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模擬集成電路設計--超級源極跟隨器的分析

2023-07-07 21:56 作者:碎碎binke  | 我要投稿

本文所要研究分析的電路來自Gray的《模擬集成電路分析與設計》,在文中被稱為The Super Source Follower,此處中文稱為超級源極跟隨器。


電路功能簡述:

該結構的特點是利用M2的負反饋來減小源極跟隨器的輸出電阻,將其從 %5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm1%7D%2Bg_%7Bmb1%7D%7D縮小至?%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm1%7D%2Bg_%7Bmb1%7D%7D%20%5Cleft(%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm2%7Dr_%7Bo1%7D%7D%5Cright).

書中給出了定性角度和定量角度(小信號等效電路)的分析,此處不再加以贅述,僅給出書中推導的最終結果:

%5Cleft%5C%7B%20%5Cbegin%7Baligned%7D%20R_%7Bout%7D%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm1%7D%2Bg_%7Bmb1%7D%7D%20%5Cleft(%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm2%7Dr_%7Bo1%7D%7D%5Cright)%5C%5C%20%5Cfrac%7Bv_o%7D%7Bv_%7Bin%7D%7D%26%5Capprox%5Cfrac%7Bg_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%7D%7B1%2B(g_%7Bm1%7D%2Bg_%7Bmb1%7D)r_%7Bo1%7D%2B%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm2%7Dr_%7Bo2%7D%7D%7D%20%5Cend%7Baligned%7D%20%5Cright.%5Ctag%7B1%7D


基于cascode的電壓傳遞特性的分析過程:

接著我們嘗試從電路特性(功能)出發(fā),利用cascode的電壓傳遞特性,嘗試快速分析出SSF輸出電阻R_%7Bout%7D的大小。


對于cascode,只要 r_1?足夠大,便有以下電壓傳遞特性:


該圖想要表達的意思是,只要 V_X處電壓變化%5CDelta%20V_X?,作為共柵組態(tài)連接的M1就會將該變化放大%5Cleft(%20g_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%20%5Cright)倍施加到M1的漏端,則V_%7BGS2%7D增大了%5Cleft(%20g_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%20%5Cright)%5CDelta%20V_X的小信號電壓。由于M2的壓控電流源特性,使得M2上的漏極電流增大了 g_%7Bm2%7D%5Cleft(%20g_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%20%5Cright)%5CDelta%20V_X?的小信號電流。

由于M2對電流的抽取,使得SSF的 I_%7BX%7D?變得更大,且 I_%7BX%7D?絕大部分來自M2的抽取,故可以忽略掉M1小部分電流的抽取。由輸出電阻的計算公式:

%5Cbegin%7Baligned%7D%20R_%7Bout%7D%26%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20V_X%7D%7B%5CDelta%20I_X%7D%5C%5C%20%26%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20V_X%20%7D%7Bg_%7Bm2%7D%5Cleft(%20g_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%20%5Cright)%5CDelta%20V_X%7D%5C%5C%20%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm2%7D%5Cleft(%20g_%7Bm1%7Dr_%7Bo1%7D%20%5Cright)%7D%20%5Cend%7Baligned%7D%20%20%5Ctag%7B2%7D

可見,該方法得到的輸出電阻與書中通過小信號等效電路分析的結果是相同的,當然此處沒有考慮襯偏效應,若考慮襯偏效應,只需在(2)中將 g_%7Bm1%7D?改為 %EF%BC%88g_%7Bm1%7D%2Bg_%7Bmb1%7D%EF%BC%89?即可。

至此,輸出電阻分析完畢。


該連接組態(tài)對電壓增益的影響:

進一步,從(1)電壓增益的表達式來看,SSF相較于SF帶來了更大的偏差,表現(xiàn)在分母部分出現(xiàn)的%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bg_%7Bm2%7Dr_%7Bo2%7D%7D ,但若g_%7Bm2%7Dr_%7Bo2%7D%5Cgg1 ,該部分帶來的偏差不會很大,故可以認為SSF(增加了一個M2管和電流源)對SF的電壓增益影響不大。

思考:以上cacode電壓傳遞特性是否一定成立?如果不一定的話,在什么情況下成立?在什么情況下又不成立?

提示:回歸cascode小信號分析。



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