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图 3…7 高输出阻抗恒流源电路仿真输出结果
通过与前面的仿真结果比较，可看出共源共栅电流沉的输出电阻较大（斜率的倒数为
输出电阻）。另外，体效应会使M3 管和M4 管的阈值电压变大，导致电流值低于我们的期望
值。
3。5 基本恒流源电路的敏感度分析
跨过电流沉的电压（即M2 管的漏端电压）对输出电流有很大影响，敏感度很高。通过
敏感度分析，可知道哪个元件对输出变量有最大影响。通过计算机仿真得到输出变量对元
件参数的敏感度，这在大电路设计中几乎是必须要做的一步。
。sense I（vdrain2）
。dc vdrain …2。5 2。5 0。01
3。6 基本恒流源电路的温度特性
（ ） （ （ ）（ ）） （ ） （ ）
I T =I （T ） 1＋TC I T …T =I T ＇1…0。0015 T …27 ＇
O O 0 0 0 0
29
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图 3…8 基本恒流源电路温度特性仿真输出结果
3。7 其它类型的电流源/沉
图 3…9 恒流源电路仿真输出结果
图 3…10 恒流源电路仿真输出结果
30
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第 4 章 共源放大电路分析与设计
共源放大器是CMOS电路中的基本增益级。它是典型的反相放大器，负载可以是有源负
载或者电流源。共源放大器多种实现方式如图 4…1 所示有源负载放大器，电流源负载放大
器和推挽放大器，在其他条件相同的情况下，图中电路的小信号增益由左至右依次增大。
（a） （b） （c）
图 4…1（a）有源负载共源放大器（b）电流源负载共源放大器（c）推挽共源放大器
4。1 有源负载共源放大器
在许多应用场合需要用到可高度预见其小信号和大信号特性的底增益反相器。满足此
要求的一种结构如图 4…1（a）所示，这就是PMOS有源负载共源放大器。
图 4…2 图 4…1（a）的小信号图
我们利用它的小信号图 4…2，可以计算出它的增益。对输出端的电流求和可得：
gm1vin＋gds1vout＋gm2vout＋gds2vout=0 （4…1）
求解电压增益vout/vin，得到：
1
v …g 1 g 1 K ' W L2 2
out = m m =N 1
vin g ＋g ＋g g ' W
K L1
ds 1 ds 2 m 2 m 2 P 2
（4…2）
小信号的输出电阻从图 4…2 也可以得出
31
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1 1
Rout =
g ds 1 ＋g ds 2 ＋g m 2 g m 2 （4…3）
有源电阻负载共源放大器的输出电阻抗较低，因为按二极管方式连接的M2 管具有低阻
抗的缘故。在要求反相增益级具有大带宽时，低输出阻抗是非常有用的。
4。2 电流源负载共源放大器
通常，共源放大器需要得到比有源负载共源放大器更大的增益。第二种有较高增益的
共源放大器结构是图 4…1（b）所示的电流源负载共源放大器。这种结构采用电流源负载代
替PMOS二极管连接的负载。电流源是共栅结构，采用栅极加直流电压偏置VGG2 的P沟道管
实现。
小信号性能可由图 4…2 模型中用gm2vout＝0（考虑M2 的栅极交流接地）来求得。小信
号电压增益为：
1
v …g 2K ' W 2 …1 1
out = m1 = N 1 ∝
g ＋g ＋
v L I D λ λ
in ds 1 ds 2 1 1 2 I D
（4…4）
取决于器件尺寸、电流和使用的技术，这个电路的典型增益在－10～－100 的范围内。
为了用电阻性负载得到类似的增益，必须使用远远高于 5V的电源电压。电阻性负载方法还
会大大提高功率损耗。但是，这里应该提到的是：对于低增益、高频率级，（如果不需要大
量硅面积）用电阻负载会更理想，因为它们一般都有较小的寄生电容。它们通常还比有源
负载噪声小。
这是个有意义的结果：随着直流电流的减小，增益上升。这是因为输出电导正比于偏
置电流，而跨导正比于偏置电流的平方根。增益随ID减小而增加可一直保持到电流接近亚
阀值工作区，即弱反型层出现，此时跨导变为正比于偏置电流且小信号电压增益成为偏置
电流函数的常数。如果我们假设亚阀区发生在电流近似为 1μА的时候，又如果（W/L）
1=（W/L）2=10，使用 0。8μm模型的参数值可给出图 4…1（b）所示的电流负载CMOS共源放大
器的最大增益近似为－521V/V。图 4…3 示出了电流源负载作为直流偏置电流的函数的典型
关系（假设亚区效应发生在近似等于 1μА的时候）。
图 4…3 漏极电流对电流源共源放大器的小信号电压增益的影响
32
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电流源负载CMOS共源放大器的小信号输出电阻抗可从图 4…2（gm2vout＝0）求得：
1 1
Rout = g ＋g =I D （λ＋λ）
1 2
ds 1 ds 2
（4…5）
如果ID＝200μА，沟道长度为 1μm，采用 0。8μm的模型参数值，电流源CMOS共源放
大器的输出阻抗近似为 56kΩ，与有源负载CMOS共源放大器相比此输出阻抗较高。然而，
此结果导致带宽降低。
例：在上面电路中，晶体管W/L＝100um/1。6um。假设unCox=90uA/V2， upCox=30uA/V2，
Ibias＝100uA，rds…n=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇， rds…p=＇12000L（um）＇/＇ID（mA）＇，这一级
的增益是多少？
解：gm1 的值由下式得出
gm1＝＇2unCox（W/L）ID1＇1/2=1。06mA/V
同时
Rds1=8000*1。6/0。1=128kΩ
Rds2=12000*1。6/0。1=192kΩ
vout …g m1
= =
有 vin g ds 1 ＋g ds 2 …1。06（128｜｜192）=…81。4
与电流源负载CMOS共源放大器对应的是电流漏共源放
大器，如图 4…4 所示结构。
它的特性和电流源负载相似
图 4…4 电流漏 4。3 推挽共源放大器
如图 4…1（a）和图 4…1（b）中M2 的栅极接到M1 的栅极，即为图 4…1（c）所示的推挽
S共源放大器。比较电流源和推挽共源放大器，可以得出，采用同样的晶体管，推挽共
源放大器具有更高的增益。这是由于两个晶体管都由vIN驱动的缘故。推挽共源放大器的另
一个优点是它的输出可以端到端的满摆幅工作。
推挽共源放大器的小信号能取决与它的工作区。如果假设M1，M2 都处于饱和区，就能
得到最大电压增益。我们可以借助图 4…5 来分析小信号性能。
图 4…5 图 4…1（c）小信号模型
33
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小信号电压增益是：
K ' W1 ＋ K ' W2
g ＋g ） N P
vout = （m1 m2 = 2 L1 L2
v g ＋g I D ＋
in