Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Single Stage Amplifiers (Ch. 3)p
김 영 석김 영 석
충북대학교 전기전자컴퓨터공학부
2013.3.1. .
Email: [email protected]
전화: 043-261-3137
전자정보대학 김영석 1
3.1 Basic ConceptsNon-Linear System
y(t) ≈ α0 + α1 x(t) + α2 x2(t) + … + αn xn(t)
where x(t) and y(t) may be current or voltage.
For a sufficiently narrow range of x,
y(t) ≈ α0 + α1 x(t)
where α0 can be considered the operating (bias) point and α1 the small signal gain.
Tradeoffs
전자정보대학 김영석 2
3.2 Common-Source Stage
3 2 1 Common-Source Stage with Resistive Load3.2.1 Common Source Stage with Resistive Load
CS 특징
Av= gm*RD
Large-Signal Behavior
Av= -gm*RD
Rin=infinity, Rout=RD
Large Signal Behavior
W )(1 2
DmTHinoxnDout
v
THinoxnDDDout
RgVVLWCR
VVA
VVLWCRVV
−=−−=∂∂
=
−−=
)(
)(21 2
μ
μ
전자정보대학 김영석 3
in LV∂
Common Source (cont.)
Small-Signal Behavior: VDD => AC GNDg
Dmv RgA −=
전자정보대학 김영석 4
Common Source (cont.)
Ex. 3.1: ID(Vin), gm(vin)?D in gm in
])())([(])[(
)(22
DDDDDS
THGSDS
IRVIRVVVWCVVVVWCI
VVVLinear
−−−−=−−=
−≤
μμ
)(
)]([
]2
))([(]2
)[(
inDDDDoxnDSoxnm
DDDDTHinoxnDSTHGSoxnD
VVVSaturation
VIRVLWCV
LWCg
IRVVVL
CVVVL
CI
−≥
−==
==
μμ
μμ
)(
)(21)(
21
)(
22THinoxnTHGSoxnD
THGSDS
VVWCg
VVLWCVV
LWCI
VVVSaturation
−=−=
≥
μ
μμ
전자정보대학 김영석 5
)( THinoxnm VVL
Cg −= μ
Common Source (cont.)
Channel Length Modulation (ro) 고려g 고려
Domv RrgA )||(−= omv rgA −=
Dooutin RrRR || , =∞= "Gain Intrinsic"
mv g
전자정보대학 김영석 6
3.2.2 Common Source with Diode-Connected Load
IC칩에서는 저항 면적 많이 차지 => 보통 MOSFET Diode를 Load로 사용칩에서는 저항 면적 많이 차지 보통 를 로 사용
(gm + gmb)Vx +Vx
= Ix(g g )ro
Vx 1|| r ≈
1Ix
=gm + gmb
|| ro ≈gm + gmb
전자정보대학 김영석 7
Diode-Connected MOSFETs
Body Effect 무시하면Body Effect 무시하면,
전자정보대학 김영석 8
CS with Diode-Connected Load (cont.)
NMOS Load
2
1
2
1
221
11
1)/()/(
111
m
m
mbmmv LW
LWgg
gggA
+=
+−=
+•−=
ηη
22
1 ,mbm
outin ggRR
+≈∞=
11
)/(1 n LWgA =•−=μ
PMOS Load: No Body Effect
221
1
)/(pmmv
RR
LWggA
μ
2
,m
outin gRR ≈∞=
Gain is independent of bias current!
전자정보대학 김영석 9
Gain is independent of bias current!
CS with Diode-Connected Load (cont.)
Voltage Swing 문제g g 문제
II =
221
21
)/( THGSn
DD
VVLWA
II
−−=−==>
=
μ
112)/( THGSpv VVLW
A−
>μ
( ) ( )===−
==
VVVVVV
LWLWEx pn
7020
/50/,2 . 21μμ
감소
=∴==>
===
VVA
VVVVVV
GSv
THTHTHGS
7.2 ,10
7.0,2.0
2
2111
Swing감소 Voltage=>
전자정보대학 김영석 10
3.2.3 CS with Current Source Load
부하저항, MOSFET Diode일 때 Av 증가 => RD증가 => 부하 전압 스윙 감소부하저항 일 때 증가 증가 부하 전압 스윙 감소
Current Source Load는 이 문제 해결
수백mV≈−= 22min2 THGSDS VVV
Av = −gm ro1 || ro2
수백22min,2 THGSDS
v m o1 o2
Assuming ro2 large,
Av = −gmro1 = − 2μnCox IDWL
⎛ ⎜ ⎜ ⎜
⎞ ⎟ ⎟ ⎟
1λIL⎝
⎜ ⎠ ⎟
1 λID
ro 증가 방법: W, L 증가 => Channel Length Modulation 감소 => ro 증가
전자정보대학 김영석 11
3.2.4 CS with Triode Region Load
M2 Triode 영역 동작
Av = −gmRON2
영역 동작
v gm ON2
RON 2 =1
μnCoxW⎛
⎜ ⎜ ⎞ ⎟ ⎟ (V − V − | VTHP |)μnCox
L⎝ ⎜ ⎜
⎠ ⎟ ⎟
2(VDD − Vb − | VTHP |)
단점: mobility, 문턱전압 공정, 온도에 따라 변화 => 이득 변화
장점: MOSFET Diode Load보다 Voltage Swing 크다
전자정보대학 김영석 12
3.2.5 CS with Source Degeneration
RS 이용하여 Linearize이용하여
Thevenin 등가회로 구성하여 이득 구하기
D
out
inin
outv
Rgv
vvv
vvA ==
/11
1
Sm
DDm
Sm
m
RgRRg
Rgg
+−=−
+=
/1)(
/1/1
전자정보대학 김영석 13
Overall Transconductance 개념
출력을 N t 등가회로로 표시출력을 Norton 등가회로로 표시
Gm=Overall Tranconductance
Mid-band GainMid band Gain
)||( Loutmv RRGA −=
Gm 구하기: 출력 Short
inmVGI = inm
전자정보대학 김영석 14
Overall Transconductance Gm으로 이득 구하기
Gm 구하기: 출력 Short
mminm
inmD
DSinmmD
gGVGVgI
IRVgVgI
11
111
)(
=∴==∴
−==
Mid-Band Gain
Smminm
SmD Rg
GVGRg 11 11 ++
)1(,
)||(
1111
omSooutm
m
DmDoutmv
rgRrRgG
RGRRGA
++==
−≈−=
전자정보대학 김영석 15
)(,1 111
1omSoout
Smm g
Rg+
CS with Source Denegeneration (cont.)
