效应等二阶效
应的分析。
　　放大器的性能指标有：增益、速度、功耗、工作电压、线性、噪声、最大电压摆幅以及
输入、输出阻抗等。其中的大部分性能指标之间是相互影响的，因而进行设计时必须实现多
维的优化。
3.1　共源放大器
　　所谓共源放大器是指输入输出回路中都包含 MOS 管的源极，即输入信号从 MOS 管的
栅极输入，而输出信号从 MOS 管的漏极取出。根据放大器的负载不同，共源放大器可以分
为三种形式：无源负载共源放大器及有源负载共源放大器。
3.1.1　无源负载共源放大器
无源负载主要有电阻、电感与电容等，这里主要讨论电阻负载与电感电容谐振负载时共
源放大器的特性。
1　电阻负载共源放大器
电阻负载共源（CS）放大器结构如图 3.1(a)所示。对此进行直流分析（确定工作点）与
低频交流小信号分析。对于共源放大器，根据第二章的分析，对于低频交流信号从栅极输入
时，其输入阻抗很大，所以在分析时可不考虑输入阻抗的影响。
VDD
R
M1
Vo
Vi
VDD
R
M1
Vo
Vi
Ron
（a）
(b)
图 3.1　(a)电阻负载的共源级　　(b) 深三极管区的等效电路
（1）　直流分析
先忽略沟道调制效应，根据 KCL 定理，由图 3.1(a)可列出其直流工作的方程：
R 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3.1）
I
V
V
D
o
DD


而当 VGS＞Vth 时，MOS 管导通，根据萨氏方程有：
] 　　　　　　　　　　　　　　　（3.2）
)
[2(
2
DS
DS
th
GS
N
D
V
V
V
V
K
I



把式（3.2）代入式（3.1）中，可得到其直流工作方程为（注：VGS＝Vi，VDS＝Vo）：
R 　　　　　　　　　　　　　　　（3.3）
V
V
V
V
K
V
V
o
o
th
i
N
DD
o
]
)
[2(
2




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对方程（3.3）进行进一步的讨论：
截止区：Vi＜Vth，则 Vo＝VDD；
饱和区：Vi＞Vth，且 Vi-Vth≤Vo 时，有：
2) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3.4）
(
th
i
N
DD
o
V
V
RK
V
V



三极管区： Vo＜Vi－Vth，有：
　　　　　　　　　　　　　　 （3.5）


)
2(
2
o
o
th
i
N
DD
o
V
V
V
V
RK
V
V




深三极管区：Vo＜＜2（Vi－Vth），根据第二章可知，此时 M1 可等效为一压控电阻，因
此可得到如图 3.1（b）所示的等效电路，则有：

　　　　　　　　　　　
　(3.6)
)
(
2
1
th
i
N
DD
on
on
DD
o
V
R V
K
V
R
R
R
V
V





根据以上分析，可以得到共源放大器的直流转换特性曲线，即 Vo 与 Vi 的关系曲线如图 3.2
（a）所示。对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，即必须先把放大器合理地偏置在
某一电压，以得到合适的电压放大增益以及输入输出压摆。
Vo
Vth
Vi1
Vi
VDD
ID
VGS3
VGS2
VGS1
VDS
VDD
VDD
R
VGS4
VGS5
(a)
(b)
图 3.2　(a) 输入输出转换特性 (b) 直流工作情况图解
直流工作点的确定可用图解法进行求解：先画出 MOS 管的输出特性（I/V 特性）曲线，
同时在同一图上画出其直流负载线，则直流负载线与 MOS 管的 I/V 特性曲线相交的交点即
为其直流工作点。
对于电阻负载放大器，根据式（3.1）可以很直接画出其直流负载线，其直流负载线为
一直线，其直线可由与横轴与纵轴相交的两点来确定，如图 3.2（b）所示。因为在三极管区
的三极管的跨导较小，不利于提高放大器的小信号增益，因此，经常使三极管工作于饱和区，
即 Vo＞Vi－Vth。在设计放大器时以保证工作管处于饱和。
由图 3.2(b)可以很直观地发现，直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易进入三
极管区，从而减小了放大器的增益，也即减小了输入输出的压摆。当然，直流工作点也不能
设置得太小，因为这会使 MOS 管进入截止区，进而使放大器不能工作，因此直流工作点太
小，其输入输出电压的摆幅也很小。所以此类电路的直流工作点位置的确定与电路的输入输
出摆幅直接相关。