CMOS模拟集成电路设计ch3单级放大器课件

CMOS模拟集成电路设计单级放大器11/21/20221CMOS模拟集成电路设计单级放大器11/21/20221提纲1、共源级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）3、共栅级放大器4、共源共栅级放大器11/21/20222提纲提纲1、共源级放大器11/21/20222提纲11/21/2022311/21/202231、共源级放大器1.1电阻做负载的共源级放大器大信号分析cutoffactivetriodeMOS管工作在饱和区时11/21/20224共源级放大器1、共源级放大器1.1电阻做负载的共源级放大器cutoff小信号分析考虑沟道长度调制时，11/21/20225共源级放大器小信号分析考虑沟道长度调制时，11/21/20225共源级放讨论增益对信号电平的依赖关系导致了非线性增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。但是，较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较高的VRD会限制最大电压摆幅。若VRD保持常数，减小ID，则必须增大RD，导致更大的输出节点时间常数。11/21/20226共源级放大器讨论增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。11.2MOS二极管连接做负载的共源级MOS二极管连接二极管连接的阻抗为二极管连接的阻抗为考虑体效应时11/21/20227共源级放大器1.2MOS二极管连接做负载的共源级二极管连接的阻抗为二极增益NMOS二极管连接做负载其中没有体效应PMOS二极管连接做负载11/21/20228共源级放大器增益其中没有体效应11/21/20228共源级放大器另一种二极管连接nmos管做负载的结构优点？缺点？11/21/20229另一种二极管连接nmos管做负载的结构11/21/20229另一种二极管连接nmos管做负载的结构电流镜只采用nmos没有体效应增益精确好的PSRR两倍功耗11/21/202210另一种二极管连接nmos管做负载的结构11/21/20221讨论增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。高增益要求会造成晶体管的尺寸不均衡。例：为了达到10倍增益，，则(W/L)1=50(W/L)2在这个例子中，M2的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电压摆幅。允许的输出电压摆幅减小。11/21/202211共源级放大器讨论例：为了达到10倍增益，，则(W1.3电流源负载的共源级放大器讨论获得更大的增益M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。长沟器件可以产生高的电压增益。同时增加W、L将引入更大的节点电容。↑ID→AV↓考虑沟道长度调制，11/21/202212共源级放大器1.3电流源负载的共源级放大器考虑沟道长度调制，11/211.4带源级负反馈的共源级放大器小信号直接分析方法这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应讨论增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。线性化的获得是以牺牲增益为代价的。当gmRS>>1,AV≈RD/RS11/21/202213共源级放大器1.4带源级负反馈的共源级放大器这里，没有考虑体效应和沟道考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为11/21/202214共源级放大器考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为11/21小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，可得，输出电压为-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?诺顿定理：线性有源单口网络等效电流源的恒流源等于有源单口网络的短路电流，内阻等于网络中所有独立源不激励时的端口电阻。11/21/202215共源级放大器小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRo计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)由于，所以因此，11/21/202216共源级放大器计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)由于计算Rout计算流经ro的电流,带入V1，得到：得到所以，输出电阻增大！11/21/202217共源级放大器计算Rout计算流经ro的电流,带入V1，得到：得到所以，输计算AvAv=-Gm(Rout||RD)若忽略rO和gmb的影响，即rO→∞和gmb=0,11/21/202218共源级放大器计算AvAv=-Gm(Rout||RD)若忽略rO和gmb的2、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析当Vin<VTH时，M1处于截止状态，Vout等于零；Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱和区；Vin进一步增大，Vout跟随Vin的变化，且两者之差为VGS。11/21/202219共漏级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析Vin进一步增大，V小信号分析考虑体效应讨论增益<1；当Vin≈VTH时，增益从零开始单调增大；随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)，η=gm/gmb随Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。11/21/202220共漏级放大器小信号分析考虑体效应讨论11/21/202220共漏级放大器采用电流源的源跟随器戴维南等效小信号分析（另外一种方法）当rO2=∞，即考查本征增益本征增益11/21/202221共漏级放大器采用电流源的源跟随器戴维南等效小信号分析（另外一种方法）当r考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，更一般的情况，考虑晶体管的输出电阻、体效应以及输出负载的情况11/21/202222共漏级放大器考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，更一般的情况，讨论即使源跟随器采用理想电流来偏置，输入输出特性仍呈现一些非线性。将衬底和源连接在一起，就可以消除由体效应带来的非线性。对于N阱工艺，可采用PMOS来实现。源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。