跳到正文
半导体开放世界

折叠共源共栅放大器

Folded-Cascode Amplifier也称 folded cascode、折叠式共源共栅运放

用互补电流路径安排输入与输出电平，并付出电流和寄生代价。

专深出处 3 份资料
报告问题

速览

约 1 分钟

把信号电流送进互补共栅支路，可以松开输入与输出的直流电平约束；额外供给支路同时带来电流守恒、分流和寄生电容问题。

系统理解

约 2 分钟

先用折叠节点KCL确定输入电流与共栅支流的分配，再分别检查输入共模与输出支路的电压余度。折叠提供电平安排自由度，但有限偏置源电阻会分流小信号，单端镜像路径还可能不平衡。

大信号时支路断流、寄生节点充电和非主极点会引出中心工作点之外的问题。比较拓扑需保留电流预算、器件极性、负载与输入输出窗口；全差分版本的输出共模还需另设控制。

复用共源放大器、差分对和电流镜，不重建运放总览；本节点专门核电流路径、输出阻抗与偏置余度。

关键参数

关键参数
参数单位含义
支路及带载输出电阻Ω分别报告共源共栅支路与并联负载后的增量阻抗
电压余度V逐管饱和条件确定输入/输出窗口
支路电流A静态和大信号转向的分配及最小余量

常见误区

  • 增加共栅管就能不付代价地提高实际增益。
  • 输出能碰到电源轨就代表全程高增益线性。
  • 折叠后输入输出都是轨到轨。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

电流路径、阻抗与电压余度

定义

折叠改变电流路径而保留电压电流转换

折叠共源共栅用互补类型器件将输入产生的信号电流送向共栅支路，避免把该支路直接层叠在输入管之上。它增加的是电平安排自由度，不是自动变成轨到轨输出。12

成立条件 采用互补输入与共栅器件的所示折叠拓扑；偏置支路提供所需直流电流。；输出余度按实际串联器件求，不能由折叠名称推断轨到轨。

公式

折叠节点的直流电流必须闭合

以正电流大小定义供给电流IB=输入支路电流Iin+折叠共栅支路电流If，则If=IB−Iin。输入电流增加时，固定供给下折叠支路余量减少；两支路不能分别任意指定。12

If=IB−Iin,If,min⁡=IB−Iin,maxI_f=I_B-I_{\mathrm{in}},\qquad I_{f,\min}=I_B-I_{\mathrm{in,max}}
If = IB−Iin；If,min = IB−Iin,max
IfI_f
折叠共栅支路正向电流大小单位 A
IBI_B
供给到同一折叠节点的正向电流大小单位 A
IinI_{\mathrm{in}}
输入器件从同一节点分走的电流大小单位 A
If,min⁡,Iin,maxI_{f,\min},I_{\mathrm{in,max}}
给定输入转向范围内最小折叠电流和最大输入支流单位 A

成立条件 采用IB流入、Iin和If流出同一节点的正电流大小约定；反极性结构须重画箭头。；忽略其他节点电流和暂态位移电流；IB=Iin+If是直流/准静态KCL，不把If≤0当成正常反向导通。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学某折叠节点固定供给IB=120 μA，输入支流静态50 μA、大信号最大100 μA。求静态与最小折叠电流；若IB改为80 μA会怎样？

已知

  • 正方向按IB流入、Iin与If流出
  • 只检验准静态电流余量，不声称已验证动态恢复

步骤

  1. If,Q = 120−50 = 70 μA静态余量。
  2. If,min = 120−100 = 20 μA在题定最大转向下仍有正电流。
  3. 80−100 = −20 μA负值表示原假设不能维持，实际工作点或电流转向会改变，不是预测正常反向If。
结果 静态折叠电流70 μA；最小20 μA；80 μA供给不能维持题设最大转向下的正向支流。

不能把静态偏置满足当成大信号范围也满足。

适用边界 所有数值是教学假设；正电流余量不是充分稳定性、饱和或压摆判据。

机制

额外偏置器件会分流输出电阻

折叠点上输入管与偏置电流源的有限输出电阻形成并联，再由共栅管提升。增加偏置路径并非免费：它可能降低被提升的基底电阻，使折叠结构增益受限。12

成立条件 在规定偏置的低频小信号模型内，输入及偏置器件均具有有限输出电阻。；先求折叠节点并联电阻，再计共栅提升和输出端其余负载。

边界

整体跨导要看电流实际分配

折叠输入电流可能分流到偏置源和其他支路；近似Gm≈输入管gm需要低阻电流传送路径相对于分流电阻足够强。单端镜像结构还可能出现电流不平衡因子，不能将半边电路近似套到全部接法。12

