CMOS模擬集成電路設(shè)總復(fù)習(xí)

1、總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí)l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流鏡l 3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l 6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)P-SiP型型Si襯底襯底( (Semiconductor)N+N+柵極柵極(Gate）金屬金屬( Metal )Al層層GDS氧化物氧化物(Oxide)SiO2層層器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)MOS器件原理器件原理P-SiGDSN+N+E反型層反型層MOSFET的工作原理的工作原理導(dǎo)通過(guò)程導(dǎo)通過(guò)程P-SiGDSN+

2、N+E反型層反型層MOSFET的工作原理的工作原理導(dǎo)通過(guò)程導(dǎo)通過(guò)程P-SiGDSN+N+MOSFET的工作原理的工作原理飽和過(guò)程飽和過(guò)程MOSFET的工作原理的工作原理輸入、輸出特性曲線輸入、輸出特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線MOS管的大信號(hào)模型管的大信號(hào)模型MOS管的電流電壓關(guān)系（以管的電流電壓關(guān)系（以NMOS為例）：為例）：21)(20DSDSTGSOXDvvVvLWCi:0器件表面遷移率載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，是載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度（cm2/Vs）:OXC單位面積柵氧化物電容（F/cm2）OXOXOXtC:LW器件的

3、寬長(zhǎng)比: K跨導(dǎo)參數(shù)0OXCK MOS管的大信號(hào)模型管的大信號(hào)模型飽和區(qū)電流（以飽和區(qū)電流（以NMOS為例）：為例）：2)(2TGSDVvLWKi線性區(qū)電流（以線性區(qū)電流（以NMOS為例）：為例）：DSDSTGSDvvVvLWKi)2()(PMOS的飽和區(qū)和線性區(qū)電流表達(dá)式？的飽和區(qū)和線性區(qū)電流表達(dá)式？MOS管的小信號(hào)模型管的小信號(hào)模型小信號(hào)模型小信號(hào)模型DoIr1輸出電阻輸出電阻DmILWKg2跨導(dǎo)跨導(dǎo)omvrgA 增益增益l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流鏡l 3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l

4、6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)電流鏡電流鏡1.1.電流的比值等于管子的寬長(zhǎng)比的比值（忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）電流的比值等于管子的寬長(zhǎng)比的比值（忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）2112LWLWiiIO2.2.從管子處于飽和區(qū)的條件出發(fā)，端口導(dǎo)出電壓滿足的關(guān)系從管子處于飽和區(qū)的條件出發(fā)，端口導(dǎo)出電壓滿足的關(guān)系電流鏡 例.下圖所示電路中，假設(shè)M1和M2的寬長(zhǎng)比為40/1, M3和M4的寬長(zhǎng)比為120/1,，IREF=0.1mA,試確定VX的值和Vb的允許范圍（忽略襯偏效應(yīng)）。解：TREFGSXVLWKIVV11)/( 2TREFR

5、EFVLWKILWKI12)/( 2)/( 24010110101 .027 .04010110101 .026363V11.1V91. 07 . 04010110101 . 0263M1飽和：TGSDSVVV11TGSGSbVVVV12TGSGSbVVVV21例題M2飽和：TGSDSVVV22TGSGSbGSVVVVV221)(TGSbVVV1TTREFVVLWKI2)/( 24 .0263V61.1VVVb61. 111. 1獲得穩(wěn)定的輸出獲得穩(wěn)定的輸出電流要求所有管電流要求所有管子飽和，則此時(shí)子飽和，則此時(shí)l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流

6、鏡l 3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l 6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)帶隙基準(zhǔn)源l 三極管的基極發(fā)射極三極管的基極發(fā)射極電壓電壓VBE是是負(fù)負(fù)溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。l 兩個(gè)三極管工作在不兩個(gè)三極管工作在不同的電流密度下，其同的電流密度下，其基極發(fā)射極電壓的差基極發(fā)射極電壓的差值值 是是正正溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。BEVCmVTVKBE/2 . 2300)(lnVlnT為兩三極管電流比值nnnqkTVBE帶隙基準(zhǔn)源基本不受帶隙基準(zhǔn)源基本不受電源電源

