模擬CMOS集成電路設計頻率響應PPT教案

1、模擬模擬CMOS集成電路設計集成電路設計(shj)頻率響應頻率響應第一頁，共66頁。 前面我們對各種單級放大器的分析僅集中在前面我們對各種單級放大器的分析僅集中在它們的低頻特性上，忽略了器件的寄生電容和負它們的低頻特性上，忽略了器件的寄生電容和負載電容的影響。然而在模擬電路中，電路的速度載電容的影響。然而在模擬電路中，電路的速度和其它性能指標是相互影響和相互制約的和其它性能指標是相互影響和相互制約的(如增益如增益，速度，速度；速度；速度，功耗，功耗；噪聲；噪聲，速度，速度) ：可：可以犧牲其它指標來換取高的速度，也可以犧牲速以犧牲其它指標來換取高的速度，也可以犧牲速度指標來換取其它性能指標的改

2、善。因此理解度指標來換取其它性能指標的改善。因此理解(lji)單級放大器的頻率響應是深入理解單級放大器的頻率響應是深入理解(lji)模模擬電路的重要基礎。擬電路的重要基礎。第1頁/共66頁第二頁，共66頁。ViV0SRCSRC1 11 11/SC1/SCR R1/SC1/SCV VV VA(S)A(S)i i0 02 2P PP Pi i0 0) )f ff f( (1 11 1| |f ff fj j1 11 1| | |j2j2fRCfRC1 11 1| |(f)(f)V VV V1 1/ /2 2R RC Cf fp pP Pi i0 0f ff fa ar rc ct tg g( (j

3、 jf f) )V VV V式中式中:S SC C1 1R極點極點(jdin)第2頁/共66頁第三頁，共66頁。0 0Z Z1 1P P1 1P P2 2S SA A ( (1 1) )Z Z( (S S) )A A( (S S) ) = = =S SS SP P( (S S) )( (1 1 + +) )( (1 1 + +) )在線性系統(tǒng)中在線性系統(tǒng)中, 電容電容C的阻抗用的阻抗用1/SC, 電感電感L的阻抗用的阻抗用SL, 利用利用(lyng)純電阻分析方法求得輸出電壓與輸純電阻分析方法求得輸出電壓與輸入電壓之比即為系統(tǒng)的傳輸函數(shù)入電壓之比即為系統(tǒng)的傳輸函數(shù)A(S)。即即:A(S)=V0

4、(S)/Vin(S), 它是算子它是算子S的函數(shù)。傳輸函數(shù)的函數(shù)。傳輸函數(shù)具有重要意義，它不僅可以用來分析系統(tǒng)的頻率特具有重要意義，它不僅可以用來分析系統(tǒng)的頻率特性，其性，其L-1(A(S)(傳輸函數(shù)的拉普拉斯逆變換傳輸函數(shù)的拉普拉斯逆變換)就是系就是系統(tǒng)的時域沖擊響應，對于任意的輸入信號與沖擊響統(tǒng)的時域沖擊響應，對于任意的輸入信號與沖擊響應的卷積，就是該輸入信號作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)的時應的卷積，就是該輸入信號作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)的時域響應。域響應。右式為一兩極點右式為一兩極點系統(tǒng)的傳輸函數(shù)系統(tǒng)的傳輸函數(shù), 式中式中A0為系統(tǒng)的低為系統(tǒng)的低頻增益。頻增益。第3頁/共66頁第四頁，共66頁。3.在在A(

5、S)令令S=j, 則則| A(j) |的大小的大小(dxio)即是放大器的相頻特性即是放大器的相頻特性(即放大器相移與頻率即放大器相移與頻率f的函數(shù)關系的函數(shù)關系), 它也是頻率它也是頻率f的函數(shù)。顯然的函數(shù)。顯然, 極點對相位的貢獻為負極點對相位的貢獻為負, 左半平面的零點對相位的貢獻為正左半平面的零點對相位的貢獻為正, 右半平面的零點對相位的貢獻為負。右半平面的零點對相位的貢獻為負。0 0Z Z 1 1P P 1 1P P 2 2S SA A( ( 1 1 ) )Z Z ( ( S S ) )A A ( ( S S ) ) = = =S SS SP P ( ( S S ) )( ( 1 1

