3哈爾濱工業(yè)大學(xué)CMOS模擬集成電路設(shè)計

CMOS模擬集成電路設(shè)計單級放大器提綱2023/9/22提綱1、共源級放大器2、共漏級放大器（源跟隨器）3、共柵級放大器4、共源共柵級放大器2023/9/23共源級放大器2023/9/241、共源級放大器1.1電阻做負(fù)載的共源級放大器大信號分析cutoffactivetriodeMOS管工作在飽和區(qū)時共源級放大器2023/9/25小信號分析考慮溝道長度調(diào)制時，共源級放大器2023/9/26討論增益對信號電平的依賴關(guān)系導(dǎo)致了非線性增大W/L、或增大VRD、或減小ID，都可以提高Av。但是，較大的器件尺寸，導(dǎo)致較大的器件電容。較高的VRD會限制最大電壓擺幅。若VRD保持常數(shù)，減小ID，則必須增大RD，導(dǎo)致更大的輸出節(jié)點時間常數(shù)。共源級放大器2023/9/271.2MOS二極管連接做負(fù)載的共源級MOS二極管連接二極管連接的阻抗為二極管連接的阻抗為考慮體效應(yīng)時共源級放大器2023/9/28增益NMOS二極管連接做負(fù)載其中沒有體效應(yīng)PMOS二極管連接做負(fù)載共源級放大器2023/9/29討論增益與輸入信號無關(guān)，是器件尺寸的弱函數(shù)。高增益要求會造成集體管的尺寸不均衡。例：為了達(dá)到10倍增益，，則(W/L)1=50(W/L)2在這個例子中，M2的過驅(qū)動電壓應(yīng)該是M1的過驅(qū)動電壓的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，嚴(yán)重制約輸出電壓擺幅。允許的輸出電壓擺幅減小。共源級放大器2023/9/2101.3電流源負(fù)載的共源級放大器討論獲得更大的增益M2的輸出阻抗與所要求的M2的最小|VDS|之間聯(lián)系較弱，因此對輸出擺幅的限制較小。長溝器件可以產(chǎn)生高的電壓增益。同時增加W、L將引入更大的節(jié)點電容?！麵D→AV↓考慮溝道長度調(diào)制，共源級放大器2023/9/2111.4帶源級負(fù)反饋的共源級放大器小信號直接分析方法這里，沒有考慮體效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)討論增加源級負(fù)反饋電阻，使增益是gm的弱函數(shù)，實現(xiàn)線性的提高。線性化的獲得是以犧牲增益為代價的。共源級放大器2023/9/212考慮溝道長度調(diào)制及體效應(yīng)時，電路的交流小信號模型為共源級放大器2023/9/213小信號等效分析輔助定理：在線性電路中，電壓增益等于-GmRout，其中Gm表示輸出與地短接時電路的跨導(dǎo)；Rout表示當(dāng)輸入電壓為零時電路的輸出電阻。線性電路的輸出端口可用諾頓定理來等效，輸出電壓為-IoutRout，定義Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?共源級放大器2023/9/214計算Gm（考慮溝道長度調(diào)制及體效應(yīng))由于，所以因此，共源級放大器2023/9/215計算Rout流經(jīng)ro的電流：得到所以，共源級放大器2023/9/216計算AvAv=-Gm(Rout||RD)共漏級放大器2023/9/2172、共漏級放大器（源跟隨器）大信號分析當(dāng)Vin<VTH時，M1處于截止?fàn)顟B(tài)，Vout等于零；Vin增大并超過VTH，M1導(dǎo)通進(jìn)入飽和區(qū)；Vin進(jìn)一步增大，Vout跟隨Vin的變化，且兩者之差為VGS。共漏級放大器2023/9/218小信號分析考慮體效應(yīng)討論增益<1；當(dāng)Vin≈VTH時，增益從零開始單調(diào)增大；隨gm變大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)，η隨Vout增大而減小，所以Av趨近1。共漏級放大器2023/9/219采用電流源的源跟隨器戴維南等效小信號分析共漏級放大器2023/9/220考慮M1、M2的溝道長度效應(yīng)，并驅(qū)動電阻負(fù)載，共漏級放大器2023/9/221討論即使源跟隨器采用理想電流來偏置，輸入輸出特性仍呈現(xiàn)一些非線性。