7、和和溫度溫度的影響的影響帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu))1)(ln(322outRRnVVVTBEIRVVBEBE321IRRVVBEout)(32233)ln(RnVRVITBE帶隙基準(zhǔn)源例例. .首先推導(dǎo)下圖所示電路輸出基準(zhǔn)電壓首先推導(dǎo)下圖所示電路輸出基準(zhǔn)電壓Vout的表達(dá)式，接下來(lái)的表達(dá)式，接下來(lái)確定確定n和和(W/L)5使得基準(zhǔn)電壓在室溫下具有零溫度系數(shù)使得基準(zhǔn)電壓在室溫下具有零溫度系數(shù), ,已知已知M1M4的寬長(zhǎng)比均相等，的寬長(zhǎng)比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且，且Q3和和Q1相同。相同。解：假設(shè)解：假設(shè)(W/L)5=m(W/L)13EB12VImRVDout2EB111EB

8、VIRVD)ln(1nRVIT3EB12)ln(VnVRmRVToutTVqknTVout3EB)ln(202 . 21067. 8)ln(22nm7 .12)ln(nm只要滿足右式的所有只要滿足右式的所有m，n均可均可l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流鏡l 3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l 6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)反相器l高增益放大電路的結(jié)構(gòu)高增益放大電路的結(jié)構(gòu)差分輸入級(jí)差分輸入級(jí)共源共柵放大級(jí)共源共柵放大級(jí)輸

9、出級(jí)輸出級(jí)反相器是所有放大器中最基本的電路反相器是所有放大器中最基本的電路1.1.有源負(fù)載反相器有源負(fù)載反相器2.2.電流源負(fù)載反相器電流源負(fù)載反相器3.3.CMOS反相器反相器有源負(fù)載反相器l有源負(fù)載反相器有源負(fù)載反相器21mminoutVggvvA21211mdsmoutgggRLmoodBCgCR23123 dBf電流源負(fù)載反相器l電流源負(fù)載反相器電流源負(fù)載反相器LdsdsoodBCggCR213123 dBf211dsdsminoutVgggvvA)(112112DdsdsoutIggRCMOS反相器lCMOS反相器反相器121dsdsoutggR23 dBf2121)(dsdsmmi

10、noutVggggvvALdsdsoodBCggCR2131CMOS反相器的頻率響應(yīng)反相器極點(diǎn)頻率近似計(jì)算方法：反相器極點(diǎn)頻率近似計(jì)算方法：OUTOUTCRp11.1.頻率響應(yīng)的極點(diǎn)約等于節(jié)點(diǎn)到地的電容和電阻乘積的倒數(shù)。頻率響應(yīng)的極點(diǎn)約等于節(jié)點(diǎn)到地的電容和電阻乘積的倒數(shù)。2.2.電路中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。電路中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。有源負(fù)載反相器的頻率響應(yīng)例例. .假設(shè)下圖所示電路中假設(shè)下圖所示電路中M1的寬長(zhǎng)比為的寬長(zhǎng)比為2um/1um，M2的寬長(zhǎng)比為的寬長(zhǎng)比為1um/1um,Cgd1=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF,Cgs2=2fF,CL

11、=1pF,漏電流漏電流ID=100uA，求小信號(hào)增益和，求小信號(hào)增益和-3dB頻率。頻率。解：解：21mmVggA1 . 215021101221LWKLWKPNLDPOUTMmCILWKCCgp22)/(2)(-3dB角頻率約等于主極點(diǎn)頻率：角頻率約等于主極點(diǎn)頻率：)/(100101101001105021266sradM)(1623HzMfdB-3dB頻率頻率反相器例例 . 下圖所示電路假設(shè)下圖所示電路假設(shè)M1和和M2都工作在飽和區(qū)，求需要加多大的都工作在飽和區(qū)，求需要加多大的偏置電壓偏置電壓VGG可使流過(guò)可使流過(guò)M1和和M2的電流為的電流為100uA；此時(shí)輸入電壓；此時(shí)輸入電壓vin的直

