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電流源的前世今生

2022/11/15
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簡(jiǎn)單的一個(gè)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(gè)途徑:

(1) 提高gm

(2) 提高RD

 
gm的公式有三條:

 

這三個(gè)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(shuō),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(gè)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(gè)RD,戲也唱不下去了。

比如說(shuō),原來(lái)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(shí)放大器早就歇菜了。

那怎么辦?這時(shí)候,就要變個(gè)戲法了。

就是給他一個(gè)像RD,但又不是RD的東西。這個(gè)東西就是電流源

理想的電流源,等效為開(kāi)路,也就是電阻為∞。因?yàn)橛性丛床粩嗟碾娏?,所以不用?dān)心放大器的偏置問(wèn)題;而在小信號(hào)模型中,又等效于開(kāi)路,即沒(méi)有。

所以,就這樣一個(gè)簡(jiǎn)單又巧妙的操作,把放大器的增益,提高了好幾個(gè)檔次。

 

那電流源又該怎么來(lái)實(shí)現(xiàn)呢?

一個(gè)簡(jiǎn)單的共源電路,即等效于一個(gè)電流源,不過(guò)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(gè)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(gè)電阻Rs.此時(shí)輸出電阻又被提高幾個(gè)檔次。

 

不過(guò),用電阻RS,有個(gè)缺點(diǎn),就是其也會(huì)產(chǎn)生壓降,則就會(huì)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(huì)讓管子進(jìn)入線性區(qū),此時(shí)MOS管就不能等價(jià)于電流源了。

更重要的一點(diǎn)事,RS這個(gè)阻值還不夠大。

還可以更大點(diǎn)。

這就是NMOS cascade current source。

 

所以,當(dāng)電路中需要電流源時(shí),可以用cascade current source來(lái)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(shuō)到這,可能有點(diǎn)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(lái)講,這種cascode結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成高增益放大器呢?

其實(shí),前面都在講怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的電流源。但是這個(gè)理想電流源的實(shí)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(gè)共柵放大器,所以又稱為共源共柵放大器。

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