成立条件 在固定工作点由输出短路电流求Gm，明确信号电流的分流路径。；半电路与单端镜像结构分别处理，有限分流和镜像不平衡不可无条件省略。

关联

折叠偏置不能像套筒一样完全重用

套筒结构的输入和共栅器件共享串联偏置电流，折叠结构通常需要额外供给支路。比较功耗时应按电源支路总电流计算，不能只比较输入差分对的尾电流。12

成立条件 比较时先明确相同指标、实际偏置和电源支路，不只固定输入对尾电流。；直流功耗按各电源供给总电流计算，避免重复或漏计支路。

边界

NMOS输入的低端共模受尾源余度限制

NMOS输入折叠结构即使输出摆幅足够，输入共模仍需支撑输入管VGS与尾电流源所需VDS。折叠没有去掉差分输入级的低端供电余度要求。12

成立条件 限定NMOS差分输入和带尾电流源的折叠结构。；最低输入共模按输入VGS与尾源所需饱和电压及实际负电源共同计算。

边界

高端共模要核输入管漏端电平

NMOS输入结构的高端共模取决于折叠节点电位与输入管饱和条件，可能比套筒更宽。某简化模型得到高于电源的上限，不等于引脚实际允许超电源输入，模型没有包括全部端口保护与工艺限制。12

成立条件 限定所示NMOS输入拓扑，折叠节点稳态电位由其偏置支路确定。；模型中的饱和上限与引脚绝对最大额定值、结正偏和保护钳位另行核对。

关联

输出窗口由输出支路逐管余度决定

折叠结构输出高低端由与输出串接的上下器件饱和电压共同限定；输入尾源不一定直接叠在输出路径内。输出窗口应从实际电路逐管相加，不能沿用另一拓扑的堆叠数量。13

成立条件 沿实际输出到两电源的串联路径逐管检查饱和余度。；输入尾源是否进入输出堆叠取决于拓扑，不预设器件数相同。

关联

单位增益连接需要输入输出窗口相交

输入与输出直接连接时，同一电压必须同时位于输入共模允许范围和输出线性范围。折叠有助于让二者重合，但只证明输出摆幅足够，不能证明单位增益工作点可行。1

成立条件 限定输入输出相连的负反馈工作点，且闭环连接本身须可稳定。；同一电压同时满足输入共模与可用输出范围，不以单一摆幅指标替代。

边界

折叠节点的附加电容是速度代价

额外供给器件在折叠点引入寄生电容，该节点并不因低阻就可以忽略。需要结合其等效电阻和总电容检查非主极点，不能只凭输出主极点便宣称任何负载下稳定。12

成立条件 在已成立的直流工作点使用包含折叠节点总寄生电容的频率模型。；非主极点和稳定性随偏置与负载变化，不沿用只含输出主极点的低频近似。

机制

大信号转向可能使折叠支路断流

输入差分对把电流大幅转向一侧时，若供给不足，该侧折叠共栅支路可能接近零电流。再导通还需要寄生节点重新充电，直流中心点满足并不能排除这种恢复延迟。2

成立条件 输入为大信号转向，供给电流及其动态能力不足以保持该折叠支路导通。；重新导通所需时间取决于寄生电荷、充电路径及驱动电流，不由静态KCL独自给出。

边界

尺寸选择要迭代验证而非只满足增益

提高器件长度或宽度可以改善某些小信号参数，同时改变内部电容和余度。折叠设计应迭代核查电流分配、输出和输入窗口、增益及非主极点，而不是只让中心点增益达标。13

成立条件 器件尺寸变化后重新求工作点、跨导、输出电阻和节点电容。；在目标工艺、负载与反馈条件下迭代验证静态余度和动态响应，不只优化中心点增益。

出处

3 份资料 · 22 处引用
  1. 1

    模拟CMOS集成电路设计

    Behzad Razavi

    查看这个来源 →
  2. 2

    CMOS模拟集成电路设计（第3版）

    Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg

    查看这个来源 →
  3. 3

    Lecture 1 – How to Design Single Stage Op Amps

    Phillip E. Allen · 2018

    查看这个来源 →

本页结论均已对照来源核对，其中 2 条目前只有一个来源，尚未经过同行专家审阅。发现不准确的地方，请告诉我们。

报告这一页的问题