12、流值為多少；放大器的小信號(hào)電壓增益為多少。的直流值為多少；放大器的小信號(hào)電壓增益為多少。解：解：M2工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)222)(2TNGGDVvi100)7 . 0(21102GGvVVGG05. 2M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)211|)|(2TPinDDDVvVi100)7 . 05(25502invVvin4 . 3增益：增益：211dsdsmVgggA8 .24例例. .假設(shè)下圖所示電路中假設(shè)下圖所示電路中M1的寬長(zhǎng)比為的寬長(zhǎng)比為1um/1um，M2的寬長(zhǎng)比為的寬長(zhǎng)比為2um/1um,Cgd1=0.5fF, Cgd2=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF, CL=1

13、pF,漏電漏電流流ID=300uA，電源電壓，電源電壓5V，求小信號(hào)增益和，求小信號(hào)增益和-3dB頻率。頻率。解：解：2121)(dsdsmmVggggADPDNDNDNIIILWKILWK)/(2)/(21111-3dB頻率：頻率：)/(27101)05. 004. 0(10300126sradM)(2 .423HzMfdB-3dB角角頻率：頻率：6 .181030005. 01030004. 01032105021031101102664646LDPDNOUTMdsdsCIICCggp)()()(21CMOS反相器的頻率響應(yīng)l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流鏡l 3.

14、3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l 6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)差分放大器)2()(2121vvAvvAVVCVDoutAVD：差模：差模增益增益AVC：共模增益共模增益AVD/AVC：共模抑制比共模抑制比VICMR：共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍)(21vvAVVDout理想差放理想差放:21vvvID差模輸入電壓差模輸入電壓:221vvvIC共模輸入電壓共模輸入電壓差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：抑制共模噪聲抑制共模噪聲增大了可得到的

15、最大電壓擺幅增大了可得到的最大電壓擺幅偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單線性對(duì)相對(duì)高線性對(duì)相對(duì)高電流鏡負(fù)載差分放大器大信號(hào)分析大信號(hào)分析輸入共模范圍輸入共模范圍ICMR求求ICMR方法：令方法：令vID=0,改變改變vIC直到有一個(gè)管子退出飽和區(qū)。直到有一個(gè)管子退出飽和區(qū)。satDSGSsatDSGSICVVVVV5152minTNSGDDICVVVV3max最小輸入共模電壓：最小輸入共模電壓：最大輸入共模電壓：最大輸入共模電壓：電流鏡負(fù)載差分放大器差分放大器的增益差分放大器的增益11142422)(LIWKgggASSdsdsmdV差分放大器的輸出電阻差分放大器的輸出電阻421dsdsoutg

16、gr小信號(hào)分析小信號(hào)分析增益、輸出電阻、增益、輸出電阻、-3dB帶寬帶寬mdmmggg21LdsdsOOdBCggCR)(1423差分放大器的差分放大器的-3dB帶寬帶寬電流鏡負(fù)載差分放大器例例.設(shè)計(jì)電流鏡負(fù)載差分放大器以滿足以下指標(biāo)：設(shè)計(jì)電流鏡負(fù)載差分放大器以滿足以下指標(biāo)：（1）差模增益）差模增益100V/V；（；（2）-1.5VICMR2V；（；（3）PdissVTP0,VTN1VTN0；推挽形式的源極跟隨器推挽形式的源極跟隨器小信號(hào)分析小信號(hào)分析推挽形式的源極跟隨器2121211dsdsmbsmbsmmOUTggggggr1.1.輸出電阻輸出電阻2.2.電壓增益電壓增益21212121d