6、 + +) ) ( ( 1 1 + +) )1.令令 Z( S)=0, 得零點得零點SZ, 令令 P( S)=0, 得極點得極點SP , 零、極點都是零、極點都是復數(shù)復數(shù) 。若。若Re(SZ) 0, 則稱則稱SZ為右半平面零點為右半平面零點, 若若Re(SZ) 0, 則稱則稱SZ為左半平面零點為左半平面零點; 最靠近坐標原點的極點稱為第一最靠近坐標原點的極點稱為第一主極點，依次類推。主極點，依次類推。穩(wěn)定系統(tǒng)要求穩(wěn)定系統(tǒng)要求Re(SP) out , out可以忽略，可以忽略，CS放大器表現(xiàn)為一單極點特性的放大器，則：放大器表現(xiàn)為一單極點特性的放大器，則：f3dB =fPin=1/2in第18頁

7、/共66頁第十九頁，共66頁。out = RD(CGD+CDB) ; in=RSCGS+CGD(1-AV) ; AV=-gmRD如果如果MOS管所有管所有(suyu)寄生電容的大小具寄生電容的大小具有相同的數(shù)量級，有相同的數(shù)量級，RS非常小非常小(輸入信號源近似輸入信號源近似為理想電壓源為理想電壓源)，則，則inCGD+CDB)該近似結(jié)果正是密勒簡化該近似結(jié)果正是密勒簡化“目視目視”結(jié)果，該項相對于輸入結(jié)點，誤差顯然要大一些。然而，在稍后的學習中我們會發(fā)現(xiàn)，運算放大器中通常都有一個高阻抗結(jié)點結(jié)果，該項相對于輸入結(jié)點，誤差顯然要大一些。然而，在稍后的學習中我們會發(fā)現(xiàn)，運算放大器中通常都有一個高阻

8、抗結(jié)點(該結(jié)點的該結(jié)點的Rout就是下級的就是下級的RS)，利用密勒電容，利用密勒電容(dinrng)的倍增效應對運放進行頻率補償就是在該高阻抗結(jié)點形成一個第一主極點，輸出結(jié)點的影響相對要小得多，而利用密勒定理簡化該該高祖抗結(jié)點的結(jié)果的倍增效應對運放進行頻率補償就是在該高阻抗結(jié)點形成一個第一主極點，輸出結(jié)點的影響相對要小得多，而利用密勒定理簡化該該高祖抗結(jié)點的結(jié)果(相當于相當于CS放大器中的放大器中的fPin)就相當精確了！就相當精確了！第24頁/共66頁第二十五頁，共66頁。G GD Dm mz zm mG GD D2 2C Cg gf f . . . . . .g gs sC C1 1C

9、C( (C CR RC CR R) )C CR Rg g( (1 1R Rs s) )C CC CC CC CC C( (C CR RR Rs s) )R Rg g( (s sC CV VV VD DB B) )G GD DD DG GS SS SG GD DD Dm mS SD DB BG GD DS SB BG GS SG GD DG GS SD DS S2 2D Dm mG GD Di i0 0從上面的傳輸函數(shù)中我們發(fā)現(xiàn)從上面的傳輸函數(shù)中我們發(fā)現(xiàn)CS放大器還存在一個放大器還存在一個零點，這在密勒簡化分析中是沒有的，這也是兩者間零點，這在密勒簡化分析中是沒有的，這也是兩者間的最大區(qū)別。由于

10、零點在運放的穩(wěn)定性中起著很大的的最大區(qū)別。由于零點在運放的穩(wěn)定性中起著很大的作用，因此在放大器頻率特性中不能忽略，但是我們作用，因此在放大器頻率特性中不能忽略，但是我們可以利用另外一種可以利用另外一種(y zhn)方法來求方法來求CS放大器的零放大器的零點點fZ。根據(jù)傳輸函數(shù)零點的的定義，根據(jù)傳輸函數(shù)零點的的定義，CS放大器的零點放大器的零點fZ為：為：第25頁/共66頁第二十六頁，共66頁。Vin第26頁/共66頁第二十七頁，共66頁。1 1G GD DZ Zm m 1 1V VC C S S = =g g V Vm mZ ZG GD Dg gS S = =C C零點零點SZ也可以這樣求：因

11、為當也可以這樣求：因為當S=SZ時，時，Vout(S)/Vin(S)0，也即，也即Vout(S) 0，這意味著即使，這意味著即使(jsh)此時將輸出此時將輸出結(jié)點短路，必有結(jié)點短路，必有Iout=0。第27頁/共66頁第二十八頁，共66頁。沒有沒有(mi yu)密勒效應密勒效應-CGD 沒有沒有(mi yu)接接在輸出于輸入結(jié)點之間在輸出于輸入結(jié)點之間 (因小信號因小信號MOS管漏極管漏極D接接地地)。CL 包含如下電容包含如下電容: CSB1, CDB,SS, CGD,SS 下一下一級的輸入電容級的輸入電容 Cin。因因CGS在輸出于輸入結(jié)點之間在輸出于輸入結(jié)點之間 ，in無法無法“目目視視

