模擬集成電路設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)筆記

1、2.2 I/V特性1 .I-V特性飽和區(qū)：A）=；，（嚓-嗑F1117溝長(zhǎng)調(diào)制；/也=不房加7（噎-qj（l限）上JLjwr】一線(xiàn)性區(qū)上ID=m-（嚷-叫7-5喘JL-JI/深線(xiàn)性區(qū)：,口=4；彳（喂-以心2_y2 .跨導(dǎo)必。&7（嚷-匕力）L2.3二級(jí)效應(yīng)1 .體效應(yīng)VTH=VTH+/口2F+IA/?J2（I）模集復(fù)習(xí)筆記By瀟 然2018.6.20J2q&NW定義：VGS對(duì)IDS的控制能力（IDS對(duì)VGS變化的靈敏度）飽和區(qū)跨導(dǎo)gm表達(dá)式：2.線(xiàn)性電阻表達(dá)式2.4 MOS器件模型定義：信號(hào)相對(duì)于偏置工作點(diǎn)而言比較小、不會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)時(shí)用該模型簡(jiǎn)化計(jì)算由gmgmhrO等

2、構(gòu)成低頻小信號(hào)模型，高頻時(shí)還需加上CGS等寄生電容、寄生電阻（接觸孔電阻、導(dǎo)電層電阻等）1. MOS小信號(hào)模型溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻DVDS_11IIdll）冽D/dVDSpnCox2體效應(yīng)跨導(dǎo)-1/2丫為體效應(yīng)系數(shù)，典型值0.3-0.4V2.溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)-grnzSbJilnCox_.=(VGSVTH)d限2Ly(-CVTHIVBSJ2.完整的MOSFER、信號(hào)模型2.5放大器的性能參數(shù)AIC設(shè)計(jì)的八邊形法則分別為：速度、功耗、增益、噪聲、線(xiàn)性度、電壓擺幅、電源電壓、輸入輸出阻抗參數(shù)之間互相制約，設(shè)計(jì)時(shí)需要在這些參數(shù)間折衷3.2共源級(jí)1 .電阻負(fù)載考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng):2 .二極管接法的

3、MO轍負(fù)載NMOST極管負(fù)載powe1Dissipationinut/OLrtput”-產(chǎn)ImpedanceGainSupplyVOMAQAVoltageSwings理想情況:A=SmDSpeM14(gm+gnib)Vx-lxfo1即11g位+8岫2g成1+；VI好。PMOS管負(fù)載存在體效應(yīng)時(shí)的阻抗:gmbgb+g)54=_gnl忽略Y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(xiàn)性度很缺點(diǎn)：a.大增益需要極大的器件尺寸b.輸出擺幅小提高輸出擺幅的方法：加電流源3.電流源做負(fù)載4.深線(xiàn)性區(qū)MO密做負(fù)載叫；(VDDVb-|VTHII)LJr=gn,Rp1+鼠隨著RS增大，Gm和

4、增益都變?yōu)間m的弱函數(shù)，提高了線(xiàn)性度；但以犧牲增益為代價(jià)。5.4=一&W2帶源極負(fù)反饋增益與跨導(dǎo)另外，可以通過(guò)如下方法簡(jiǎn)便計(jì)算:民w二U+(8陽(yáng)+&附)&sr。+Rq=1+(gm+gmbVoR5+3.3源跟隨器（共漏）4_-耳RD*+g“RIgm+RAv=在漏極節(jié)點(diǎn)看到的電阻”/“在源極通路上看到的電阻”輸出電阻I+(&M+R：2.負(fù)載為電流源AgzRl+（gm+&Q&1Sm+（%+自而）gni+gmbIR3.考慮ro和R后的增益（注意分析過(guò)程）kilk21RLStubIIJII加II凡+4.負(fù)載為理想電流源時(shí)輸出電阻Ro3.4共柵級(jí)1.不考慮溝