Body Effect와 Channel Length Modulation 고려y 와 g 고려
iR−outSmb
o
outSmout
iRvv
iRgr
iRvgi )(1
+=
−−
+=
inminout
outSin
vGviiRvv
(...)1
==+=
oSmbmS
omm rRggR
rgG])(1[ +++
=∴
전자정보대학 김영석 16
CS with Source Degeneration (cont.)직관적 회로 분석: CS with RS => Av = - 부하저항/소스저항직관적 회로 분석 부하저항 소스저항
Av =−gm RD
1+ gm RS
= −RD
1/ gm + RSm S m S
Large Signal 특성: Vin 클 때, Gm 바이어스에 무관(Linearized)
RS=0 RS=finite
전자정보대학 김영석 17
CS with Source Degeneration (cont.)
CS Output Resistancep
xSmbxSx
mx iRgiRvvgi −−
+= )(1
xSxSmbmxox
xS
xSmbo
mx
iRiRgvgirviRv
r
++−==−
)]([ 1
1
1
)(
xout
xSxSmbmxox
iRgg
= )]([ 1
oSombmout rRrggR +++= ])(1[
)||( D RRGA −=Gain: )||( outDmv RRGA
전자정보대학 김영석 18
CS with Source Degeneration (cont.)
CS Gain Example
rg
p
])(1[ oSmbmS
omm rRggR
rgG+++
=
! ])(1[
omoutmv
ombmSoout
rgRGArggRrR
−=−=+++=
omoutmv
전자정보대학 김영석 19
3.3 Source Follower
특징특징
Av=1: Voltage Buffer로서 동작
Rin=infinity, Rout=1/gm 작다
Body Effect 고려고려
/1||≈= SmbS RgRA
1 ,
/1/1||/1
=∞=
++
outin
SmmbSmv
RR
RggRgA
)1(,
η+moutin g
전자정보대학 김영석 20
Source Follower (cont.)
Source Follower with Current Source Load
Vin에 따라 ID변화, Nonlinearity 초래 => RS를 전류원으로 교체
1|| || || R
Av =gmb
|| ro1 || ro2 || RL
1 || || || 11gmb
|| ro1 || ro2 || RL + 1gm
전자정보대학 김영석 21
3.4 Common Gate
특징특징
Av는 CS와 동일, 그러나 위상 반대
AI=1: Current Buffer
Dmv RgA •=
Ideal Case
oDoutm
in rRRg
R //,1≈≈
Body Effect 고려
b gggg )1( +=+=> η
Dmv
mmbmm
RgAgggg
1)1(
)1(•+=
++>η
η
oDoutm
in rRRg
R //,)1(
1≈
+≈
η
전자정보대학 김영석 22
Common gate (cont.)
Ex. 3.10
(a) Cs경우: Av=-gm*RD, Output Matching 위해 RD=50Ohm
(b) CS/CG경우: Av =-gm*RD, 그러나 RD를 50Ohm보다 크게 할 수 있음
=> Av 증가
[Rin(M2)=50Ohm으로 Output Matching]
전자정보대학 김영석 23
Common Gate (cont.)
Channel Length Modulation (ro) 고려
bsinDSXbsmbX
m VVVIRVVgrVVgi −=−=+=+
−+= , 11
g 고려
inminSombmo
ombm
o
VGVRrggr
rggi
r
=+++++
−=])(1[
)(1
Sombmo
ombmm
Sombmo
RrggrrggG
gg
+++++
−=∴])(1[
)(1])([
Dombm
v
SombmooutDoutmv
RrggA
RrggrRRRGA++
=∴
+++=−=
)(1)(
])(1[ ),||(
DDSSombmo
v RRRrggr ++++ )(
전자정보대학 김영석 24
Common Gate (cont.)Input Resistance(ro 고려)
++
+= D
in rggR
ggR
)(1
≈=
++
inD
ombmmbm
RRIf
rgggg1 ,0
)(
∞≈∞=+
inD
mbminD
RRIfgg
,
전자정보대학 김영석 25
Common Gate (cont.)Output Resistance
RRrggrR //}])(1[{ +++=
DSombmo
DSombmoout
RRrggrRRrggrR
//})({ //}])(1[{
•++≈+++=
전자정보대학 김영석 26
3.5 Cascode Stage
특징특징
Av는 CS와 동일
주파수 특성 우수(Miller Effect 감소)
in
Dmv
RRgA 1
∞=•−=
Dombmo
Dombmooout
RrggrRrggrrR
//]})[({ //]})[({
2221
22212
+•≈+•+≈
전자정보대학 김영석 27
Cascode Stage (cont.)
Cascode Current Source
)](||)[( 3432211 moomoomV grrgrrgA −≈ )](||)[( 3432211 moomoomV ggg
전자정보대학 김영석 28