推荐参考资料: B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2nd ed.第 2 章把 MOS 器件的大信号方程与小信号模型搭好从本章开始进入模拟电路的第一种基本模块放大器。本篇先回答三个问题放大器为什么必要、理想放大器长什么样、真实 CMOS 放大器与理想之间有哪些差距以及由此衍生出的一组性能指标。1. 放大器的作用放大是模拟电路最核心的功能之一。需要它的原因主要有两类开环场景自然界绝大多数物理信号声音、光、温度、生物电幅度极小必须先放大到与噪声拉开差距才能被后级正确处理。这是信噪比SNR的需求闭环场景反馈系统的核心环节是一个高增益放大器。增益越大闭环精度越高反馈越能压住非理想性2. 理想放大器的三条标准理想放大器的三个属性线性输入输出严格成比例且这一比例与频率、幅值无关无限大的输入阻抗不从信号源汲取任何电流无限大的驱动能力输出阻抗为零可驱动任意负载2.1 线性把放大器的输入输出关系做泰勒展开ya0a1xa2x2a3x3⋯ y a_0 a_1 x a_2 x^2 a_3 x^3 \cdotsya0a1xa2x2a3x3⋯理想线性意味着只有a1a_1a1项存在。一旦出现a2a_2a2及以上的高阶项输入正弦信号经过放大器后会产生频率转换例如cos2(ωt)12(1cos2ωt)\cos^2(\omega t) \tfrac{1}{2}(1\cos 2\omega t)cos2(ωt)21(1cos2ωt)中含直流和二次谐波原本不存在的频率成分被生造了出来。这就是失真。现实放大器无法消除高阶项只能把a2a_2a2、a3a_3a3等做得尽量小。2.2 输入阻抗与输出阻抗以电压型放大器为例。信号从源内阻RSR_SRS后的源VSV_SVS进入放大器输入端VinVS⋅RinRSRin V_{in} V_S \cdot \frac{R_{in}}{R_S R_{in}}VinVS⋅RSRinRin希望Rin→∞R_{in} \to \inftyRin→∞这样无论信号源内阻多大输入端电压都等于源电压信号无衰减地传入放大器。输出端到负载RLR_LRL之间同理VoutVout′⋅RLRoutRL V_{out} V_{out} \cdot \frac{R_L}{R_{out} R_L}VoutVout′⋅RoutRLRL希望Rout→0R_{out} \to 0Rout→0这样无论负载多重输出电压都不被分压拉低对应无限大的驱动能力。3. 真实 CMOS 放大器与理想的差距实际的 CMOS 放大器在每条标准上都有妥协信号摆幅有限输出最大不超过VDDV_{DD}VDD最小不低于地甚至更窄取决于器件饱和裕度频率范围有限寄生电容与负载电容引入极点超过某个频率增益就会下降存在非线性MOS 的IDI_DID–VGSV_{GS}VGS平方律本身就贡献a2a_2a2项进入大信号摆幅时高阶项更显著4. 关心的性能指标把理想 vs 真实的偏差量化下来就是模拟放大器设计要管的一组指标电源电压VDDV_{DD}VDD电源会波动、带噪声电路对电源变化的抑制能力是关键直流摆幅DC range输出能合法摆动的电压区间小信号电压增益AvA_vAv输入/输出阻抗频率响应增益随频率的变化决定带宽噪声内部器件噪声叠加到输出线性度高阶项a2a_2a2、a3a_3a3相对a1a_1a1的大小功耗版图面积这些指标几乎两两耦合增大偏置电流可换来更高gmg_mgm与带宽但功耗与面积上升放大尺寸可降噪声、提高匹配但寄生电容拖慢速度。因此模拟IC设计是一个多维优化问题。Razavi 用一个八角形把八个指标串起来每条边代表一对相互制约的指标。模拟设计没有最优解只有在给定约束下的折中解。
模拟CMOS集成电路设计 3.1 单极放大器概述
