模擬cmos集成電路設(shè)計(jì)(拉扎維)第3章單級(jí)放大器(一)

1、模擬集成電路原理第3章 單級(jí)放大器董剛微電子學(xué)院12上一講基本概念簡(jiǎn)化模型開關(guān)結(jié)構(gòu)符號(hào)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(jí)效應(yīng)體效應(yīng)、溝道長(zhǎng)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(hào)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(shí)的小信號(hào)模型飽和區(qū)時(shí)的小信號(hào)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(shí)oxL4跨導(dǎo)gmVGS對(duì)IDS的控制能力IDS對(duì)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(shí)共源級(jí)電

2、阻做負(fù)載共源級(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級(jí)電流源做負(fù)載共源級(jí)深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級(jí)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(hào)放大基本功能為什么信號(hào)需要放大？信號(hào)太小，不能驅(qū)動(dòng)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(jí)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(shí)輸入輸出關(guān)系在一定信號(hào)范圍內(nèi)可用非線性函數(shù)表示在取值范圍足夠小時(shí)a0是直流偏置點(diǎn)，是直流偏置點(diǎn)，a1是小信號(hào)增是小信號(hào)增益當(dāng)x(t)變化幅度過(guò)大時(shí)會(huì)影響偏置點(diǎn)，需用大信號(hào)分析；會(huì)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(jì)時(shí)需要在這些參數(shù)間折衷AIC設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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(shí)共源級(jí)電阻做負(fù)載共源級(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級(jí)電流源做負(fù)載共源級(jí)深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級(jí)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(jí)電阻做負(fù)載大信號(hào)分析飽和區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)換點(diǎn)Vin1線性區(qū)時(shí)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理11共源級(jí)電阻做負(fù)載大信號(hào)分析線性區(qū)時(shí)深線性區(qū)時(shí)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(jí)電阻做負(fù)載小信號(hào)分析飽和區(qū)時(shí)大信號(hào)關(guān)系式小信號(hào)增益與小信號(hào)等效電路結(jié)果一

4、致增益隨Vin的變化而變化，在信號(hào)擺幅較大時(shí)會(huì)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(jí)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(huì)很大，輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)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(jí)電阻做負(fù)載考慮溝長(zhǎng)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(jí)電阻做負(fù)載考慮溝長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(qiáng)反型（100mV以上），一般取200mV本征增益約501100.4m工藝時(shí)最小工藝時(shí)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(shí)可以更大增大時(shí)可以更大1/gmrO成立18共源級(jí)電阻做負(fù)載實(shí)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(shí)增益小，阻值大時(shí)，電阻的

6、尺寸太大，還會(huì)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(shí)共源級(jí)電阻做負(fù)載共源級(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載共源級(jí)電流源做負(fù)載共源級(jí)深線性區(qū)MOS管做負(fù)載共源級(jí)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(jí)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(hào)電阻來(lái)用西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理21共源級(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載無(wú)體效應(yīng)時(shí)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(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載有體效應(yīng)時(shí)的阻抗(gm + gmb)V x + = IxroVx 1Ix gm + gmb| ro 1gm + gmb二極管阻抗比無(wú)體效應(yīng)時(shí)小西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路原理23共源級(jí)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(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載增益的特點(diǎn)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(shí)，增益只于W/L有關(guān)，與偏置電流、電壓無(wú)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(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載大信號(hào)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(diǎn) 2526共源級(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載用PMOS管做負(fù)載時(shí)PMOS管無(wú)體效應(yīng)管無(wú)體效應(yīng)忽略rO時(shí)Av = n (W / L)1p (W / L) 2優(yōu)點(diǎn)：增益只于尺寸有關(guān)，線性度好缺點(diǎn)1：大增益需要極大的器件尺寸若要求Av=10，則，則n=2p時(shí)，（W/L）1=50（W/L）2（W/L）過(guò)大會(huì)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(jí)二極管接法的MOS 管做負(fù)載缺點(diǎn)2：輸出擺幅小Vout 1/gm時(shí)，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(jí)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(jí)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(shí)時(shí)當(dāng)RS0時(shí)Vin較小時(shí)，1/gmRS，Gm gm ； Vin增小時(shí)，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(jí)帶源極負(fù)反饋Av =gm RD1+ gm RS= RD1/ gm + RSAv=“在漏極節(jié)點(diǎn)看到的電阻在漏極節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(jí)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(jí)帶源極負(fù)反饋考慮體效應(yīng)和溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)后的增益Vin RS +1+(gm +