电子电路大全(PDF格式)-第41部分

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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于等于负载电阻的小信号输出电阻。驱动大　



电容的输出放大器主要需要有能力输出一个大的源或漏电流。驱动大电容的放大器不需要　



低的输出电阻。　　



　　　CMOS输出级的基本作用是电流变换。大部分输出级都具有高电流增益和低电压增益，　



对一个输出级的特定要求有：（1）以电压或电流的形式提供足够的输出功率，（2）防止信　



号失真，（3）高效率，（4）对异常状态（短路、过热等等）提供保护。由于信号摆幅很大，　



并且在小信号放大器中一般不会遇到的非线性问题变得重要了，故而有第二项要求。第三　



项要求是要使驱动晶体管上的功耗比负载上的功耗小得多。对第四项要求，CMOS输出级通　



常都可以满足，这是由于CMOS器件本身的自我限制特性造成的。　　



6。1　源极跟随缓冲级　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　图　6…1　（a）源极跟随器的电路结构和（b）电压传输曲线　　



　　



　　



　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　43　　


…………………………………………………………Page　492……………………………………………………………

　（1）输出电压摆幅　　



　　　　　v　　　　（min）　V　　　　　…V　　　　　　　　　R　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（min）　…I　Q　RL　　　　　　R　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　SS　　　　ON　2　（如　L　　较大）　或者　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（如　L　　较小）　　



　　　　　v　　　　（max）　V　　　　　…V　　　　　　　　　　　　v　　　》V　　　　　　　　　　　　　v　　　　（max）　V　　　　　　…V　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　SS　　　　ON　1　　（如果　IN　　　　　DD　　）　或者　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　DD　　　　GS　1　　　



　　　　　如果考虑衬底效应：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇　

　　　　　V　　　=V　　　　　＋γ　2φF　　…v　　　　　　　　2φF　　　　　　≈V　　　　　＋γ　v　　　　　=V　　　　　＋γ　v　　　　　　　（max）　…V　

　　　　　　　T　1　　　T　01　　　　　　　　　　　　　　BS　　　　　　　　　　　　　　　T　01　　　　　　SB　　　　　T　01　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　∴V　　　　　（max）…V　　　　≈V　　　　…V　　　　…V　　　　…V　　　=V　　　　…V　　　　…V　　　　…V　　　　＋γ　v　　　　　　（max）…V　

　　　　　　　　OUT　　　　　　　　　　SS　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T1　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T01　　　1　　　OUT　　　　　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　v　　　　（max）　…V　　　　　=v　　　　　'　（max）　

　　　　　定义　OUT　　　　　　　　　　　　　　SS　　　　OUT　　　　　　　　　　　



　　　　　那么　　



　　　　　V　　　　'　（max）　＋γ　v　　　　　　　'　（max）　…（V　　　　…V　　　　　…V　　　　　…V　　　　）　=0　

　　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　1　　　OUT　　　　　　　　　　　　　DD　　　　　SS　　　　ON　1　　　T　01　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　解得　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4（　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ　　γ　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ　＋　V　　　　　　　…V　　　…V　　　　　…V　

　　　　　　　　　　'（max）　　　　1　　　　　1　　　　　　　4（　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）　　　1　　　　　　　DD　　　　SS　　　ON1　　　　T01　

　　　　　v　　　　　　　　　　≈　　　γ　＋　V　　　　　　　　　　　　　…V　　　…V　　　　　…V　　　　　＋　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　DD　　　　SS　　　　ON1　　　T01　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4　　　　　4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　V　　　　=2。5V　　　　　　γ　=0。4V　1/　2　　　　　　　V　　　　=0。7V　　　　　　　　　　　V　　　　　=0。2V　

　　　　　如果　DD　　　　　　　　　　　　　，　　N　　　　　　　　　　　　　　，　　TN　1　　　　　　　　　　，　并且　ON　1　　　　　　　　　　　　　，　　　



　　　　　　　　　　　'　

　　　　　那么vOUT　　（max）　=3。661V　、vOUT　　（max）　=　3。661…2。5　=　0。8661V　　



　（2）输出最大电流　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　=…V　　　　　=2。5V　

　　　　　假定晶体管处于饱和状态，并且　　DD　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SS　　　　　　　　　，　　那么　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K　'W　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　I　　　　（sourcing　）　=　1　　　1　＇V　　…v　　　　　　…V　1　＇　…I　

　　　　　　OUT　　　　　　　　　　　　　　　　2L1　　　DD　　　　　OUT　　　　T　　　　　　　Q　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　v　　　=v　

　　　　　假设　IN　　　　　　　DD　　。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　　=0V　　　　　　　　　　　　V　　　=1。08V　　　　　　　　I　OUT　=1。11mA　