將襯底和源連接在一起，就可以消除由體效應(yīng)帶來的非線性。對于N阱工藝，可采用PMOS來實現(xiàn)。源跟隨器使信號直流電平產(chǎn)生VGS的移動，會消耗電壓余度。共柵級放大器2023/9/2223、共柵級放大器大信號分析（Vin從某一個大值開始減少）當(dāng)Vin≥Vb－VTH時，M1處于關(guān)斷狀態(tài)，Vout＝VDD當(dāng)Vin較小時，且M1處于飽和區(qū)，當(dāng)Vin即一步減小，Vout也逐步減小，最終M1進(jìn)入線性區(qū)，此時，共柵級放大器2023/9/223由大信號分析得到小信號增益當(dāng)M1處于飽和區(qū)時討論：增益是正值；體效應(yīng)使共柵極的等效跨導(dǎo)變大了；共柵極放大器的輸入阻抗較小。因此，而得到，共柵級放大器2023/9/224小信號分析（考慮晶體管的輸出電阻及信號的阻抗）增益共柵級放大器2023/9/225輸入阻抗有，因為若則，共柵級放大器2023/9/226輸出阻抗與計算帶負(fù)反饋的共源級放大器的輸出電阻情況一致。因此，輸出電阻，共源共柵級放大器2023/9/2274、共源共柵級放大器偏置條件使M1，M2都處于飽和區(qū)，大信號分析Vin≤VTH1，M1，M2處于截止?fàn)顟B(tài)，Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亞閾值導(dǎo)通）Vin＞VTH1，開始出現(xiàn)電流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足夠大，M1或M2將進(jìn)入線性區(qū)。（與器件尺寸、RD及Vb有關(guān)）共源共柵級放大器2023/9/228小信號分析增益兩個集體管均工作在飽和區(qū)；若λ＝0，由于輸入管產(chǎn)生的漏電流必定流過整個共源共柵極電路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin當(dāng)忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)時，共源共柵級放大器的電壓增益與共源級放大器的電壓增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以共源共柵級放大器2023/9/229輸出阻抗（考慮兩管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)）電路可以看成帶負(fù)反饋rO1的共源級，因此，共源共柵級放大器2023/9/230討論精確電壓增益計算見教材例3.15，留給同學(xué)自學(xué)。Rout≈（gm2＋gmb2）rO1rO2，可見M2將M1的輸出電阻提高了（gm2＋gmb2）rO2倍。具有屏蔽特性。屏蔽輸入器件，不受輸出結(jié)點影響。根據(jù)線性電路電壓增益等于-GmRout，增大Rout可以提高增益。例子：粗略計算，，得到共源共柵級放大器2023/9/231討論（續(xù)）可用來構(gòu)成恒定電流源。高的輸出阻抗提供一個接近理想的電流源。采用PMOS的共源共柵結(jié)構(gòu)，電流源的表現(xiàn)的輸出阻抗為因此，而Gm≈gm1，所以，電壓增益近似等于消耗較大的電壓余度，采用共源共柵電流源的共源共柵放大器的最大輸出擺幅共源共柵級放大器2023/9/232折疊式共源共柵放大器所謂“折疊”針對小信號電流。小信號分析與共源共柵放大器一致。為了獲得相當(dāng)?shù)男阅?，折疊式共源共柵放大器的總偏置電流應(yīng)該比共源共柵放大器的大。共源共柵級放大器2023/9/233大信號分析如果Vin>VDD-|VTH1|，M1截止，電流I1全部通過M2，有Vout=VDD-I1RD如果Vin<VDD-|VTH1|，M1開啟處于飽和區(qū)，隨著Vin↓，ID2↓，當(dāng)ID1=I1時，ID2＝0，有當(dāng)Vin下降到Vin1以下，ID1趨向大于I1，迫使M1進(jìn)入線性區(qū)使ID1=I1。2023/9/234