12、”。第28頁/共66頁第二十九頁，共66頁。L L1 1G GS Sm m 1 1o ou ut tL L1 1o ou ut tm mG GS SC C S SV VC C S S+ +g g V V = =V V C C S S V V = =V Vg g + +C C S Si in nS S1 1G GS S1 1o ou ut tG GD D1 1o ou ut tV V = =R R V VC C S S+ +( (V V + +V V ) )C C S S + +V V + +V VKCL:KVL:第29頁/共66頁第三十頁，共66頁。m mG GS SG GD DG GD DS

13、 Sm mL LG GD DG GD DG GS SL LG GS SS S2 2G GS Sm mi i0 0g gC CC CC CR Rg gs s) )C CC CC CC CC C( (C CR Rs ss sC Cg gV VV V) ) f f( (f f , , C CC CC CR Rg g2 2g gf fp p1 1p p2 2G GS SL LG GD DS Sm mm mp p1 1 g gC CC CC CR R2 21 1m mG GS SL LG GD DS S第30頁/共66頁第三十一頁，共66頁。第31頁/共66頁第三十二頁，共66頁。m mb bm mb

14、bm mG GS Si in n1 1/ /g g/ /g gg g1 1s sC C1 1Z ZL Lm mb bG GS Sm mG GS Si in ns sC Cg g1 1s sC Cg g1 1s sC C1 1Z Z若忽略若忽略(hl)CGD:(低頻時低頻時:gmb|SCL|) C C) )g g/ /( (g gg gC CC C G GD Dm mb bm mm mb bG GS Si in n(與用彌勒定與用彌勒定理時一樣理時一樣)M1體效應的等效電阻體效應的等效電阻) )s sC C1 1|g g1 1( (sCsCI Ig gI IsCsCI IV VL LmbmbGS

15、GSX Xm mX XGSGSX XX XCGS的密勒效應的密勒效應第32頁/共66頁第三十三頁，共66頁。L LG GS S2 2m mL LG GS Si in nC CC Cs sg gs sC C1 1s sC C1 1Z Z對于對于(duy)給定的給定的S=j, 輸輸入阻抗由入阻抗由 CGS 、CL 和一個和一個負電阻負電阻 -gm/(CGSCL2)(S2|s=j=-2)串聯(lián)。串聯(lián)。(高頻時高頻時:gmb|SCL|)L Lm mb bG GS Sm mG GS Si in ns sC Cg g1 1s sC Cg g1 1s sC C1 1Z Z第33頁/共66頁第三十四頁，共66頁

16、。S SR RX XX XO OU UT T/ /I IV VZ ZG GS Sm mG GS SS Ss sC Cg g1 1C Cs sR Rm m1/g1/g(高頻高頻(o pn)時時)(低頻時低頻時)若忽略若忽略CGD和體效應和體效應:X X1 1S SGSGS1 1X X1 1m mGSGS1 1V VV VsRsRC CV VI IV Vg gs sC CV V第34頁/共66頁第三十五頁，共66頁。(高頻高頻(o pn)時時)(低頻時低頻時)o ou ut tS SZ ZR Ro ou ut tm m1 1Z Zg g上面那個圖像更象是上面那個圖像更象是|Zout|=f( )圖像

17、？源跟隨器作為緩沖器工作必然圖像？源跟隨器作為緩沖器工作必然1/gm fP,A，fP,X fP,Y ) 。第47頁/共66頁第四十八頁，共66頁。 ) )C Cg gg gg g( (1 1 C C2 2R R1 1f fG GD D1 1m mb b2 2m m2 2m m1 1G GS S1 1S SA Ap p, ,GS2GS2SB2SB2DB1DB1GD1GD1mb2mb2m2m2X Xp,p,C CC CC CC C2 2g gg gf fGD2GD2L LDB2DB2D DY Yp,p,C CC CC C2 2R R1 1f f第48頁/共66頁第四十九頁，共66頁。因三個極點相互