　　　　　如果W1/L1　　=10　、　　　　　　　　　　　　　　　　　，　　那么　　T　1　　　　　　　　　　　　=》　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。然而，　　　随着　　



v　

　　OUT　　升高于到　　0V　以上时，　　　电流快速下降。　　



　（3）效率　　



　　　　　假设输入信号能使输出达到等于电源最大情况，如图　　



44　　　　


…………………………………………………………Page　493……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　那么　　



　　　　　　　　　　　　β　（　　　　　　　　　　　　　　　　）2　

　　　　　　i　　=　　v　　　　　　…v　　　　　…V　

　　　　　　　D　　　　　　　　IN　　　　OUT　　　　　T　

　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　v　

　　　　　　i　　=I　　　　OUT　

　　　　　　　D　　　　　Q　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　R　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　得效率　　



　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）2　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）2　

　　　　　　　P　　　　　　　　　　　　2R　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2R　　　　　　　　　　　　　　　　　vOUT　（peak　）　2　

　　　　　　　　RL　　=　　　　　　　　　　L　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　L　　　　　　　　　　　　=（　　　　　　　　　　　　　　）　

　　　　　P　　　　　　　　　（V　　　…V　　　　）I　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　…V　　　　　　　　　V　　　　…V　

　　　　　　　Supply　　　　DD　　　　　SS　　Q　　　　（V　　　　…V　　　）　DD　　　　　　SS　　　　　　　DD　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DD　　　　SS　　2R　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　L　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　v　　　　（peak　）　=V　　　　　=　V　

　　　　　当　　OUT　　　　　　　　　　　　　　DD　　　　　　SS　时效率最大　25％。　　



6。2　小信号分析　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　图　6…1　源极跟随器的电路小信号模型（a）和简化的小信号模型（b）　　



　　



　　



　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　45　　


…………………………………………………………Page　494……………………………………………………………

（1）电压放大倍数　　



　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　　　　　　　　　　　　　g　　R　

　　out　　　　　　　　　　　　　　　　　m1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m1　　　　　　　　　　　　m1　　L　

　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　V　　　　　g　　　　＋g　　　　＋g　　　　＋g　　　　　　＋G　　　　　　g　　　＋g　　　　　＋G　　　　　　1＋g　　　　R　

　　in　　　　　ds　1　　ds　2　　　m1　　　　mbs　1　　L　　　　　m1　　　　mbs　1　　　L　　　　　　　　m1　L　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　（2）输出阻抗　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　

　　　　　　　　　　R　　　　=　

　　　　　　　　　　　　out　

　　　　　　　　　　　　　　　　　g　m1　　＋g　mbs　1　　＋g　ds　1　　＋g　ds　2　

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　对电流漏负载，Rout　=　830Ω。这个输出阻抗的数量级在一般MOSFET电路中已是足够　



小了，除非使用并联负反馈。　　



　　　　一般，g　s　1　大约为g　m1　的　1/10～1/5。而且，晶体管输出导纳g　ds　1　和　g　ds　2　应为体效应参　



数g　s　1　的　1/10。所以，可以看到体效应参数是引起增益小于　1　的主要误差源。还要注意：　



在低频下这一级完全是单边的。换句话说，没有信号从输出端流到输入端。　　



　　　　例：考虑如图所示的源极跟随器，其中，所有的晶体管W/L＝100um/1。6um。假设　



　　　　　　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ　=0。5V　1/　2　

unCox=90uA/V　，　upCox=30uA/V　，　　Ibias　＝100uA，　n　　　　　　　　　　　　　　　　　，　　



　　　　rds…n=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇。这一级的增益是多少？　　



　　　　解：gm1　的值由下式得出　　

　　　　　　　　gm1＝＇2unCox（W/L）ID1＇1/2=1。06mA/V　　



　　　　　同时　　



　　　　　　　　Rds1=　Rds2=8000*1。6/0。1=128kΩ　　



　　　　体效应参数方程，即　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　γg　m　

　　　　　　　　　g　s　1　=　

　　　　　　　　　　　　　　　2　　V　　　＋　2φ　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SB　　　　　F　

　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　

　　　　　为了计算这个参数，我们需要知道源极－主体电压　SB　　。但是，这个电压要依赖应用　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　≈2V　

情况，不能事先准确知道。这里我们假设使用的是　5V的电源，　　SB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。这在一定程度　



上有些武断，但是这是在没有更多细节的情况下能使用的最好方法。因此有　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0。5g　m　

　　　　　　　　　　　g　s　1　=　　　　　　　　　　=0。15g　m　　=0。16mA　/　V　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　　2　＋0。7　

　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　所以有　　



　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　g　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1。06　

　　　　　　　　　　　out　=　　　　　　　　　　　m1　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=0。86V　/　V　