5、長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)時(shí)增益4=g,“（i+）即體效應(yīng)導(dǎo)致增益增加2.輸入阻抗RD1+（旦押+&汕）2（g/g泌）%gm+g泌R=0時(shí)，共柵級(jí)輸入阻抗相當(dāng)于源跟隨器輸出阻抗凡=1/k。+/7）,故在RD較小時(shí)，輸入阻抗小3.輸出阻抗%r=口+（身m+g汕玩&+G計(jì)算結(jié)果同帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)的Rout,故輸出阻抗很大3.5共源共柵級(jí)1 .增益（不考慮溝長(zhǎng)調(diào)制）1/l=oRy-6ml0（注意此處為約等于且結(jié)果為負(fù)，具體增益參照P71,掌握方法即可）2 .輸出阻抗RW二11+（gm2+gmb2）02：=01+M2管將M1管的輸出阻抗提高為原來(lái)的（gm2+gmb2r02倍；有利于實(shí)現(xiàn)高增益3.其

6、他性質(zhì)：作理想電流源，代價(jià)：輸出擺幅減小X十DD/四廣9ul1rbi-ltMa匕nf%M2CascodeCurrentSource屏蔽特性：Vout端有AVout的電壓跳變時(shí)，表現(xiàn)在X點(diǎn)的電壓跳變很小，屏蔽了輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入管的影響4.折疊共源共柵5.總結(jié):口優(yōu)點(diǎn)。輸出阻抗高。高增益屏蔽特性好口不足:輸出擺幅受一定影響年折疊共源共柵級(jí)直流功耗大口應(yīng)用:*電流源:共源共柵OPA:,折疊共源共柵OPA等4.2基本差動(dòng)對(duì)1.大信號(hào)差分特性其表征放大器所允許的最大輸入差分信號(hào)上式假定了MlM2均工作在飽和區(qū)，然鵝當(dāng)匕口之一2%見(jiàn)時(shí)，已有個(gè)MOS管械止V*療L猶Y2.大信號(hào)共模特性展十%，3%皿工min%

7、-扁.?十%,%共模輸入電平必須滿(mǎn)足：3.小信號(hào)差分特性因此，當(dāng)AVin為下值時(shí)跨導(dǎo)降為0:用疊加法、半電路法均可求全差分時(shí)的差模增益，結(jié)論為：?jiǎn)芜呡斎霑r(shí)差模增益為-gmR差分輸入時(shí)差模增益為-gmR單邊輸入時(shí)單端輸出增益為-gmR/24.小信號(hào)共模特性若電路完全對(duì)稱(chēng)，則流過(guò)M1和M2管的直流電流總為ISS/2，不隨Vin,CM的變化而變化，因此，VX和VY不變；非理想性包括：M1和M2之間有失配（W/L、VTH等），的1和氐2之間有失配（阻值不完全相等等）；尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無(wú)窮大尾電流內(nèi)阻非無(wú)窮大時(shí)若電路完全對(duì)稱(chēng)，則VP會(huì)隨Vin,CM的變化而變化，導(dǎo)致尾電流變化，Voutl和

8、Vout2會(huì)隨之變化，但Vout1和Vout2總相等，故可短接，將M1、M2并聯(lián)處理（注意此時(shí)跨導(dǎo)為2gm）Wnl1AVin輸入管失配對(duì)共模響應(yīng)的影響共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：g.25 .CMRR-共模抑制比Common-ModeRejectionRatio,用來(lái)綜合反映差分放大器的性能CMRR5.1基本電流鏡LC“W2-2小曝一“。)共模增益為:(2g,)+R.1outnCx2(VGS-VTH)2(1VDS2)4CM-DM(gml+gm2)*S5+1原理：利用輸出電流與參考電流的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓相同1。比一(W/L) )2( (1VDS2) )因此1REF(W/L)1(1VDS1)復(fù)制精度受工藝(寬長(zhǎng)

9、比)、溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)的影響5.3有源電流鏡總結(jié)口電流鏡做負(fù)載的差分放大器。將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出寺差分增益。共模增益會(huì)影響差分放大器性能；高頻時(shí)，存在失配時(shí)更嚴(yán)重6.1密勒效應(yīng)如果上圖1的電路可以轉(zhuǎn)換成圖2的電路，則號(hào)增益，通常為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們一般用低頻增益來(lái)代替AV,這樣足可以使我們深入理解電路的頻率特性。密勒定理不適用的情況結(jié)點(diǎn)X與Y之間只有一條信號(hào)通路，密勒定理不成立。此時(shí)兩用密勒定理得到的輸入阻抗是對(duì)的，但增益是錯(cuò)的。6.2極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)1 .CS放大器的簡(jiǎn)化頻率特性分析如果忽略輸出結(jié)點(diǎn)與輸入結(jié)點(diǎn)的相互作用，我們可以利用密勒定理得到CS放大器的兩個(gè)極點(diǎn)頻率:24(CGD+CDB)RD

