共源共栅放大器

共源共栅放大器
姓名：郭佛威
学号：2140320071
共源共栅放大器源共栅放大器又称为级联放大器，是共
源极和共栅极的级联。

由于共源放大级把电压信号转换为
电流信号，而共栅放大级的输入信号为
电流信号，故可把共源与共栅放大电路
级联起来构成了共源共栅放大器，如右
图所示。

M1产生正比于V in的小信号漏
电流而M2电流流过R D，M1为输入器件，
M2为级联器件，且M1与M2具有相同的
电流。

偏置条件：M1和M2均工作在饱和
区即V b≥ V in + V GS2 -V TH1；
V out≥ V in-V TH1+V GS2-V TH2
1.共源共栅——大信号特性分析：
输入—输出特性曲线
1.1大信号特性：
V in≤V TH1，M1，M2处于截止状态，V out=V DD,且V X≈ V b -V TH2 (忽略亚阈值导通)；当Vin≥V TH1，M1产生电流，V out则降低，V GS2上升而V X下降。

V in>V TH1，开始出现电流，V out下降，V X下降，到一定值时M1或M2 进入线性区，增益（V out曲线的斜率）减小。

1.2输出摆幅：
M1工作在饱和区：
V A=V b-V GS2≥V ov1=V in-V t1V b≥V in+V GS2-V t1
M2工作在饱和区：V out≥V b-V t2≥V in+V GS2-V t1-V t2=V ov1+V ov2
为了使M4工作在饱和区：V out<V DD-|V GS4-V TH4|
所以输出摆幅为：V on1+V on2<V out<V DD-|V GS4-V TH4|
2.共源共栅级______小信号特性
2.1增益:
当两个晶体管工作在饱和区时；假设两个
管子的λ均等于0，由于输入管产生的漏电流必
定流过整个共源共栅级电路，所以
A V=V out/V in=-g m1V1R D/V in，而V1= V in，
所以A V=-g m1R D。

当忽略沟道长度调制效应时，共
源共栅级放大器的电压增益与
共源级放大器的电压增益相同。

2.2输出阻抗：
可将电路看成带有负反馈电
阻r o1的共源级，如下图所示：
上式表明串接了M2使M1的输出阻抗为原来(g m2+ g mb2) r o2倍，即输出阻抗大大增大，这是共源共栅放大器的一个最大特点，对提高放大器小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利。

３．电流源负载的共源共栅级增益
由上式可知，电流源负载型共源共栅比电流源负
载的共源级的增益增大了
倍。

所以经常用共源共栅结构来提高增益。

４．增加L 与采用共源共栅结构来提高增益的比较
提高增益的两种方法：
1、采用共源共栅增大增益；
2、在给定的偏置电流情况下通过增大输入晶体管的长度来增大增益 。

假设共源级的输入管的长度变为原来的四倍而宽度保持不变，
由上式可知：L
增大四倍的结果只是使g m r o 的值增大两倍。

缺点：为了保证电流相等，在增大输入管的沟道长度时，必须增大输入管的过驱动电压。

所以其最小输出电压也提高，输出电压摆幅减小。

而采用共源共栅结构却使得输出阻抗大约增大g m r o 倍。

缺点是其输出电压的最小值为两个过驱动电压。

1
m m G g ≈2221
()out m mb O O R g g r r ≈+12
2
12
()V m m mb O O A g g g
r r ≈-+222()m mb O g g r +()()()
2
12D n ox GS TH I C W L V V μ=-1
2m O n ox
D D
W g r C I L I μλ=
1L
λ∝
５．共源共栅级的屏蔽特性
Vout 端有△Vout 的电压跳变时，表现在X 点的电压跳变
由上式可知：当共源共栅的输出节点电压改变ΔV X 时，由于共源共栅结构具有高输出阻抗特性，因此只会引起ΔV X 发生很小的变化，即输入器件的工作状态不受输出电压变化的影响，这就是所谓的共源共栅的屏蔽特性。

６．折叠式共源共栅
共源共栅级由共源级实现电压到电流的转换，然后电流信号加到共栅级的源端。

因此，构成共源共栅级时共源管和共栅管类型可以不同。

如左图所示，M1是输入器件，PMOS M2是共源共栅器件，NMOS I1为直流偏置电流源
特点：1.V in 和V out 的电平可以是相近的； 2.增益和输出阻抗的计算跟共源共栅放大器相同，略小一些。

X V =∆？
(
)()1
22212222
11
o X out
m mb o o o out m mb o r V V g g r r r V g g r ∆=
∆+++⎡⎤⎣⎦≈∆+
７．折叠式共源共栅放大器大信号特性
假定V in 从电源电压下降：
①当V in >V DD -|V TH1|，那么M 1截止，电流I 1全部流过M 2，即，
②当V in <V DD -|V TH1|，M 1开启并处于饱和区，
随着V in ↓，I D1↑ I D2 ↓，
③当I D1=I 1时，I D2最终变为0，这时M1进入线性区。

211D out DD D
I I V V I R ==-，2
1112
|)|()(21TH in DD OX p D V V V L
W
C u I I ---=⇒
()1
111
2/L in DD TH p ox I V V V C W μ=--
８．共源共栅放大器频率特性分析
采用节点近似法分析：共有三个节点，分别为A 、X 、Y
节点A ：密勒近似
节点X ：密勒近似
↖
节点Y ：密勒近似
在这三个极点中，其中一般不考虑，在设计电路时，选择在高频处。

因此：是主
极点，传输函数是单极点函数。

1
11221m A GS GD m mb g C C C g g ⎛⎫
=++
⎪+⎝
⎭
A S R R =
111221
g 1in
m S GS GD m mb R C C g g ω=
⎡⎤⎛⎫++⎢⎥
⎪+⎝⎭⎣⎦
221122
12122
g 11
r m mb X GD DB SB GS m X in o m mb g C C C C C g R r g g ⎛⎫
+=++++ ⎪⎝⎭
=≈
+22112222122
11221
1
12x m mb GD DB SB GS m mb m m mb GD DB SB GS g g C C C C g g g g g C C C C ω=
⎡⎤⎛⎫⎛⎫
+++++⎢⎥
⎪ ⎪+⎝⎭⎝⎭⎣⎦
+≈
+++122211
1
g 12m m g g m mb GD GD m g C C
g =⎛⎫++−−−−→≈
⎪⎝
⎭
()222212Y DB L GD Y D
m mb o o D
C C C C R R g g r r R =++=+≈()
221
out D DB GD L R C C C ω=
++in ωx ωout ω
９．共源共栅放大器频率特性的仿真
１０．共源共栅级总结
优点
1.输出阻抗高
2.增益高，常用来提高增益
3.具有屏蔽特性
不足
1.输出电压摆幅因层叠的MOS 管而有所损失，这在低电源电压运用中是致命的缺点
2.折叠式共源共栅级直流功耗大
()2212
R out m mb o o g g r r ≈+()12212
V m m mb o o A g g g r r =+。