CMOS单级放大器的特性曲线电路分析

图2.4-1c、dCMOS单级放大器与图2.4-1a、bNMOS单级放大器相比，有较高的电压增益和较低的功耗，增益一般可达500~1000，基于它的优点，近几年来CMOS模拟集成电路有较大的发展。

在图2.4-1c所示的CMOS单级放大器中，有源负载M2管通常与偏置电路构成电流源电路，M2管作为有源负载。其电路形式如图2.4-5所示，为简单起见，假设M1与M2的沟道宽长比相等。

CMOS单级放大器

输入电压低于M1管的阈值电压VT1时，M1管截止，M2管导通，但没有电流，输出电压VO等于电源电压VDD。当输入电压大于VT1时，M1管开始导通，并随增大，输出电压VO下降，当通过M1和M2管的电流等于参考电流IR时，M2管从线性区进入饱和区。M1和M2管均工作在饱和区时，随输入电压的增大，输出电压VO迅速下降。当输入电压增大到VO+VT1时，M1管从饱和区进入线性区，图2.-5CMOS单级放大器输出电压VO下降到M1管的饱和压降图2.4-6表示了该电路的输入-输出传输特性。

CMOS单级放大器

由图可知，M1、M2管工作在饱和区时，曲线斜率最大（AB段），其交流小信号增益也最大。由交流小信号等效电路可知，M1、M3管工作在饱和区的电压增益等于M1管的跨导gm1，和M1、M2管输出阻抗并联的乘积，即

CMOS单级放大器

式中

CMOS单级放大器

将，表示式代入（2.4-14）式得

CMOS单级放大器

在（2.4-15）式中，我们注意到一个有趣的结论，工作电流ID减小，电压增益AV增大，AV可达500~2000，这是由于M1和M2的输出阻抗与ID成反比，而跨导gm1只与1D的平方根成正比的缘故，因此，MOS电路与双极型电路设计不同之处是CMOS有源负载放大器的漏极电流越小，其电压增益越高。只有当此电流降低到使MOS管处于亚阈值区时，场效应管的跨导将正比于漏极电流，这时，CMOS放大器的电压增益与工作电流的变化无关。图2.4-5所示的CMOS放大器，其IOgAv-IOgID的关系曲线如图2.4-7所示。