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  • 共源极放大器
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    2019-08-27 10:54:31

    最简单的方法是,总共源,漏和栅三端,输入接一个端,输出接一个端,剩下的那个端是什么就是共什么级放大器。

    下面放两张图证明。

    共源极放大器

    共栅极放大器

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  • 一、电路设计 1.恒流源负载的共源极放大器模型 2.电路参数的设定 3.求nmos直流电平电路 二、电路的仿真与极点的查看 三、理论计算极点

    一、电路设计

    1.恒流源负载的共源极放大器模型

    2.在本次电路仿真中我们设定的参数:

    pmos:W=L=5um nmos:W=L=2um 输出点放置1pF电容(较大,即忽略两个MOS管的漏端电容)  电流为1uA

    为了使电流源电流更加准确,使用电流镜偏置 ,为了使nmos管电流均也1uA(具体原因下文解释),先用电流镜偏置算出直流电平,再把电流镜偏置改为电压源。

       需要给nmos特定直流电平使电流也为1uA的原因:当设置的nmos直流电平I_{DP}> I_{DN}时,电路为了使电流达到一致,I_{DN}应增大,I_{DP}应减小;而产生I_{DN}的直流电平为给定的确定值,电路无法自己改变,所以只能I_{DP}减小。此时pmos可能进入线性区,电流公式为I_{DP}=u_{P}C_{ox}\frac{W}{L}\left [ \left ( V_{GSP}-V_{THP} \right )V_{DS} -\frac{1}{2}V_{DS}^{2}\right ]与饱和区电流公式相比,\left ( V_{GSP}-V_{THP} \right )从2次降为1次方,相当于从0.01变成0.1,所以需要电流减小则V_{DSP}减小,pmos进入线性区,脱离正常工作状态,输出摆幅增大,R_{P}减小,相当于输出电压拉到V_{DD}。此时电路相当于一个电压控制的电流比较器,r_{op}减小,放大倍数减小。综上:需要给nmos使电流也为1uA。

    3.求nmos直流电平电路

    仿真后查看DC Operating Points,得到结果如下

        即需要设置nmos直流电平为500.11mv。

    断开nmos电流镜偏置电路,添加vdc,设置输入VINn:DC voltage=500.11mv  AC magntude=1v(设置为1v方便查看增益) (更改电路后需check and save,快捷键:Shift+x) 最终电路图如下 

    二、电路的仿真与极点的查看

    设置DC仿真和AC仿真的Frequence从1至1GHz,仿真后选择Results-Direct-Plot-AC Gain&Phase,点击输出和输入回路

    得到电路的波特图:

     由图可见,电路有一个极点,最大增益为51.67dB左右,极点所在的频率为3dB带宽即增益为48.67dB左右处,按下V,移动轴,当增益为48.67dB时频率大约为7K Hz。

     三、理论计算极点

    已知极点计算公式:P_{0}=w=2\pi f=\frac{1}{RC}

    在本电路中:R=R_{OUT}=r_{op} IIr_{on}r_{o}的并联) C=C_{0}=1pF(漏端电容很小,忽略不计)

    已知r_{o}=\frac{1}{g_{ds}},所以需要查看2个mos管的g_{ds}:在仿真界面选择如下后

    点击pmos,查找到g_{dsp}=9.6n

    点击nmos,查看g_{dsn}=34.9n 

    计算得到r_{op}=104.17M\Omega, r_{on}=28.65M\Omega

    R=r_{op}//r_{on}=22.47M\Omega  又已知C=1pF    w=2\pi f=\frac{1}{RC}   

     算出  f=\frac{1}{2\pi RC}=7.09K HZ 而仿真值为7K Hz  ,理论值与仿真值相差不大

    到此,极点的仿真与计算完毕。

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  • 设置ADE仿真环境,如下图所示,(具体设置过程见我学习笔记二 ) 先进行直流分析找静态工作点 放大倍数约34。静态工作电压约为915mV,输入摆幅约60mV。 依此设置vsin的各参数, 由于放大倍数较大,输入摆幅设置的小...