11/21/202223共漏级放大器讨论11/21/202223共漏级放大器3、共栅级放大器大信号分析（Vin从某一个大值开始减少）当Vin≥Vb－VTH时，M1处于关断状态，Vout＝VDD当Vin较小时，且M1处于饱和区，当Vin即一步减小，Vout也逐步减小，最终M1进入线性区，此时，11/21/202224共栅级放大器3、共栅级放大器大信号分析当Vin较小时，且M1处于饱和区，由大信号分析得到小信号增益当M1处于饱和区时（忽略沟道长度调制）讨论：增益是正值；体效应使共栅极的等效跨导变大了；共栅极放大器的输入阻抗较小。因此，而得到，11/21/202225共栅级放大器由大信号分析得到小信号增益讨论：增益是正值；因此，而得到，1小信号分析（考虑晶体管的输出电阻rO及信号的阻抗Rs）增益11/21/202226共栅级放大器小信号分析11/21/202226共栅级放大器输入阻抗有，因为若则，11/21/202227共栅级放大器输入阻抗有，因为若则，11/21/202227共栅级放大器输出阻抗与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一致。因此，输出电阻，11/21/202228共栅级放大器输出阻抗因此，输出电阻，11/21/202228共栅级放大器4、共源共栅级放大器偏置条件使M1，M2都处于饱和区，大信号分析Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚阈值导通）Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。（与器件尺寸、RD及Vb有关）11/21/202229共源共栅级放大器4、共源共栅级放大器偏置条件大信号分析Vin≤VTH1，M1小信号分析增益两个集体管均工作在饱和区；若λ＝0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅极电路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以11/21/202230共源共栅级放大器小信号分析两个集体管均工作在饱和区；Av=Vout/Vin=输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈rO1的共源级，因此，11/21/202231共源共栅级放大器输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈r讨论精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。Rout≈（gm2＋gmb2）rO1rO2，可见M2将M1的输出电阻提高了（gm2＋gmb2）rO2倍。具有屏蔽特性。屏蔽输入器件，不受输出结点影响。根据线性电路电压增益等于-GmRout，增大Rout可以提高增益。例子：粗略计算，，得到11/21/202232共源共栅级放大器讨论精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。Rout讨论（续）可用来构成恒定电流源。高的输出阻抗提供一个接近理想的电流源。采用PMOS的共源共栅结构，电流源的表现的输出阻抗为因此，而Gm≈gm1，所以，电压增益近似等于消耗较大的电压余度，采用共源共栅电流源的共源共栅放大器的最大输出摆幅11/21/202233共源共栅级放大器讨论（续）因此，而Gm≈gm1，所以，电压增益近似等于消耗较折叠式共源共栅放大器所谓“折叠”针对小信号电流。小信号分析与共源共栅放大器一致。为了获得相当的性能，折叠式共源共栅放大器的总偏置电流应该比共源共栅放大器的大。11/21/202234共源共栅级放大器折叠式共源共栅放大器11/21/202234共源共栅级放大器大信号分析如果Vin>VDD-|VTH1|，M1截止，电流I1全部通过M2，有Vout=VDD-I1RD如果Vin<VDD-|VTH1|，M1开启处于饱和区，随着Vin↓，ID2↓，当ID1=I1时，ID2＝0，有当Vin下降到Vin1以下，ID1趋向大于I1，迫使M1进入线性区使ID1=I1。11/21/202235共源共栅级放大器大信号分析如果Vin<VDD-|VTH1|，M1开启处于饱和小结小信号增益输出电阻输入电阻摆幅线性度共源级电阻负载∞－－二极管负载忽略λ忽略λ∞小较好带源级负反馈忽略λγ∞－好共漏极（电流源负载）忽略λ忽略λ∞小差共栅极忽略λ－－共源共栅级（电流源负载）∞小－直流或低频下！11/21/202236小结小信号增益输出电阻输入电阻摆幅线性度共源级电阻负载∞－－小结电路仿真是必不可少的！不要让计算机替你去思考！11/21/202237小结电路仿真是必不可少的！11/21/202237CMOS模拟集成电路设计单级放大器11/21/202238CMOS模拟集成电路设计单级放大器11/21/20221提纲1、共源级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）3、共栅级放大器4、共源共栅级放大器11/21/202239提纲提纲1、共源级放大器11/21/20222提纲11/21/20224011/21/202231、共源级放大器1.1电阻做负载的共源级放大器大信号分析cutoffactivetriodeMOS管工作在饱和区时11/21/202241共源级放大器1、共源级放大器1.1电阻做负载的共源级放大器cutoff小信号分析考虑沟道长度调制时，11/21/202242共源级放大器小信号分析考虑沟道长度调制时，11/21/20225共源级放讨论增益对信号电平的依赖关系导致了非线性增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。但是，较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较高的VRD会限制最大电压摆幅。若VRD保持常数，减小ID，则必须增大RD，导致更大的输出节点时间常数。11/21/202243共源级放大器讨论增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。11.2MOS二极管连接做负载的共源级MOS二极管连接二极管连接的阻抗为二极管连接的阻抗为考虑体效应时11/21/202244共源级放大器1.2MOS二极管连接做负载的共源级二极管连接的阻抗为二极增益NMOS二极管连接做负载其中没有体效应PMOS二极管连接做负载11/21/202245共源级放大器增益其中没有体效应11/21/20228共源级放大器另一种二极管连接nmos管做负载的结构优点？缺点？11/21/202246另一种二极管连接nmos管做负载的结构11/21/20229另一种二极管连接nmos管做负载的结构电流镜只采用nmos没有体效应增益精确好的PSRR两倍功耗11/21/202247另一种二极管连接nmos管做负载的结构11/21/20221讨论增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。高增益要求会造成晶体管的尺寸不均衡。例：为了达到10倍增益，，则(W/L)1=50(W/L)2在这个例子中，M2的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电压摆幅。