18、靠近，帶寬有明顯下降。第49頁/共66頁第五十頁，共66頁。差動對因差動信號和共模信差動對因差動信號和共模信號的等效電路不一樣，故差號的等效電路不一樣，故差動響應動響應(xingyng)與共模與共模響應響應(xingyng)的高頻響的高頻響應應(xingyng)應分開分析。應分開分析。第50頁/共66頁第五十一頁，共66頁?；静罘謱Φ陌腚娐吠瑔渭壔静罘謱Φ陌腚娐吠瑔渭塁S放大器相同，故差分對的差模高放大器相同，故差分對的差模高頻響應同頻響應同CS放大器，只是需注放大器，只是需注意，因電路完全對稱，差分對的意，因電路完全對稱，差分對的極點數(shù)等于一條通路極點數(shù)等于一條通路(tngl)的的極點數(shù)

19、，而不是兩條通路極點數(shù)，而不是兩條通路(tngl)中極點數(shù)之和。中極點數(shù)之和。第51頁/共66頁第五十二頁，共66頁。D DSSSSm2m2m1m1m2m2m1m1CMCMin,in,Y YX XDMDMCMCMV,V,R R1 1)R)Rg g(g(gg gg gV VV VV VA ARSS 用用 ro3|(1/CPs)代替代替 , RD 用用 RD|(1/CL s)代替即可代替即可得到基本差分對的共模高頻得到基本差分對的共模高頻(o pn)響應。響應。第52頁/共66頁第五十三頁，共66頁。) )1 1)r)rg g(g(gC Cr rs s)(1)(1C CsRsR(1(1) )C C

20、srsr(1(11 1)r)rg g(g(g)R)Rg g(g(g1 1 s sC C1 1|)r)rg g(g(g s sC C1 1|)R)Rg g(g(gV VV VV V(s)(s)A Ao3o3m2m2m1m1P Po3o3L LD DP Po3o3o3o3m2m2m1m1D Dm2m2m1m1P Po3o3m2m2m1m1L LD Dm2m2m1m1CMCMin,in,Y YX XDMDMCMCMV,V,注意該傳輸函數(shù)有一個左半平面的零點注意該傳輸函數(shù)有一個左半平面的零點! AV,CM-DM 在在 fz=1/(2ro3CP)開始開始(kish)以以20dB/dec的斜率上升。的斜率

21、上升。第53頁/共66頁第五十四頁，共66頁。m m1 1m m2 2D D0 03 3 P PV V, , C CM M- -D DM M0 03 3 P Pm m1 1m mb b1 10 03 3D D L Lm m1 1m mb b1 10 03 3( (g g - -g g ) )R R1 1+ +S Sr r C CA A= =1 1+ +S Sr r C C( (g g + +g g ) )r r + +1 1( (1 1+ +S SR R C C ) )( (1 1+ +) )( (g g + +g g ) )r r + +1 1G GD DD Dm m1 1( (2 2) )

22、D DM MS SG GS SD DD DD DB BG GD Dm m1 1( (2 2) )( (S SC C - -g g) )R RA A = = 1 1+ +S SR R C C + +( (1 1+ +g gR R ) ) 1 1+ +S SR R( (C C + +C C ) ) 在某一頻率在某一頻率 f=fP,DM 差模增益差模增益 ADM 開始下開始下降。降。在某一頻率在某一頻率 f=fZ,CM共模增益共模增益 ACM開始上升。開始上升。從某種意義上說，上面兩個頻率中更低的一從某種意義上說，上面兩個頻率中更低的一個個(y )頻率才是放大器的帶寬。頻率才是放大器的帶寬。第54頁

23、/共66頁第五十五頁，共66頁。基本差分基本差分(ch fn)對的共模高頻特性一般由節(jié)點對的共模高頻特性一般由節(jié)點P的總電容決定。因為為使輸出擺幅盡可能大，需的總電容決定。因為為使輸出擺幅盡可能大，需M1(2)和用作尾電流管的和用作尾電流管的M3過驅(qū)動電壓盡可能小過驅(qū)動電壓盡可能小(特別是在低電源電壓情況下特別是在低電源電壓情況下)，即它們的寬長比較大，于是，即它們的寬長比較大，于是P點的寄生電容可能會變得相當大。如果此時輸出極點頻率點的寄生電容可能會變得相當大。如果此時輸出極點頻率(同差模時該節(jié)點的極點頻率同差模時該節(jié)點的極點頻率)遠大于遠大于P點的極點頻率點的極點頻率(也即也即P點高阻特性