发布时间：2026/5/16 13:18:05
推荐参考资料: B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2nd ed.第 2 章把 MOS 器件的大信号方程与小信号模型搭好从本章开始进入模拟电路的第一种基本模块放大器。本篇先回答三个问题放大器为什么必要、理想放大器长什么样、真实 CMOS 放大器与理想之间有哪些差距以及由此衍生出的一组性能指标。1. 放大器的作用放大是模拟电路最核心的功能之一。需要它的原因主要有两类开环场景自然界绝大多数物理信号声音、光、温度、生物电幅度极小必须先放大到与噪声拉开差距才能被后级正确处理。这是信噪比SNR的需求闭环场景反馈系统的核心环节是一个高增益放大器。增益越大闭环精度越高反馈越能压住非理想性2. 理想放大器的三条标准理想放大器的三个属性线性输入输出严格成比例且这一比例与频率、幅值无关无限大的输入阻抗不从信号源汲取任何电流无限大的驱动能力输出阻抗为零可驱动任意负载2.1 线性把放大器的输入输出关系做泰勒展开ya0a1xa2x2a3x3⋯ y a_0 a_1 x a_2 x^2 a_3 x^3 \cdotsya0a1xa2x2a3x3⋯理想线性意味着只有a1a_1a1项存在。一旦出现a2a_2a2及以上的高阶项输入正弦信号经过放大器后会产生频率转换例如cos2(ωt)12(1cos2ωt)\cos^2(\omega t) \tfrac{1}{2}(1\cos 2\omega t)cos2(ωt)21(1cos2ωt)中含直流和二次谐波原本不存在的频率成分被生造了出来。这就是失真。现实放大器无法消除高阶项只能把a2a_2a2、a3a_3a3等做得尽量小。2.2 输入阻抗与输出阻抗以电压型放大器为例。信号从源内阻RSR_SRS后的源VSV_SVS进入放大器输入端VinVS⋅RinRSRin V_{in} V_S \cdot \frac{R_{in}}{R_S R_{in}}VinVS⋅RSRinRin希望Rin→∞R_{in} \to \inftyRin→∞这样无论信号源内阻多大输入端电压都等于源电压信号无衰减地传入放大器。输出端到负载RLR_LRL之间同理VoutVout′⋅RLRoutRL V_{out} V_{out} \cdot \frac{R_L}{R_{out} R_L}VoutVout′⋅RoutRLRL希望Rout→0R_{out} \to 0Rout→0这样无论负载多重输出电压都不被分压拉低对应无限大的驱动能力。3. 真实 CMOS 放大器与理想的差距实际的 CMOS 放大器在每条标准上都有妥协信号摆幅有限输出最大不超过VDDV_{DD}VDD最小不低于地甚至更窄取决于器件饱和裕度频率范围有限寄生电容与负载电容引入极点超过某个频率增益就会下降存在非线性MOS 的IDI_DID–VGSV_{GS}VGS平方律本身就贡献a2a_2a2项进入大信号摆幅时高阶项更显著4. 关心的性能指标把理想 vs 真实的偏差量化下来就是模拟放大器设计要管的一组指标电源电压VDDV_{DD}VDD电源会波动、带噪声电路对电源变化的抑制能力是关键直流摆幅DC range输出能合法摆动的电压区间小信号电压增益AvA_vAv输入/输出阻抗频率响应增益随频率的变化决定带宽噪声内部器件噪声叠加到输出线性度高阶项a2a_2a2、a3a_3a3相对a1a_1a1的大小功耗版图面积这些指标几乎两两耦合增大偏置电流可换来更高gmg_mgm与带宽但功耗与面积上升放大尺寸可降噪声、提高匹配但寄生电容拖慢速度。因此模拟IC设计是一个多维优化问题。Razavi 用一个八角形把八个指标串起来每条边代表一对相互制约的指标。模拟设计没有最优解只有在给定约束下的折中解。
