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)知識共源級電阻做負(fù)載共源級

2、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)院董剛模擬集成電路

3、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)果一致增益隨vin

4、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)av = g

5、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(qiáng)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，電阻的尺寸太大，還會

6、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vx=22共源

7、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 / l)1

8、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理的轉(zhuǎn)換點 2

9、526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 rovin rs +

10、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 + g