10、(1A，)是在所關(guān)心的頻率下的小信式中|AV二271KsCGS+(l+gmRD)CGDi2 .共源放大器的頻率特性（理論推導(dǎo)）總而言之：若題目出到圖6.2.1,根據(jù)公式給出極點(diǎn)、零點(diǎn)，之后若表達(dá)傳輸函數(shù)，則模仿理論推導(dǎo)中增益的表達(dá)形式。7.2噪聲類(lèi)型1.熱噪聲定義：導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，引起導(dǎo)體兩端電壓波動(dòng)電阻的熱噪聲X結(jié)點(diǎn)的KCL方程nut結(jié)點(diǎn)的KCL方程CG041JVxVk-+vxcGSs+(v-Vout)CG)S=0s(V1)QDS+gJx+(白+CDM=0KDv。_V.s?RR(CcsCm+CGC5HgjRp+C即C的)十乖1+g犀Rp)Cw+R5c備+Rp(Cro+C明(+)將分母

11、化為:苴零占/、 ?八、.注意:末尾常數(shù)為第一角頻率何”就是傳輸函數(shù)中關(guān)于s的一次項(xiàng)系數(shù)的倒數(shù),加叫僦是s項(xiàng)系數(shù)的倒數(shù)。+gm2冗CGD（也即如果有負(fù)載aci=4廣3州單個(gè)MOST能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓:負(fù)載R）減少gm可降低噪聲。當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡量小2.MOS管的閃爍噪聲（1/f噪聲）1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率fc熱噪聲和1/f噪聲曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)可=4kTR3)=耳()K,教材上默認(rèn)Af=1HzMOS管溝道區(qū)的熱噪聲r(shí)o要替換為來(lái)源：載流子在柵和襯底界面處的俘獲與釋放，導(dǎo)致源漏電流有噪聲用與柵極串聯(lián)的電壓源來(lái)模擬表達(dá)式:Hfr&lslorflN匕2=7.3電路中的噪聲表示1

12、.方法一：輸出參考噪聲電壓把輸入置零，計(jì)算電路中各噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲例：求如圖所示共源級(jí)電路的總輸出噪聲電壓2 .方法二：輸入?yún)⒖荚肼曤妷涸谳斎攵擞靡粋€(gè)信號(hào)源來(lái)代表所有噪聲源的影響4kKCWL8mkT(j.l（對(duì)長(zhǎng)溝道器件V2=flout2KI、4kf14Aq忌十,7且十寶JI-I1/2_n.our_n.out3丁=訴行K,匕m=4左二g十皿7黑十3CrvLi2K14kT二討法+E7+羔4.輔助定理源漏之間的噪聲電流源可以等效為與柵級(jí)串聯(lián)的噪聲電壓源（對(duì)任意的ZS）條件：均由有限阻抗驅(qū)動(dòng)；低頻時(shí)3.用電壓源與電流源共同表示輸入?yún)⒖荚肼暼鐖D,匕山=以點(diǎn)或舄=（*8皿+管隔4kf)ox*r

13、*%曰3口7.4單級(jí)放大器中的噪聲1.共源級(jí)（已在上邊講過(guò)，不贅敘）例：M1和M2均工作在飽和區(qū)。計(jì)算：輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷喝糌?fù)載電容為CL,求總輸出熱噪聲若輸入是振幅為Vm的低頻正弦信號(hào)，求輸出信噪比（22喙皿=4k7gni1+gml（T3卜引dsjitl輸入共模電平范圍:V3VDD-|V疝十Vthl共源共柵運(yùn)算放大器，如下左圖（重點(diǎn)掌握，必要時(shí)可只看圖當(dāng)做題目，之后與標(biāo)準(zhǔn)答案對(duì)照）電(hi增益表達(dá)式:保證所有晶體管均處于飽和區(qū)保證所有晶體管均處于飽和區(qū)輸入卜*限:=Vkt+V山血輸入上限：設(shè)所有晶體管的V.T相等，則VinjnaOurnnnMrm3VgtVb|Vth4|+3V4satVb越大

