集成电路设计笔记（五）基于IC617带源极负反馈的共源级

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本文主要记录带源极负反馈的共源级的放大器的原理及仿真验证

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1. 原理

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电路如图所示，$R_S$RS​为源极反馈电阻

交流小信号如图所示

$V_1=-I_xR_s$V1​=−Ix​Rs​

$I_x-(g_m+g_{mb})V_1=I_x+(g_m+g_{mb})R_sIx$Ix​−(gm​+gmb​)V1​=Ix​+(gm​+gmb​)Rs​Ix

$V_x=r_o[I_x+(g_m+g_{mb})R_sI_x]+I_xR_s$Vx​=ro​[Ix​+(gm​+gmb​)Rs​Ix​]+Ix​Rs​

$R_{out}=V_x/I_x=[I+(g_m+g_{mb})R_s]r_o+R_s=[1+(g_m+g_{mb})r_o]R_s+r_o$Rout​=Vx​/Ix​=[I+(gm​+gmb​)Rs​]ro​+Rs​=[1+(gm​+gmb​)ro​]Rs​+ro​

因为$(g_m+g_{mb})r_o>>I$(gm​+gmb​)ro​>>I

所以$R_{out}\approx[1+(g_m+g_{mb})R_s]r_o$Rout​≈[1+(gm​+gmb​)Rs​]ro​

$I_{out}=g_mV_1+g_{mb}V_{bs}+I_{ro}=g_mV_1-g_{mb}V_x-\frac{I_{out}R_s}{r_o}=g_m(V_{in}-I_{out}R_s)+g_{mb}(-I_{out}R_s)-\frac{I_{out}R_s}{r_o}$Iout​=gm​V1​+gmb​Vbs​+Iro​=gm​V1​−gmb​Vx​−ro​Iout​Rs​​=gm​(Vin​−Iout​Rs​)+gmb​(−Iout​Rs​)−ro​Iout​Rs​​

可得到

$G_m=\frac{I_{out}}{V_{in}}=\frac{g_mr_o}{R_s+[1+(g_m+g_{mb})R_s]r_o}$Gm​=Vin​Iout​​=Rs​+[1+(gm​+gmb​)Rs​]ro​gm​ro​​

$R_{out}=[1+(g_m+G_{mb})r_o]R_s+r_o$Rout​=[1+(gm​+Gmb​)ro​]Rs​+ro​

可得增益为

$A_V=-G_m(R_D//R_{out})$AV​=−Gm​(RD​//Rout​)

如果忽略沟道长度调制效应和衬底偏置效应，则

交流小信号等效模型如图所示

$V_{in}-V_1=g_mR_sV_1$Vin​−V1​=gm​Rs​V1​

$I_{out}=g_mV_1$Iout​=gm​V1​

$G_m=\frac{g_m}{1+g_mR_s}$Gm​=1+gm​Rs​gm​​

$R_{out}=R_D$Rout​=RD​

$A_V=-G_mR_{out}=-\frac{g_mR_D}{1+g_mR_s}=-\frac{R_D}{\frac{1}{g_M}+R_S}\approx -\frac{R_D}{R_S}$AV​=−Gm​Rout​=−1+gm​Rs​gm​RD​​=−gM​1​+RS​RD​​≈−RS​RD​​

可知，增益与两电阻的阻值有关。

由于有源极负反馈，放大倍数不高。而且放大倍数与电阻有关，在电路中电阻越大，占有面积越大。

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2. 直流仿真验证

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原理图如图所示

将栅极电压和两个电阻均设置为变量，

变量初始值如下图所示

进行直流仿真结果，如下图所示

可知，放大倍数小，摆幅小。是因为两个电阻的比值小。

下面我们增大RD来看看，曲线的变化 。

打开参数扫描，如下图设置

开始仿真，如图所示。

RD电阻越大，增益越大。

关于，参数扫描。在参数扫描中设置的变量可以认为是第二变量，仿真后的曲线为ADE中设置的变量，在参数扫描中的变量会以多条曲线的形式画出来，仿真的步数等于曲线的条数。

我们设置RD的阻值为50K，来进行下面的仿真验证。DC仿真如下图所示。

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3. 瞬态仿真验证

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将信号源更改为正弦信号，并按下图设置

仿真结果如下图所示

可知，电路正常放大，无失真

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4. 交流小信号仿真

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设置AC仿真，频率范围设置为1K—10G

结果如下图所示

可知，增益并不高。

原理仿真就完事啦，欢迎大家留言讨论。

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