允许的输出电压摆幅减小。11/21/202248共源级放大器讨论例：为了达到10倍增益，，则(W1.3电流源负载的共源级放大器讨论获得更大的增益M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。长沟器件可以产生高的电压增益。同时增加W、L将引入更大的节点电容。↑ID→AV↓考虑沟道长度调制，11/21/202249共源级放大器1.3电流源负载的共源级放大器考虑沟道长度调制，11/211.4带源级负反馈的共源级放大器小信号直接分析方法这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应讨论增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。线性化的获得是以牺牲增益为代价的。当gmRS>>1,AV≈RD/RS11/21/202250共源级放大器1.4带源级负反馈的共源级放大器这里，没有考虑体效应和沟道考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为11/21/202251共源级放大器考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为11/21小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，可得，输出电压为-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?诺顿定理：线性有源单口网络等效电流源的恒流源等于有源单口网络的短路电流，内阻等于网络中所有独立源不激励时的端口电阻。11/21/202252共源级放大器小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRo计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)由于，所以因此，11/21/202253共源级放大器计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)由于计算Rout计算流经ro的电流,带入V1，得到：得到所以，输出电阻增大！11/21/202254共源级放大器计算Rout计算流经ro的电流,带入V1，得到：得到所以，输计算AvAv=-Gm(Rout||RD)若忽略rO和gmb的影响，即rO→∞和gmb=0,11/21/202255共源级放大器计算AvAv=-Gm(Rout||RD)若忽略rO和gmb的2、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析当Vin<VTH时，M1处于截止状态，Vout等于零；Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱和区；Vin进一步增大，Vout跟随Vin的变化，且两者之差为VGS。11/21/202256共漏级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析Vin进一步增大，V小信号分析考虑体效应讨论增益<1；当Vin≈VTH时，增益从零开始单调增大；随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)，η=gm/gmb随Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。11/21/202257共漏级放大器小信号分析考虑体效应讨论11/21/202220共漏级放大器采用电流源的源跟随器戴维南等效小信号分析（另外一种方法）当rO2=∞，即考查本征增益本征增益11/21/202258共漏级放大器采用电流源的源跟随器戴维南等效小信号分析（另外一种方法）当r考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，更一般的情况，考虑晶体管的输出电阻、体效应以及输出负载的情况11/21/202259共漏级放大器考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，更一般的情况，讨论即使源跟随器采用理想电流来偏置，输入输出特性仍呈现一些非线性。将衬底和源连接在一起，就可以消除由体效应带来的非线性。对于N阱工艺，可采用PMOS来实现。源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。11/21/202260共漏级放大器讨论11/21/202223共漏级放大器3、共栅级放大器大信号分析（Vin从某一个大值开始减少）当Vin≥Vb－VTH时，M1处于关断状态，Vout＝VDD当Vin较小时，且M1处于饱和区，当Vin即一步减小，Vout也逐步减小，最终M1进入线性区，此时，11/21/202261共栅级放大器3、共栅级放大器大信号分析当Vin较小时，且M1处于饱和区，由大信号分析得到小信号增益当M1处于饱和区时（忽略沟道长度调制）讨论：增益是正值；体效应使共栅极的等效跨导变大了；共栅极放大器的输入阻抗较小。因此，而得到，11/21/202262共栅级放大器由大信号分析得到小信号增益讨论：增益是正值；因此，而得到，1小信号分析（考虑晶体管的输出电阻rO及信号的阻抗Rs）增益11/21/202263共栅级放大器小信号分析11/21/202226共栅级放大器输入阻抗有，因为若则，11/21/202264共栅级放大器输入阻抗有，因为若则，11/21/202227共栅级放大器输出阻抗与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一致。因此，输出电阻，11/21/202265共栅级放大器输出阻抗因此，输出电阻，11/21/202228共栅级放大器4、共源共栅级放大器偏置条件使M1，M2都处于饱和区，大信号分析Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚阈值导通）Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。（与器件尺寸、RD及Vb有关）11/21/202266共源共栅级放大器4、共源共栅级放大器偏置条件大信号分析Vin≤VTH1，M1小信号分析增益两个集体管均工作在饱和区；若λ＝0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅极电路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以11/21/202267共源共栅级放大器小信号分析两个集体管均工作在饱和区；Av=Vout/Vin=输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈rO1的共源级，因此，11/21/202268共源共栅级放大器输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈r讨论精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。Rout≈（gm2＋gm