模擬cmos集成電路設(shè)計(拉扎維)第3章單級放大器(一)

1、模擬集成電路原理第3章 單級放大器董剛微電子學(xué)院12上一講基本概念簡化模型開關(guān)結(jié)構(gòu)符號I/V特性特性閾值電壓I-V關(guān)系式關(guān)系式跨導(dǎo)二級效應(yīng)體效應(yīng)、溝道長度調(diào)制效應(yīng)、亞閾值導(dǎo)電性器件模型版圖、電容、小信號模型等西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理3MOS飽和區(qū)時的小信號模型飽和區(qū)時的小信號模型西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理IDWL=W= nC (VGS VTH ), 飽和區(qū)時oxL4跨導(dǎo)gmVGS對IDS的控制能力IDS對VGS變化的靈敏度gm = gm = 2nCox IDVGS VDS cons tan t2IDVGS V TH西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理5本講放大器基礎(chǔ)知識共源級電

2、阻做負(fù)載共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級電流源做負(fù)載共源級深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級帶源極負(fù)反饋西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理6信號放大基本功能為什么信號需要放大？信號太小，不能驅(qū)動負(fù)載降低后續(xù)噪聲影響用于反饋電路中，改善線性度、帶寬、輸入/輸出電阻、提高增益精度等輸出電阻、提高增益精度等單級放大器學(xué)習(xí)其分析方法理解復(fù)雜電路的基礎(chǔ)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理7放大器基礎(chǔ)知識輸入輸出關(guān)系在一定信號范圍內(nèi)可用非線性函數(shù)表示在取值范圍足夠小時a0是直流偏置點，是直流偏置點，a1是小信號增是小信號增益當(dāng)x(t)變化幅度過大時會影響偏置點，需用大信號分析；會影響線性度西電微電子學(xué)院董

3、剛模擬集成電路原理8放大器的性能參數(shù)參數(shù)之間互相制約，設(shè)計時需要在這些參數(shù)間折衷AIC設(shè)計的設(shè)計的八邊形法則西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理9本講放大器基礎(chǔ)知識共源級電阻做負(fù)載共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級電流源做負(fù)載共源級深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級帶源極負(fù)反饋西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理10共源級電阻做負(fù)載大信號分析飽和區(qū)時轉(zhuǎn)換點Vin1線性區(qū)時西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理11共源級電阻做負(fù)載大信號分析線性區(qū)時深線性區(qū)時Vout 2(Vin VTH )西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理12共源級電阻做負(fù)載小信號分析飽和區(qū)時大信號關(guān)系式小信號增益與小信號等效電路結(jié)果一

4、致增益隨Vin的變化而變化，在信號擺幅較大時會引入非線性西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理WL13共源級電阻做負(fù)載Av的最大化Av = gm RDAv = 2n CoxWLVRDIDg m = n Cox(V GS V TH )增大W/L；寄生電容增大，帶寬減小增大VRD；輸出擺幅減小減小ID；RD會很大，輸出節(jié)點時間常數(shù)增大西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理14共源級電阻做負(fù)載考慮溝長調(diào)制效應(yīng)I D = 1/ rO西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理15共源級電阻做負(fù)載考慮溝長調(diào)制效應(yīng)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理16共源級電流源做負(fù)載能獲得較大的增益Av = g m ( ro | RD)

5、Av = g m ro本征增益本征增益為多大？西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理=17共源級電流源做負(fù)載本征增益Av = g m ro gm =2IDVGS VTH, rO =1IDAv =(VGS2 2VA VTH ) VOVVOV一般不能隨工藝下降，要保證強反型（100mV以上），一般取200mV本征增益約501100.4m工藝時最小工藝時最小L的的NMOS管管VA,NMOS=11V， VA,PMOS=5.5V西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理L增大時可以更大增大時可以更大1/gmrO成立18共源級電阻做負(fù)載實際應(yīng)用情況在CMOS工藝下，精確阻值的電阻難加工阻值小時增益小，阻值大時，電阻的

6、尺寸太大，還會降低輸出擺幅一般用MOS管代替電阻做負(fù)載二極管接法的MOS管、電流源、線性區(qū)MOS管西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理19本講放大器基礎(chǔ)知識共源級電阻做負(fù)載共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級電流源做負(fù)載共源級深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級帶源極負(fù)反饋西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理20共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載二極管接法的MOS管做為小信號電阻來用西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理21共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載無體效應(yīng)時的阻抗I X = VX / rO + g mV1二極管阻抗 = (1 / g m ) rO 1 / g m西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理

7、Vx=22共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載有體效應(yīng)時的阻抗(gm + gmb)V x + = IxroVx 1Ix gm + gmb| ro 1gm + gmb二極管阻抗比無體效應(yīng)時小西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理23共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載增益Av = g m ( ro | RD) RD 忽略rO的影響1gm + gmbAv = gm11gm2 + gmb2=gm1 1gm2 1 + 西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理1 gm1 1=24共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載增益的特點Av =gm1gm2 +gmb2 gm2 1+g m =2 n C oxWLI DAv = (W

8、 / L)1 1(W / L)2 1 + 忽略隨Vout的變化時，增益只于W/L有關(guān)，與偏置電流、電壓無關(guān)，線性度很好 =2qsiNsubCoxg mb = g m2 2 F + V SB= g m西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理W1 WW W共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載大信號特性 12 n COX ( )1 (Vin VTH 1 ) 2L= n COX ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) 22 L( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 )L L若VTH2隨Vout變化很小，則有很好線性度進(jìn)入線性區(qū)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原

9、理的轉(zhuǎn)換點 2526共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載用PMOS管做負(fù)載時PMOS管無體效應(yīng)管無體效應(yīng)忽略rO時Av = n (W / L)1p (W / L) 2優(yōu)點：增益只于尺寸有關(guān)，線性度好缺點1：大增益需要極大的器件尺寸若要求Av=10，則，則n=2p時，（W/L）1=50（W/L）2（W/L）過大會使寄生電容較大，影響帶寬西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理W W2=27共源級二極管接法的MOS 管做負(fù)載缺點2：輸出擺幅小Vout 1/gm時，Gm 1/RS西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理=38共源級帶源極負(fù)反饋考慮gmb和rO的等效跨導(dǎo)Gm和增益Gm =I out g m roVi

10、n RS + 1 + ( g m + g mb ) RS ro西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理39共源級帶源極負(fù)反饋跨導(dǎo)Gm和增益的比較Gm =gm1 + gm RSA v = G m R D= g m R D1 + g m R S當(dāng)RS=0時時當(dāng)RS0時Vin較小時，1/gmRS，Gm gm ； Vin增小時，負(fù)反饋效應(yīng)顯現(xiàn)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理40共源級帶源極負(fù)反饋Av =gm RD1+ gm RS= RD1/ gm + RSAv=“在漏極節(jié)點看到的電阻在漏極節(jié)點看到的電阻”/“在源極在源極通路上看到的電阻”可以極大地簡化更復(fù)雜電路的分析西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理41共源級帶源極負(fù)反饋輸出電阻ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro ROUT = ro ro 1 + ( gm + gmb )RS 輸出電阻增大了很多Av = Gm RD | ro 西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理Iout gmrGm = =共源級帶源極負(fù)反饋考慮體效應(yīng)和溝長調(diào)制效應(yīng)后的增益Vin RS +1+(gm +