模拟电路基础课件

2022/11/11半导体集成电路2022/11/10半导体12022/11/11第12章模拟电路基础2022/11/10第12章模拟电路基础22022/11/11自然界信号的处理大自然计算机世界ADC010111101CPUDSPADC010111101滤波器2022/11/10自然界信号的处理大自然计算机世界ADC32022/11/11数字通信有损耗电缆VinVoutt2022/11/10数字通信有损耗电缆VinVoutt42022/11/11内容提要MOSFET的小信号模型模拟电路中的基本单元单极放大器差分对放大器电流源运算放大器2022/11/10内容提要MOSFET的小信号模型52022/11/111.不考虑沟道长度调制效应和体效应一、MOSFET的小信号模型（饱和区）VDID非饱和区饱和区VGMOS管的大信号特性MOS管的小信号模型（饱和区）2022/11/101.不考虑沟道长度调制效应和体效应一、62022/11/112.考虑沟道长度调制效应MOS管的小信号模型（饱和区）2022/11/102.考虑沟道长度调制效应MOS管的小信72022/11/113.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模型（饱和区）衬底偏压VBS<0时，阈值电压增大2022/11/103.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模82022/11/112022/11/1092022/11/11MOS反相器二、单级放大器VinVout∆VIN∆VOUT输入阻抗、输出阻抗、增益在放大电路中，一般将MOS管控制在饱和区2022/11/10MOS反相器二、单级放大器VinVou102022/11/111.截止区饱和区线性区(a)电阻负载大信号分析2022/11/101.截止区饱和区线性区(a)电阻负载大信112022/11/11共源极放大器（小信号分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/11/10共源极放大器（小信号分析）Ri∞Ro=R122022/11/11结论电阻作为负载元件的缺点：高增益要求大阻值电阻值存在很大偏差，不易控制有源负载放大器使用有源器件（MOS或二极管）作负载元件二极管型负载元件电流源型负载元件2022/11/10结论电阻作为负载元件的缺点：有源负载放大132022/11/11二极管负载（Vbs=V1=-Vx）等效电阻:栅漏相接，工作在饱和区(相当于忽略沟道长度调制效应）2022/11/10二极管负载（Vbs=V1=-Vx）等效电142022/11/11(b)二极管负载共源放大器大信号特性2022/11/10(b)二极管负载共源放大器大信号特性152022/11/11输出电压摆幅：Vout（min）=Vin-VT1=VovVout（max）=VDD-VT2过驱动电压放大倍数存在非线性根据电流相等导出2022/11/10输出电压摆幅：Vout（min）=Vin162022/11/11改进：消除M2衬底调制效应措施二极管连接的PMOS作负载特殊工艺：将M2（NMOS）放在单独的阱中输入输出高线性度高增益要求“强”的输入器件和“弱”的负载器件，电压摆幅小2022/11/10改进：消除M2衬底调制效应措施输入输出高172022/11/11（高增益）(c)电流源负载共源放大器共源放大器特点：1.输入阻抗高，输入与输出反相2.有源负载可以获得高增益2022/11/10（高增益）(c)电流源负载共源放大器共源182022/11/112.Vb2022/11/102.Vb192022/11/11（V1=Vbs=-Vin)(忽略沟道长度调制效应）特点：输入阻抗低，输出阻抗高，可作电流源输入与输出同相，高频特性好，无电容Miller效应2022/11/10（V1=Vbs=-Vin)(忽略沟道长度202022/11/11密勒效应（Millereffect）密勒效应（Millereffect）是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。2022/11/10密勒效应（Millereffect）密212022/11/11*密勒效应可以采用平衡法（或中和法）等技术来适当地减弱密勒电容的影响。平衡法即是在输出端与输入端之间连接一个所谓中和电容，并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反，使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反，以达到相互抵消的目的。2022/11/10222022/11/11*密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。例如，对于BJT：在共射（CE）组态中，集电结电容势垒电容正好是密勒电容，故CE组态的工作频率较低。对于MOSFET：在共源组态中，栅极与漏极之间的覆盖电容Cdg是密勒电容，Cdg正好跨接在输入端(栅极)与输出端(漏极)之间，故密勒效应使得等效输入电容增大，导致频率特性降低。2022/11/10*密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。