模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)

1、模拟集成电路原理第3章 单级放大器董刚微电子学院12上一讲基本概念简化模型开关结构符号I/V特性特性阈值电压I-V关系式关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等西电微电子学院董刚模拟集成电路原理3MOS饱和区时的小信号模型饱和区时的小信号模型西电微电子学院董刚模拟集成电路原理IDWL=W= nC (VGS VTH ), 饱和区时oxL4跨导gmVGS对IDS的控制能力IDS对VGS变化的灵敏度gm = gm = 2nCox IDVGS VDS cons tan t2IDVGS V TH西电微电子学院董刚模拟集成电路原理5本讲放大器基础知识共源级电

2、阻做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载共源级电流源做负载共源级深线性区MOS管做负载共源级带源极负反馈西电微电子学院董刚模拟集成电路原理6信号放大基本功能为什么信号需要放大？信号太小，不能驱动负载降低后续噪声影响用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入/输出电阻、提高增益精度等输出电阻、提高增益精度等单级放大器学习其分析方法理解复杂电路的基础西电微电子学院董刚模拟集成电路原理7放大器基础知识输入输出关系在一定信号范围内可用非线性函数表示在取值范围足够小时a0是直流偏置点，是直流偏置点，a1是小信号增是小信号增益当x(t)变化幅度过大时会影响偏置点，需用大信号分析；会影响线性度西电微电子学院董

3、刚模拟集成电路原理8放大器的性能参数参数之间互相制约，设计时需要在这些参数间折衷AIC设计的设计的八边形法则西电微电子学院董刚模拟集成电路原理9本讲放大器基础知识共源级电阻做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载共源级电流源做负载共源级深线性区MOS管做负载共源级带源极负反馈西电微电子学院董刚模拟集成电路原理10共源级电阻做负载大信号分析饱和区时转换点Vin1线性区时西电微电子学院董刚模拟集成电路原理11共源级电阻做负载大信号分析线性区时深线性区时Vout 2(Vin VTH )西电微电子学院董刚模拟集成电路原理12共源级电阻做负载小信号分析饱和区时大信号关系式小信号增益与小信号等效电路结果一

4、致增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性西电微电子学院董刚模拟集成电路原理WL13共源级电阻做负载Av的最大化Av = gm RDAv = 2n CoxWLVRDIDg m = n Cox(V GS V TH )增大W/L；寄生电容增大，带宽减小增大VRD；输出摆幅减小减小ID；RD会很大，输出节点时间常数增大西电微电子学院董刚模拟集成电路原理14共源级电阻做负载考虑沟长调制效应I D = 1/ rO西电微电子学院董刚模拟集成电路原理15共源级电阻做负载考虑沟长调制效应西电微电子学院董刚模拟集成电路原理16共源级电流源做负载能获得较大的增益Av = g m ( ro | RD)

5、Av = g m ro本征增益本征增益为多大？西电微电子学院董刚模拟集成电路原理=17共源级电流源做负载本征增益Av = g m ro gm =2IDVGS VTH, rO =1IDAv =(VGS2 2VA VTH ) VOVVOV一般不能随工艺下降，要保证强反型（100mV以上），一般取200mV本征增益约501100.4m工艺时最小工艺时最小L的的NMOS管管VA,NMOS=11V， VA,PMOS=5.5V西电微电子学院董刚模拟集成电路原理L增大时可以更大增大时可以更大1/gmrO成立18共源级电阻做负载实际应用情况在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工阻值小时增益小，阻值大时，电阻的

6、尺寸太大，还会降低输出摆幅一般用MOS管代替电阻做负载二极管接法的MOS管、电流源、线性区MOS管西电微电子学院董刚模拟集成电路原理19本讲放大器基础知识共源级电阻做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载共源级电流源做负载共源级深线性区MOS管做负载共源级带源极负反馈西电微电子学院董刚模拟集成电路原理20共源级二极管接法的MOS 管做负载二极管接法的MOS管做为小信号电阻来用西电微电子学院董刚模拟集成电路原理21共源级二极管接法的MOS 管做负载无体效应时的阻抗I X = VX / rO + g mV1二极管阻抗 = (1 / g m ) rO 1 / g m西电微电子学院董刚模拟集成电路原理

7、Vx=22共源级二极管接法的MOS 管做负载有体效应时的阻抗(gm + gmb)V x + = IxroVx 1Ix gm + gmb| ro 1gm + gmb二极管阻抗比无体效应时小西电微电子学院董刚模拟集成电路原理23共源级二极管接法的MOS 管做负载增益Av = g m ( ro | RD) RD 忽略rO的影响1gm + gmbAv = gm11gm2 + gmb2=gm1 1gm2 1 + 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理1 gm1 1=24共源级二极管接法的MOS 管做负载增益的特点Av =gm1gm2 +gmb2 gm2 1+g m =2 n C oxWLI DAv = (W

8、 / L)1 1(W / L)2 1 + 忽略随Vout的变化时，增益只于W/L有关，与偏置电流、电压无关，线性度很好 =2qsiNsubCoxg mb = g m2 2 F + V SB= g m西电微电子学院董刚模拟集成电路原理W1 WW W共源级二极管接法的MOS 管做负载大信号特性 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随Vout变化很小，则有很好线性度进入线性区西电微电子学院董刚模拟集成电路原

9、理的转换点 2526共源级二极管接法的MOS 管做负载用PMOS管做负载时PMOS管无体效应管无体效应忽略rO时Av = n (W / L)1p (W / L) 2优点：增益只于尺寸有关，线性度好缺点1：大增益需要极大的器件尺寸若要求Av=10，则，则n=2p时，（W/L）1=50（W/L）2（W/L）过大会使寄生电容较大，影响带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路原理W W2=27共源级二极管接法的MOS 管做负载缺点2：输出摆幅小Vout 1/gm时，Gm 1/RS西电微电子学院董刚模拟集成电路原理=38共源级带源极负反馈考虑gmb和rO的等效跨导Gm和增益Gm =I out g m roVi

10、n RS + 1 + ( g m + g mb ) RS ro西电微电子学院董刚模拟集成电路原理39共源级带源极负反馈跨导Gm和增益的比较Gm =gm1 + gm RSA v = G m R D= g m R D1 + g m R S当RS=0时时当RS0时Vin较小时，1/gmRS，Gm gm ； Vin增小时，负反馈效应显现西电微电子学院董刚模拟集成电路原理40共源级带源极负反馈Av =gm RD1+ gm RS= RD1/ gm + RSAv=“在漏极节点看到的电阻在漏极节点看到的电阻”/“在源极在源极通路上看到的电阻”可以极大地简化更复杂电路的分析西电微电子学院董刚模拟集成电路原理41共源级带源极负反馈输出电阻ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro ROUT = ro ro 1 + ( gm + gmb )RS 输出电阻增大了很多Av = Gm RD | ro 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理Iout gmrGm = =共源级带源极负反馈考虑体效应和沟长调制效应后的增益Vin RS +1+(gm +