14、,輸入共模電平擺幅越大輸出共模電平范圍:一VDQAhthlEMa保證所有晶體管均處于飽和區(qū),設(shè)所行晶體管的|Vd以相等輸出下限：V+=V-+:,oiit.giiiribGS4chat4輸出上限:VC,DDTV0s7H公#乂4&。二V而凡時(shí)叫輸出擺幅V由g/V曲.JYgTVM卜Vb-NMQVdM%越小，輸出擺幅越大輸出擺幅的最大值為VDDlVih7l5Vd雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍（注意輸出要乘以2!）保證所有晶體管均處于飽和區(qū),設(shè)所有晶體笆的尸&,輸出下限：outJinn-b1GS4+dsatJ輸出上限：vM-vb：+|vGS6i-|vdiat6|愉出擺幅2(VoliUii

15、aK-olit.uuji尸2(Vb3+Vd5at-Vbl+Vlb4),Vk越大，輸出撰幅越大%越小,輸出擺幅越大輸出撰幅的最大便為2(VDD-5Vdsa()共源共柵運(yùn)放設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程：已知：VDD功耗、Av0、輸出擺幅1確定各晶體管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，放大管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：200mV負(fù)載管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：200500mV尾電流管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：300500mV2確定各支路的直流電流(功耗分配)根據(jù)總功耗要求，確定各個(gè)電流管的電流大小根據(jù)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與支路電流，確定各晶體管寬長(zhǎng)比根據(jù)增益的要求，確認(rèn)各晶體管的尺寸(寬長(zhǎng)比不變，增益不滿(mǎn)足要求時(shí)，可增加L)由已知條件可算得跨導(dǎo)gm再根據(jù)增益，求得輸出電阻Ro

16、ut；,_Li|0/J九一又由于。，可知入，進(jìn)而用工推斷L根據(jù)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與輸出擺幅要求，確定各偏置電壓(注意留出余量).+Vvbtlui4.由簡(jiǎn)單電流公式j(luò)v2L 二L確定各晶體管的寬長(zhǎng)比5.增益提高技術(shù)原理vv-V(1I、/通過(guò)提高輸出阻抗提高增益！31十+(1+4-=V；i%)公Vf1I);於由二廣=%一+一+(1+4)居心%1/G2/與4心也道記住上面的圖總結(jié)：通過(guò)提高輸出阻抗提高增益!6.運(yùn)放噪聲共源共柵運(yùn)放的噪聲左圖:右胤若考慮1/颼聲=而彳=山(【田gQJ10.1穩(wěn)定性概述1.負(fù)反饋系統(tǒng)振蕩條件X+pHs加($)=-1,系統(tǒng)振蕩砌/。期$助判據(jù):如果|陽(yáng)。)器1并且N&TG

17、M二-180,則振蕩2.增益交點(diǎn)GX使環(huán)路增益的幅值為1的頻率點(diǎn)10.3相位裕度定義：PM=180+/3H(co=GX)PMB60最好2.方法：減小總相移，使相位交點(diǎn)PX外推（減少信號(hào)通路中的極點(diǎn)數(shù)）降低增益，使增益交點(diǎn)GX內(nèi)推對(duì)于單端輸出套筒式運(yùn)放：10.4頻率補(bǔ)償出HIM：皿Men).1.原理：修改3H的傳輸函數(shù)，使GX+（l+E點(diǎn)處的極點(diǎn)頻率下降；當(dāng)cG時(shí)理論可知9（CE+CJg血9,也即輸出極點(diǎn)A點(diǎn)的極點(diǎn)頻率上升2.影響：傳統(tǒng)方法通過(guò)增加負(fù)載電容，fE（主極點(diǎn)）減?。坏藭r(shí)fE與fA（第一非主極點(diǎn)）同一數(shù)量級(jí)，為了45。相位裕度，fu=fA,因此犧牲了帶寬；此處由于極點(diǎn)分裂的性質(zhì)，fE內(nèi)推，f