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    1.基本原理


    基本电路结构如下图所示。

    交流小信号模型如下图所示

    输出电阻是

    R o u t = r O 1 / / r O 2 R_{out}=r_{O1}//r_{O2} Rout=rO1//rO2

    增益为

    A V = − g m 1 ( r O 1 / / R O 2 ) ≈ − g m r O 1 = − 2 μ n C O X I D ( W L ) 1 λ 1 I D A_{V}=-g_m1(r_{O1}//R_{O2})\approx-g_mr_{O1}=-\sqrt{2\mu_nC_{OX}I_D(\frac{W}{L})}\frac{1}{\lambda_1I_D} AV=gm1(rO1//RO2)gmrO1=2μnCOXID(LW) λ1ID1

    输出摆幅

    V i n − V t n ≤ V o u t ≤ V b + ∣ V t p ∣ V_{in}-V_{tn}\leq V_{out} \leq V_b+|V_{tp}| VinVtnVoutVb+Vtp


    2. 仿真验证


    绘制原理图并填加电源,如下图所示

    其中NMOS的栅极为输入,输入电压设为变量vgs,PMOS是电流源,栅极电压设为vb。

    设置ADE仿真环境,如下图所示,(具体设置过程见我学习笔记二 )

    先进行直流分析找静态工作点

    放大倍数约34。静态工作电压约为915mV,输入摆幅约60mV。

    依此设置vsin的各参数,

    由于放大倍数较大,输入摆幅设置的小一点。

    进行瞬态仿真,查看是否有失真现象

    电路正常放大,无失真

    进行交流小信号分析,

    增益约为40dB。


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    本文记录以二极管连接的MOS作为负载的共源极放大器。


    1. 原理分析


    二极管连接的MOS管如下图所示。

    无论PMOS还是NMOS,当导通时,均工作在饱和区。

    等效电阻为

    R x = V x I x = 1 g m / / R o ≈ 1 g m R_x=\frac{V_x}{I_x}=\frac{1}{g_m}//R_o\approx\frac{1}{g_m} Rx=IxVx=gm1//Rogm1

    以二极管连接的mos作负载的共源极放大器电路连接如下图所示

    以二极管连接的MOS管作负载时,交流小信号等效电路与以电阻为负载的共源极放大器相似,只是将 R D R_D RD换为 1 g m \frac{1}{g_m} gm1

    所以, V o u t = − g m 1 V 1 1 g m 2 V_{out}=-g_{m1}V_{1}\frac{1}{g_{m2}} Vout=gm1V1gm21

    A V = V o u t V I N = − g m 1 g m 2 = − μ p ( W / L ) 1 μ n ( W / L ) 2 A_V=\frac{V_{out}}{V_{IN}}=-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}=-\frac{\sqrt{\mu_p(W/L)}_1}{\sqrt{\mu_n(W/L)}_2} AV=VINVout=gm2gm1=μn(W/L) 2μp(W/L) 1

    R i = ∞ R_i=\infty Ri=

    R o = 1 g m 2 R_o=\frac{1}{g_{m2}} Ro=gm21

    当考虑体效应时,

    A V = − μ p ( W / L ) 1 μ n ( W / L ) 2 1 1 + η A_V=-\frac{\sqrt{\mu_p(W/L)}_1}{\sqrt{\mu_n(W/L)}_2}\frac{1}{1+\eta} AV=μn(W/L) 2μp(W/L) 11+η1

    η = 1 g m b 2 \eta=\frac{1}{g_{mb2}} η=gmb21

    当不考虑体效应时,增益为两个MOS的宽长比。


    2.仿真验证


    画电路图,填加电源,信号源,并正确设置MOS的宽长比,如下图所示。

    打开ADE,设置仿真变量,仿真类型,和输出信号。

    先DC仿真,找电路的静态工作点。

    ADE设置如下图所示

    开始仿真,得到如下结果。

    放大位数10左右,输入范围大区120mV,输出范围大约1.25V。可设置AC的静态工作点。

    进行瞬态仿真,查看波形是否正常放大。

    vdc修改为vsin,参数设置如下图。

    保存电路,ADE填加瞬态仿真类型。如下图所示

    并观察输入与输出信号的波形。如下图所示

    点击上方红框中的按钮可将两曲线分离,由图可知电路正常放大信号,且无失真。

    最后进行交流小信号分析。设置AC仿真如下图所示

    开始仿真,完成后选择AC Gain & Phase,并依次选择输出信号与输入信号 。

    幅频与相频特性如下图所示

    大概记录了一下以二极管连接的MOS作负载的共源极放大器原理与验证过程。

    如有不对之处,大家多多指正。


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