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電流源的前世今生

2022/11/15
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簡單的一個共源放大器,如下圖

 

考慮溝道調(diào)制效應(yīng),則

 

所以,想要提高放大增益,有兩個途徑:

(1) 提高gm

(2) 提高RD

 
gm的公式有三條:

 

這三個公式,告訴我們,gm與公式中涉及到的這些因素相關(guān)。

直觀上想想,這些因素,都不能把gm提高太多。

比如說,增加W,可以提高gm,但是那又怎樣?就算增加W,不影響其他性能,那你能把寬度設(shè)到一個晶圓那么大?

所以從gm這條途徑走不通,那就走提高RD這條。

可是,如果RD還是那個RD,戲也唱不下去了。

比如說,原來RD為1kohm,然后想把電壓增益,提高100倍,啪地一下,給RD整成100kohm,你以為你的增益能提高100倍,其實放大器早就歇菜了。

那怎么辦?這時候,就要變個戲法了。

就是給他一個像RD,但又不是RD的東西。這個東西就是電流源。

理想的電流源,等效為開路,也就是電阻為∞。因為有源源不斷的電流,所以不用擔(dān)心放大器的偏置問題;而在小信號模型中,又等效于開路,即沒有。

所以,就這樣一個簡單又巧妙的操作,把放大器的增益,提高了好幾個檔次。

 

那電流源又該怎么來實現(xiàn)呢?

一個簡單的共源電路,即等效于一個電流源,不過不太理想。

理想的電流源,Rout=∞;

共源電路,由于溝道調(diào)制效應(yīng),Rout=r0.

那怎樣讓這個電流源更接近理想呢?原則就是提高其Rout。

可以在源極增加一個電阻Rs.此時輸出電阻又被提高幾個檔次。

 

不過,用電阻RS,有個缺點,就是其也會產(chǎn)生壓降,則就會導(dǎo)致在同樣的供電電壓VDD下,VDS的值減小,VDS減小,則可能會讓管子進(jìn)入線性區(qū),此時MOS管就不能等價于電流源了。

更重要的一點事,RS這個阻值還不夠大。

還可以更大點。

這就是NMOS cascade current source。

 

所以,當(dāng)電路中需要電流源時,可以用cascade current source來替代。

這種Cascade結(jié)構(gòu),不僅可以使得電流源更接近理想電流源,它還還能成就高增益放大器。

說到這,可能有點糊涂啊。

電流源不就是為了使得放大器的增益更高么?那為啥又要單拎出來講,這種cascode結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成高增益放大器呢?

其實,前面都在講怎么實現(xiàn)一個理想的電流源。但是這個理想電流源的實現(xiàn),也只是讓共源放大器變?yōu)锳v=-gmro,而不要被電阻RD拖累。

而成就高增益放大器,是為了提高上面式子中的r0。

cascode放大器,可以看成共源放大器后面跟著一個共柵放大器,所以又稱為共源共柵放大器。

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