232022/11/11*密勒效应的好处：①采用较小的电容来获得较大的电容（例如制作频率补偿电容），这种技术在IC设计中具有重要的意义（可以减小芯片面积）；②获得可控电容(例如受电压或电流控制的电容)。2022/11/10*密勒效应的好处：①采用较小的电容来获242022/11/114.密勒效应的应用密勒效应多用在对桥接电容的分析，但从上面的分析我们可以知道，对于电阻和电感，密勒效应同样适用。一般需要考虚密勒效应的场合有：（1）三极管放大电路中，三极管base-collector之间的寄生电容对放大电路高频特性的影响。（2）PowerMosfet的驱动电路中，POWERMOSFETgate-drain之间的寄生电容对其开关频率和开关时间的影响。（3）在集成运放中，为改善其频率响应而在其输入和输出之间跨接一小电容作滞后补偿，从而避开了直接在输入端接大电容。2022/11/104.密勒效应的应用密勒效应多用在对桥252022/11/113.2022/11/103.262022/11/11高输入阻抗、低输出阻抗增益接近于1，可作缓冲器可作为电平级移电路和阻抗变换器2022/11/10高输入阻抗、低输出阻抗272022/11/114.2022/11/104.282022/11/11特点：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的栅漏电容的影响，有利于展宽频带；输出电阻变大，但电压摆幅减小。放大倍数与共源极相近2022/11/10特点：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的292022/11/11三、差分对放大器2022/11/10三、差分对放大器302022/11/11三、差分对放大器为什么使用差分对?2022/11/10三、差分对放大器为什么使用差分对?312022/11/11为什么使用差分对?三、差分对放大器消除电源干扰2022/11/10为什么使用差分对?三、差分对放大器消除电322022/11/11消除时钟干扰2022/11/10消除时钟干扰332022/11/11消除时钟干扰2022/11/10消除时钟干扰342022/11/11消除时钟干扰信号以差分的方式传输时钟以差分的方式传输2022/11/10消除时钟干扰信号以差分的方式传输时钟以差352022/11/111.基本差分对2022/11/101.基本差分对362022/11/11电流源驱动的基本差分对尾电流源差分对的输入输出特性VDD-RDISS思考：管子的宽长比及尾电流的大小如何影响差分对的输入输出特性曲线？2022/11/10电流源驱动的基本差分对尾电流源差分对的输372022/11/11尾电流源差分对的两个重要特性输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，与输入共模电平无关小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大，且随着|Vin1-Vin2|的增大而减小VDD~VDD-RDISS2022/11/10尾电流源差分对的两个重要特性输出端的最382022/11/11常用差分对的输入输出特性2022/11/10常用差分对的输入输出特性392022/11/11差分对增益半边等效电路增益：同共源极电路（忽略沟道长度调制效应）VDD-RDISS2022/11/10差分对增益半边等效电路增益：同共源极电路402022/11/11四、恒流源电路用途：偏置电路有源负载基本形式：镜像电流源（电流镜）电流源的关键指标：输出电阻、电容等稳定性：对电源、工艺、温度的依赖性2022/11/10四、恒流源电路用途：偏置电路基本形式：镜412022/11/11电流源电流IOUT严重依赖电源，温度和工艺！！！2022/11/10电流源电流IOUT严重依赖电源，温度和工422022/11/11镜像电流源（电流镜）假设已经存在一个精确的电流源IREF2022/11/10镜像电流源（电流镜）假设已经存在一个精确432022/11/11VGS1＝f－1（IREF）如果忽略沟道长度调制效应镜像电流源（电流镜）cont.2022/11/10VGS1＝f－1（IREF）如果忽略沟道442022/11/11例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和区.求M4的漏电流.解:根据公式有:同时,|ID3|=|ID2|2022/11/10例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和452022/11/11对基本电流镜的仿真（W＝1.2U）2022/11/10对基本电流镜的仿真（W＝1.2U）462022/11/11对基本电流镜的仿真（W＝50U）2022/11/10对基本电流镜的仿真（W＝50U）472022/11/11考虑到沟道调制效应VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠VDS22022/11/10考虑到沟道调制效应VDS1=VGS1=V482022/11/11镜像电流源（电流镜）cont.