　　　　　　　　　　V　　　　　g　　　　＋g　　　　＋g　　　　＋g　　　　　　1。06　＋0。16　＋1/　128＋1/　128　

　　　　　　　　　　　in　　　　　ds　1　　ds　2　　　m1　　　　s　1　

　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

46　　　　


…………………………………………………………Page　495……………………………………………………………

　　　　注意：正如前面提到的，这个结果小于　1　这么多主要是因为体效应参数　g　s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。如果没有　



体效应，增益应约为　0。99V/V。　　



　（3）频率响应　　



　　　　　　　　　　　　（）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（　　　　　　　　　）　

　　　　　　　　　V　　　s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　　＋sC　

　　　　　　　　　　out　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m1　　　　　1　

　　　　　　　　　　　　　　　　=　

　　　　　　　　　　　　（）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（　　　　　　　）　

　　　　　　　　　V　　　s　　　　g　　　＋g　　　　＋g　　　　＋g　　　　　＋G　　　＋s　　C　　＋C　

　　　　　　　　　　　in　　　　　　ds　1　　ds　2　　　m1　　　mbs　1　　　L　　　　　1　　　　2　

　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　这儿　　



　　　　　C1　=输入和输出端间电容＝CGS　1　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　C2　=Cbs1　　＋Cbd　2　＋Cgd　2　（或Cgs　2　）　＋CL　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　g　m1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　m1　　＋GL　

　　　　　z　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　p　　≈

　　　　　　　　　　　C　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　C　　＋C　

　　　　　　　　　　　　1　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　2　　　



6。3　HSPICE　仿真实例　　



　（1）电路结构　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　（2）手算过程　　



　　　　如果　VDD　=　…VSS　=　2。5V，　Vout　=　0V，　W1/L1　=　10μm/1μm，　W2/L2　=　1μm/1μm，　



并且ID　=　500　μA，　那么对电流漏负载　（RL　=　无穷大）：　　



　　　　Vout/Vin=　0。869V/V，　如果忽略衬底效应，那么Vout/Vin=　0。963V/V　　



　　　　如果给定负载　RL　=　1000Ω：　　



　　　　Vout/Vin=　0。512V/V　　



　（3）网表　　



　　　　EX6。1　source　follower　　



　　　　。option　post=2　numdgt=7　tnom=27　　



　　　　Vdd　1　0　dc　2。5　　



　　　　Vss　5　0　dc　…2。5　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　47　　


…………………………………………………………Page　496……………………………………………………………

　　　　　Ibias　1　2　dc　500u　　



　　　　　M3　2　2　5　5　nch　w=10u　l=1u　　



　　　　　M2　3　2　5　5　nch　w=1u　l=1u　　



　　　　　M1　1　4　3　3　nch　w=1u　l=1u　　



　　　　　Vin　4　0　dc　1。22　ac　1　　



　　　　　。op　　



　　　　　。ac　dec　10　1k　1000MEG　　



　　　　　。print　vdb（3）　　



　　　　　。MODEL　nch　NMOS　VTO=0。7　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。04　PHI=0。7　　



　　　　　。MODEL　pch　PMOS　VTO=…0。7　KP=50U　GAMMA=0。57　LAMBDA=0。05　PHI=0。8　　



　　　　　。end　　



　（　

　　4　）仿真结果　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



48　　　　


…………………………………………………………Page　497……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　第　7　章　电流镜负载差分放大电路分析与设计　　



7。1　基本结构及分析　　



　　　　传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。如图　7…1　所示。NMOS器件　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

M1　和M2　作为差分对管，P沟道器件M4，M5　组成电流源负载。电流　0　提供差分放大器的工作　



电流。如果M4　和M5　相匹配，那么M1　电流的大小就决定了M4　电流的大小。这个电流将镜像　



　　　　　　　　　　　V　　　=V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

到M5。如果　GS　1　　　　　　　GS　2　，则Ml和M2　的电流相同。这样由M5　通过M2　的电流将等于是　OUT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　为　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　》V　　　　　　　　　　I　　=I　　　＋I　　　　　I　　　　　　　I　　　　　　　　　　I　

零时M2　所需要的电流。如果　GS　1　　　　　　　　　　　　　　GS　2　，由于　0　　　　　D1　　　D　2　　，　D　1　相对　D　2　要增加。　D　1　的　



　　　　　　　　　　　I　　　　I　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　I　

增加意味着　D　4　和　D　5　也增大。但是，当　GS　1　变的比　GS　2　　大时，　D　2　应减小。因此要使电路　



　　　　　　　I　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

平衡，　OUT　　　　必须为正。输出电流　OUT　　　　　　　　　　　等于差分对管的差值，其最大值为　0　　。这样就使差　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V