17、sdsmbsmbsmmmmVggggggggA3 3. -3dB帶寬帶寬OOdBCR13LLdsdsmbsmbsmmCGgggggg)(212121輸出電阻和增益小，帶寬大輸出電阻和增益小，帶寬大l 1.1.MOS器件原理器件原理l 2.2.電流鏡電流鏡l 3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l 4.4.反相器（三種類(lèi)型）反相器（三種類(lèi)型）l 5.5.差分放大器差分放大器l 6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l 7.7.輸出放大器輸出放大器l 8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)1.1.開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益2.2.共模抑制比共模抑制比3.3.開(kāi)環(huán)輸

18、入電阻開(kāi)環(huán)輸入電阻4.4.開(kāi)環(huán)輸出電阻開(kāi)環(huán)輸出電阻0 05.5.開(kāi)環(huán)帶寬開(kāi)環(huán)帶寬6.6.沒(méi)有溫漂沒(méi)有溫漂運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器OP AMP(Operational AMPlifier)虛斷路虛斷路虛短路虛短路理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)l增益增益( (Av) )l小信號(hào)帶寬：小信號(hào)帶寬：- -3dB帶寬；單位增益帶寬。帶寬；單位增益帶寬。l輸出擺幅輸出擺幅( (Output Swing) )l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)l建立時(shí)間（建立時(shí)間（ settling time ）l共模抑制比共模抑制

19、比(CMRR)l擺率擺率(SR)l相位裕度（相位裕度（Phase Margin）l電源抑制比電源抑制比(PSRR)l噪聲和失調(diào)噪聲和失調(diào)l版圖面積版圖面積兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例約束條件約束條件l電源電壓電源電壓l工藝工藝l溫度溫度l增益增益( (Av) )l小信號(hào)帶寬（主要指小信號(hào)帶寬（主要指GB）l相位裕度相位裕度l輸出擺幅輸出擺幅( (Output Swing) )l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)l轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(SR)l功耗功耗l負(fù)載電容負(fù)載電容設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例)()/( 2)()/( 2|676664222426112,1 ,ILWKI

20、ILWKIRgRgAAAPDNoutmoutmstvstvvl增益增益( (Av) )l單位增益帶寬單位增益帶寬cmCgGB/1l相位裕度相位裕度（大于（大于60）2610mmggLCCCC22. 022. 02如果采用調(diào)零補(bǔ)償，需仔細(xì)如果采用調(diào)零補(bǔ)償，需仔細(xì)設(shè)計(jì)次極點(diǎn)和左半平面零點(diǎn)。設(shè)計(jì)次極點(diǎn)和左半平面零點(diǎn)。兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)THNGSDDinCMVVVV3max,11515min,THNONONSSGSONSSinCMVVVVVVVVl轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(SR)cCISR/5l輸出擺幅輸出擺幅電流源負(fù)載反相器的輸出擺幅電流源負(fù)載反相器的輸出

21、擺幅較大，設(shè)計(jì)時(shí)一般可不考慮。較大，設(shè)計(jì)時(shí)一般可不考慮。l功耗功耗totalSSDDdissIVVP)(兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例l例例. 兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示，要求增益兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示，要求增益5000V/V，單位增益，單位增益帶寬帶寬GB=5MHz，相位裕度不小于，相位裕度不小于60， SR=10V/uS，輸入共模范，輸入共模范圍圍-12V，輸出擺幅，輸出擺幅-22V，功耗小于，功耗小于2mW，試設(shè)計(jì)該放大器各管，試設(shè)計(jì)該放大器各管子的寬長(zhǎng)比。已知子的寬長(zhǎng)比。已知VDD=-VSS=2.5V，所有管子溝道長(zhǎng)度為，所有管子溝道長(zhǎng)度為1um，負(fù)，負(fù)載電容載電容10pF。解：解：首先設(shè)計(jì)第一級(jí)首先設(shè)計(jì)第一級(jí)（1 1）相位裕度）相位裕度60要求要求pFCCCLC2 . 222. 022. 02取最小值取最小值pFCC3（2 2）SR=10V