--------共源共栅电流镜选择Vb,使得VY＝VX，即Vb-VGS3＝VXVb=VGS3+VX若(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1则VGS0＝VGS3，VY＝VXVGS0+VX=VGS3+VYIOUT=IREF2022/11/10镜像电流源（电流镜）cont.选择Vb,492022/11/11损失了电压余度2022/11/10损失了电压余度502022/11/11镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源共栅电流镜M2饱和的条件:Vb-VTH2<=VX(=VGS1)M1饱和的条件:VGS1-VTH1<=VA(=Vb-VGS2)2022/11/10镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源512022/11/11镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源共栅电流镜VGS2=VGS4如果:Vb=VGS2+(VGS1-VTH1)=VGS4+（VGS3-VTH3),则当M1和M3保持相等的漏源电压时,共源共栅电流镜M3--M4消耗的电压余度最小(两个管子的过驱动电压之和).我们称之为“低压共源共栅结构”。2022/11/10镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源522022/11/11理想电流源Iout对电源VDD很敏感！！精确电流源（电流基准）的产生电阻2022/11/10理想电流源Iout对电源VDD很敏感！！532022/11/11精确电流源（电流基准）的产生cont.与电源无关的偏置简单电路Iout＝KIREF电流值可以是任意值！2022/11/10精确电流源（电流基准）的产生cont.与542022/11/11为确定电流增加电阻RS（M2存在体效应）消除体效应的替代电路IOUT与VDD无关2022/11/10为确定电流增加电阻RS消除体效应的替代电552022/11/11PTAT：proportionaltoabsolutetemperature原理：Vout＝IPTATR2+VBEIPTAT与温度成正比,VBE与温度成反比（负温度系数）两者抵消，Vout与温度无关

基准电压源电路（与温度无关）2022/11/10PTAT：proportionalto562022/11/11运算放大器M1管上的栅压有一个微小的增加,使得ID1增加,ID2减小,

ID3、ID4增加。输出电压的放大由ID2的减小及ID4的放大决定2022/11/10运算放大器M1管上的栅压有一个微小的增加572022/11/11两级运算放大器2022/11/10两级运算放大器582022/11/11作业1.求共漏极电路的Ri、RO、av值2.要使Iout=8IREF，设计图中晶体管的尺寸。已知(W/L)1=1um/0.5um，（W/L)2=2um/0.5um。2022/11/10作业1.求共漏极电路的Ri、RO、av值592022/11/11半导体集成电路2022/11/10半导体602022/11/11第12章模拟电路基础2022/11/10第12章模拟电路基础612022/11/11自然界信号的处理大自然计算机世界ADC010111101CPUDSPADC010111101滤波器2022/11/10自然界信号的处理大自然计算机世界ADC622022/11/11数字通信有损耗电缆VinVoutt2022/11/10数字通信有损耗电缆VinVoutt632022/11/11内容提要MOSFET的小信号模型模拟电路中的基本单元单极放大器差分对放大器电流源运算放大器2022/11/10内容提要MOSFET的小信号模型642022/11/111.不考虑沟道长度调制效应和体效应一、MOSFET的小信号模型（饱和区）VDID非饱和区饱和区VGMOS管的大信号特性MOS管的小信号模型（饱和区）2022/11/101.不考虑沟道长度调制效应和体效应一、652022/11/112.考虑沟道长度调制效应MOS管的小信号模型（饱和区）2022/11/102.考虑沟道长度调制效应MOS管的小信662022/11/113.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模型（饱和区）衬底偏压VBS<0时，阈值电压增大2022/11/103.