CMOS單級放大器的特性曲線電路分析

圖2.4-1c、dCMOS單級放大器與圖2.4-1a、bNMOS單級放大器相比，有較高的電壓增益和較低的功耗，增益一般可達500~1000，基于它的優點，近幾年來CMOS模擬集成電路有較大的發展。

在圖2.4-1c所示的CMOS單級放大器中，有源負載M2管通常與偏置電路構成電流源電路，M2管作為有源負載。其電路形式如圖2.4-5所示，為簡單起見，假設M1與M2的溝道寬長比相等。

輸入電壓低于M1管的閾值電壓VT1時，M1管截止，M2管導通，但沒有電流，輸出電壓VO等于電源電壓VDD。當輸入電壓大于VT1時，M1管開始導通，并隨增大，輸出電壓VO下降，當通過M1和M2管的電流等于參考電流IR時，M2管從線性區進入飽和區。M1和M2管均工作在飽和區時，隨輸入電壓的增大，輸出電壓VO迅速下降。當輸入電壓增大到VO+VT1時，M1管從飽和區進入線性區，圖2.-5CMOS單級放大器輸出電壓VO下降到M1管的飽和壓降圖2.4-6表示了該電路的輸入-輸出傳輸特性。

由圖可知，M1、M2管工作在飽和區時，曲線斜率最大（AB段），其交流小信號增益也最大。由交流小信號等效電路可知，M1、M3管工作在飽和區的電壓增益等于M1管的跨導gm1，和M1、M2管輸出阻抗并聯的乘積，即

式中

將，表示式代入（2.4-14）式得

在（2.4-15）式中，我們注意到一個有趣的結論，工作電流ID減小，電壓增益AV增大，AV可達500~2000，這是由于M1和M2的輸出阻抗與ID成反比，而跨導gm1只與1D的平方根成正比的緣故，因此，MOS電路與雙極型電路設計不同之處是CMOS有源負載放大器的漏極電流越小，其電壓增益越高。只有當此電流降低到使MOS管處于亞閾值區時，場效應管的跨導將正比于漏極電流，這時，CMOS放大器的電壓增益與工作電流的變化無關。圖2.4-5所示的CMOS放大器，其IOgAv-IOgID的關系曲線如圖2.4-7所示。

此外，從（2，-15）式也可以看到，電壓增益與溝道長度的調制效應有關。顯然，增大溝道長度L，可減小λ值，增大MOS管的輸出阻抗，從而提高電壓增益。要進一步提高電壓增益。

M2管采用第二節所述的高阻抗電流源電路。

對于圖2.4-1c的CMOS共源放大電路，也可以M2管作為共源放大器，M1作為M2管的有源負載。

圖2.4-1d是推挽式的CMOS單級放大器，電路的連接方式不同于圖2.4-1c電路，但電路的傳輸特性是相同的。這里，就該電路的小信號電壓增益作些說明。圖2.4-1d電路的M1和M2均工作在飽和區時，其交流小信號等效電路圖如2.4-8所示。

圖中的小信號電壓增益是

式中

上式表明，推挽式CMOS單級放大器具有較大增益，可達500~2000。而電壓增益Av也與工作電流ID的平方根成反比。

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