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  • 我们知道,共源共栅级是共源级的输出端作为共栅级的输入端组合而成,然而,共源共栅级的放大能力却仅仅取决于共源级,共栅级对于信号没有放大能力,本文,我们对于共栅级部分的功能做一个探究。

    共源共栅级的小信号增益

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    共源共栅级的结构如上图所示,忽略沟长调制效应,得到小信号等效图如下图所示。
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    从上图中,我们看到,M1的电流与M2的电流相等,这是一个重要的特点,得到小信号增益为:
    A v = g m 1 ∗ R D A_v = g_{m1}*R_D Av=gm1RD
    从小信号等效图来看,小信号增益与M2无关,即M2管没有放大能力,接下来,我们来从器件的角度来分析一下原因。

    共源共栅级的放大过程

    我们通过与共栅级的对比来探究原因。
    共栅级的栅极电压为 V b V_b Vb ,是固定电位。在源级输入电压发生变化时,直接改变了共栅管的过驱动电压,产生了对应的漏电流,可以看到共栅级的放大能力是源于共栅管的跨导。共栅级实现了以小的过驱动电压,产生漏电流并在负载上产生更大的压降实现放大。
    但是共源共栅管的放大却不是如此。由于信号的输入形成的过驱动电压,在漏端产生了电流。在保证双管都工作在饱和区的时候,我们增大输入电压,得到了更大的漏电流。由于双管的漏端电流相同,所以可以由漏端电流确定共栅管的漏源电压(忽略沟长调制效应),保证了等大的电流流入负载,这就体现了共栅管的开关而非放大特性。从这个过程中我们看到,由于共源级的输入电压形成的过驱动电压形成漏电流,使得共栅级的过驱动电压追随共源级,所以从共源级到共栅级并没有形成电压的放大。

    共栅管的屏蔽作用

    在上述介绍中,我们明确了该电路中共栅管的电流开关作用,接下来我们继续挖掘该管的其他作用。
    当共源共栅的输出端电压,即共栅管的漏极电压,发生变化时,如当电压增加时,共栅管的漏源电压增加,由于沟长调制效应,漏电流增大,因此共源管的漏源电压也增大,但由于共栅管的过驱动电压的增加,对共源管的漏源电压的增加有一定的抵消作用,即负反馈。这就体现了共栅管对于输入管的屏蔽保护作用。
    从输出电阻的角度来看,共源共栅级的输出电阻是共源级的 g m ∗ r o g_m*r_o gmro 倍,外部电压的变化对输出电流的影响减小了一到两个数量级。
    由于高输出阻抗的性质,作为电流源非常合适。

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  • 折叠式共源共栅的思考

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    在这里插入图片描述1. 折叠式共源共栅结构总的偏置电流比非折叠共源共栅结构的大,才能获得与之相当的性能;
    2. 折叠式共源共栅结构的输出阻抗比非折叠的共源共栅的要小;
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  • w折叠式共源共栅基本结构如图

    折叠式共源共栅结构如图所示

    VB1-VB4为偏置电路提供的偏置电压,系统的总增益为

    实际电路结构如图所示 

    其中左侧电路构成偏置电路,M3M4管采用自偏置结构。设计负载电容10p,要求摆率>10M,GB>10MHz。

    具体设计推导过程如下:

    对于电阻R0和R1的值,在https://blog.csdn.net/Czy1377004611/article/details/118795955?spm=1001.2014.3001.5501中已给出,初步取R0 =35K,R1=50K

    对上述设计的电路进行仿真,直流仿真参数如下 

     各管均已工作于饱和区 

    波特图显示,相位裕度大约为 92,但是增益只有45dB,与常见的折叠式共源共栅放大器相差很远,查看各管直流工作状态:

    选择DC Operating Points,点击所需要查看的管子,以PM1为例,gm为跨导,ron为线性电阻,rout为输出电阻(即ro)。可查得各管的gm与ro如下 

    通过增益的公式计算可以得到增益约为6227,即75dB

    显然最后仿真结果与计算公式出现严重偏离,初步分析原因是NM3和NM2的Vds过小导致,通过调节R1阻值,调整到200K时,再次查看波特图 

     看到增益提升为77dB,相位裕度几乎保持不变。查看各管的直流工作状态,通过计算得到理论的增益与77dB很接近。

    但是由于增加了R1的阻值,使得偏置部分NM4管工作在了线性区,另外为何所有管子均工作于饱和区时实际电路增益会严重偏离理论计算增益还未解决。

    使用https://blog.csdn.net/Czy1377004611/article/details/118721695?spm=1001.2014.3001.5501中提到的最后一种电路结构代替10u理想电流源,电路图如图所示 

    其中,放大器输出控制nmos管,放大器一端输入为带隙基准电压,另一端采样电阻R5(即nmos源端电压),调节R5可以调节带隙基准电流大小

    仿真结果显示理想10u电流源被具有良好温度系数的10u电流取代

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