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模672022/11/112022/11/10682022/11/11MOS反相器二、单级放大器VinVout∆VIN∆VOUT输入阻抗、输出阻抗、增益在放大电路中，一般将MOS管控制在饱和区2022/11/10MOS反相器二、单级放大器VinVou692022/11/111.截止区饱和区线性区(a)电阻负载大信号分析2022/11/101.截止区饱和区线性区(a)电阻负载大信702022/11/11共源极放大器（小信号分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/11/10共源极放大器（小信号分析）Ri∞Ro=R712022/11/11结论电阻作为负载元件的缺点：高增益要求大阻值电阻值存在很大偏差，不易控制有源负载放大器使用有源器件（MOS或二极管）作负载元件二极管型负载元件电流源型负载元件2022/11/10结论电阻作为负载元件的缺点：有源负载放大722022/11/11二极管负载（Vbs=V1=-Vx）等效电阻:栅漏相接，工作在饱和区(相当于忽略沟道长度调制效应）2022/11/10二极管负载（Vbs=V1=-Vx）等效电732022/11/11(b)二极管负载共源放大器大信号特性2022/11/10(b)二极管负载共源放大器大信号特性742022/11/11输出电压摆幅：Vout（min）=Vin-VT1=VovVout（max）=VDD-VT2过驱动电压放大倍数存在非线性根据电流相等导出2022/11/10输出电压摆幅：Vout（min）=Vin752022/11/11改进：消除M2衬底调制效应措施二极管连接的PMOS作负载特殊工艺：将M2（NMOS）放在单独的阱中输入输出高线性度高增益要求“强”的输入器件和“弱”的负载器件，电压摆幅小2022/11/10改进：消除M2衬底调制效应措施输入输出高762022/11/11（高增益）(c)电流源负载共源放大器共源放大器特点：1.输入阻抗高，输入与输出反相2.有源负载可以获得高增益2022/11/10（高增益）(c)电流源负载共源放大器共源772022/11/112.Vb2022/11/102.Vb782022/11/11（V1=Vbs=-Vin)(忽略沟道长度调制效应）特点：输入阻抗低，输出阻抗高，可作电流源输入与输出同相，高频特性好，无电容Miller效应2022/11/10（V1=Vbs=-Vin)(忽略沟道长度792022/11/11密勒效应（Millereffect）密勒效应（Millereffect）是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。2022/11/10密勒效应（Millereffect）密802022/11/11*密勒效应可以采用平衡法（或中和法）等技术来适当地减弱密勒电容的影响。平衡法即是在输出端与输入端之间连接一个所谓中和电容，并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反，使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反，以达到相互抵消的目的。2022/11/10812022/11/11*密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。例如，对于BJT：在共射（CE）组态中，集电结电容势垒电容正好是密勒电容，故CE组态的工作频率较低。对于MOSFET：在共源组态中，栅极与漏极之间的覆盖电容Cdg是密勒电容，Cdg正好跨接在输入端(栅极)与输出端(漏极)之间，故密勒效应使得等效输入电容增大，导致频率特性降低。2022/11/10*密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。822022/11/11*密勒效应的好处：①采用较小的电容来获得较大的电容（例如制作频率补偿电容），这种技术在IC设计中具有重要的意义（可以减小芯片面积）；②获得可控电容(例如受电压或电流控制的电容)。2022/11/10*密勒效应的好处：①采用较小的电容来获832022/11/114.密勒效应的应用密勒效应多用在对桥接电容的分析，但从上面的分析我们可以知道，对于电阻和电感，密勒效应同样适用。一般需要考虚密勒效应的场合有：（1）三极管放大电路中，三极管base-collector之间的寄生电容对放大电路高频特性的影响。（2）PowerMosfet的驱动电路中，POWERMOSFETgate-drain之间的寄生电容对其开关频率和开关时间的影响。（3）在集成运放中，为改善其频率响应而在其输入和输出之间跨接一小电容作滞后补偿，从而避开了直接在输入端接大电容。2022/11/104.