提升小信号增益：电路设计与PMOS/diode连接器的策略

本题旨在设计一个电路，其目标是通过精心选择MX、MS、二极管连接晶体管MR以及偏置电压VBS和VBS1，使小型差分信号电压增益(Vout/Vi)大于9。设计过程需要考虑以下几个关键方面： 1. **电路设计** (Circuit Design): - 重点在于设计MX和MS这两个功率型MOSFET的尺寸，以及二极管连接的MR晶体管，目的是优化它们的性能，确保在相同的饱和漏电流下，MR的电流驱动能力比MX高出大约9倍。这要求NMOS（通常具有较大沟道宽度与长度比）的W/L远大于PMOS的值。 2. **差模和共模工作模式** (Differential Mode & Common Mode): - 差模增益受到器件内部阻抗的影响，对于PMOS，从输出端向上看，阻抗主要由gm*并联电阻Ro决定；而对NMOS，向下看则包括Ro和寄生电容。由于二极管连接，增益约为gm*Ro/（gm*Ro+寄生电容），为了最大化增益，需使Vout电压极低，同时保持VGS,X接近阈值电压。 3. **小信号参数**: - 设计流程涉及计算小信号参数，如迁移率gm，以及考虑阈值电压的影响。例如，公式gm, Ro = 2>ID * (VDD - Vout - |VTn,R|) 和 gm, X = 2>ID * (VBS - VX - VTn,X)，通过比较这些值，可以确定合理的偏置电压设置。 4. **尺寸与电流关系**: - 根据器件尺寸的公式AV ≈ -sqrt(μN * W * L_X / μP * W * L_P)，可以预知NMOS的器件尺寸需比PMOS大，以补偿增益差异。 5. **电流计算**: - 通过饱和漏电流公式，分别计算了三个MOSFET（R、X和S）的电流，考虑到不考虑长度调制效应。利用这些数据，可以通过Excel制作电流估算表，确定合适的偏置电压设置。 这个设计任务涉及深入理解MOSFET的特性、差模和共模工作原理，以及如何通过精确的偏置电压控制来提高小型差分信号的增益。设计者需要结合电路理论、小信号分析和实际计算来优化器件尺寸和偏置，以满足高增益的目标。