24、明顯下降時，輸出節(jié)點的阻抗還很高點高阻特性明顯下降時，輸出節(jié)點的阻抗還很高)，則此時共模增益，則此時共模增益ADM增加增加，CMRR減小減小(即尾電流阻抗下降導致即尾電流阻抗下降導致CMRR ) ，如果電路失配，共模，如果電路失配，共模差模的轉(zhuǎn)換電平較大，輸出端高頻電源噪聲和輸入端的共模噪聲顯著增加。差模的轉(zhuǎn)換電平較大，輸出端高頻電源噪聲和輸入端的共模噪聲顯著增加。第55頁/共66頁第五十六頁，共66頁。CL 包括包括(boku)M3、M4的的CGD 和和 CDB差分輸出時差分輸出時, CGD3 和和 CGD4 感應到節(jié)點感應到節(jié)點 G的信號大的信號大小相等、方向相反，故小相等、方向相反，故G

25、點小信號時接地。點小信號時接地。也可以理解為也可以理解為M3、M4的柵極接的是一個固定偏置電的柵極接的是一個固定偏置電平，它不隨輸入信號的變化而變化，故平，它不隨輸入信號的變化而變化，故G點小信號時點小信號時接地。接地。第56頁/共66頁第五十七頁，共66頁。1 1) )C C( (C CR RC CR R) )C CR Rg g( (1 1R Rs s) )C CC CC CC CC C( (C CR RR Rs s) )R Rg g( (s sC C( (s s) )V V( (s s) )V VD DB BG GD DD DG GS SS SG GD DD Dm mS SD DB BG

26、GD DS SB BG GS SG GD DG GS SD DS S2 2D Dm mG GD Di in no ou ut t將前面帶電阻負載時的傳輸函將前面帶電阻負載時的傳輸函數(shù)數(shù)(hnsh)中的中的 RD 用用 ro1|ro3代替即得到恒流源負代替即得到恒流源負載的差分對傳輸函數(shù)載的差分對傳輸函數(shù)(hnsh)。1.由于由于ro1|ro3和和CL較大，因此該節(jié)點的極點頻率較輸較大，因此該節(jié)點的極點頻率較輸入極點低，是第一主極點。入極點低，是第一主極點。2. fh1/2CL(ro1|ro3 )第57頁/共66頁第五十八頁，共66頁。帶電流源負載帶電流源負載(fzi)的差分對的差分對的共模響應

27、同帶電阻負載的共模響應同帶電阻負載(fzi)差分對的共模響應完全一樣，差分對的共模響應完全一樣，只須用只須用 ro1|ro3代替代替RD即可。即可。節(jié)點節(jié)點P形成的極點依然是主極點。形成的極點依然是主極點。第58頁/共66頁第五十九頁，共66頁。由于電路非完全對稱由于電路非完全對稱(duchn)，該電路差模，該電路差模響應有兩個極點，一個響應有兩個極點，一個在輸出節(jié)點，一個在節(jié)在輸出節(jié)點，一個在節(jié)點點X(注意雙端輸出時沒注意雙端輸出時沒有這個極點有這個極點)，該極點也，該極點也稱稱“鏡像極點鏡像極點”。XCX/gm3， CX是是 X節(jié)點到地的總電容，節(jié)點到地的總電容，它它包含包含CGS3,CG

28、S4,CDB3,CDB1 和和 CGD1 及及 CGD4的密勒效應。的密勒效應。下面來求其傳輸函數(shù)。下面來求其傳輸函數(shù)。第59頁/共66頁第六十頁，共66頁。第60頁/共66頁第六十一頁，共66頁。M4 的小信號電流為的小信號電流為 gm4VE- gm4VE-IX=Vout(CLs+roP-1)L LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmP2 2L LE EoNoNoPoPE EmPmPoNoNmNmNininoutout)C)Cr r2g2g(1(1r r)C)Cr r(2r(2ra a) )r r(r(r2g2gasass sC CC Cr r2r2rs)s)

29、C C(2g(2gr rg gV VV V第61頁/共66頁第六十二頁，共66頁。L LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmP2 2L LE EoNoNoPoPE EmPmPoNoNmNmNininoutout)C)Cr r2g2g(1(1r r)C)Cr r(2r(2ra a) )r r(r(r2g2gasass sC CC Cr r2r2rs)s)C C(2g(2gr rg gV VV V由于鏡像極點比輸出極點高很多，用前面估算由于鏡像極點比輸出極點高很多，用前面估算( sun)極點的方法可得：極點的方法可得：L LoNoNoPoPL LoNoNmPmPoPoPoPoPoNoNmPmPL LoNoNmPmPoPoPoPoPoNoNmPmPL LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmPh h)C)Cr r|(r(r1 1C Cr rg g2r2r) )r r(r(r2g2g)C)Cr r2g2g(1(1r r) )r r(r(r2g2g)C)Cr r2g2g(1(1r r)C)Cr r(2r(2r) )r r(r(r2g2gf fL LoPo