密勒效应的应用密勒效应多用在对桥842022/11/113.2022/11/103.852022/11/11高输入阻抗、低输出阻抗增益接近于1，可作缓冲器可作为电平级移电路和阻抗变换器2022/11/10高输入阻抗、低输出阻抗862022/11/114.2022/11/104.872022/11/11特点：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的栅漏电容的影响，有利于展宽频带；输出电阻变大，但电压摆幅减小。放大倍数与共源极相近2022/11/10特点：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的882022/11/11三、差分对放大器2022/11/10三、差分对放大器892022/11/11三、差分对放大器为什么使用差分对?2022/11/10三、差分对放大器为什么使用差分对?902022/11/11为什么使用差分对?三、差分对放大器消除电源干扰2022/11/10为什么使用差分对?三、差分对放大器消除电912022/11/11消除时钟干扰2022/11/10消除时钟干扰922022/11/11消除时钟干扰2022/11/10消除时钟干扰932022/11/11消除时钟干扰信号以差分的方式传输时钟以差分的方式传输2022/11/10消除时钟干扰信号以差分的方式传输时钟以差942022/11/111.基本差分对2022/11/101.基本差分对952022/11/11电流源驱动的基本差分对尾电流源差分对的输入输出特性VDD-RDISS思考：管子的宽长比及尾电流的大小如何影响差分对的输入输出特性曲线？2022/11/10电流源驱动的基本差分对尾电流源差分对的输962022/11/11尾电流源差分对的两个重要特性输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，与输入共模电平无关小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大，且随着|Vin1-Vin2|的增大而减小VDD~VDD-RDISS2022/11/10尾电流源差分对的两个重要特性输出端的最972022/11/11常用差分对的输入输出特性2022/11/10常用差分对的输入输出特性982022/11/11差分对增益半边等效电路增益：同共源极电路（忽略沟道长度调制效应）VDD-RDISS2022/11/10差分对增益半边等效电路增益：同共源极电路992022/11/11四、恒流源电路用途：偏置电路有源负载基本形式：镜像电流源（电流镜）电流源的关键指标：输出电阻、电容等稳定性：对电源、工艺、温度的依赖性2022/11/10四、恒流源电路用途：偏置电路基本形式：镜1002022/11/11电流源电流IOUT严重依赖电源，温度和工艺！！！2022/11/10电流源电流IOUT严重依赖电源，温度和工1012022/11/11镜像电流源（电流镜）假设已经存在一个精确的电流源IREF2022/11/10镜像电流源（电流镜）假设已经存在一个精确1022022/11/11VGS1＝f－1（IREF）如果忽略沟道长度调制效应镜像电流源（电流镜）cont.2022/11/10VGS1＝f－1（IREF）如果忽略沟道1032022/11/11例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和区.求M4的漏电流.解:根据公式有:同时,|ID3|=|ID2|2022/11/10例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和1042022/11/11对基本电流镜的仿真（W＝1.2U）2022/11/10对基本电流镜的仿真（W＝1.2U）1052022/11/11对基本电流镜的仿真（W＝50U）2022/11/10对基本电流镜的仿真（W＝50U）1062022/11/11考虑到沟道调制效应VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠VDS22022/11/10考虑到沟道调制效应VDS1=VGS1=V1072022/11/11镜像电流源（电流镜）cont.

--------共源共栅电流镜选择Vb,使得VY＝VX，即Vb-VGS3＝VXVb=VGS3+VX若(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1则VGS0＝VGS3，VY＝VXVGS0+VX=VGS3+VYIOUT=IREF2022/11/10镜像电流源（电流镜）cont.选择Vb,1082022/11/11损失了电压余度2022/11/