CMOS模拟电路基本单元(课件3)

CMOS模拟集成电路根本单元〔一〕西安电子科技大学朱樟明西安电子科技大学1CMOS模拟集成电路根本单元一、模拟开关二、有源电阻三、电流源和电流沉四、电流镜五、CMOS根本放大器西安电子科技大学2一、模拟开关西安电子科技大学模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用；分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关；对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求Vout≈Vin，即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。

3NMOS模拟开关非理想模型西安电子科技大学VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和B之间存在的电压。IOFF表示开关关断时流过的漏电流。CA、CB、CAB和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采样保持电路性能有较大的影响。

NMOS模拟开关的非理想模型即三端网络，端口A和B为开关的输入输出端，C为电压控制端。理想情况下，RON为零，而ROFF为无穷大。为了降低总谐波失真，RON与控制电压的关系应为线性关系。4NMOS模拟开关的导通电压-电流特性〔1〕西安电子科技大学当NMOS模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为

0<VDS<VGS-VT导通电阻为

当NMOS模拟开关处于关断状态时，即VGS<VT，如VDS≈0，那么iDS=IOFF=0；如VDS>0，那么ROFF≈1/iDSλ=1/IOFFλ≈∞。5NMOS模拟开关的导通电压-电流特性〔2〕西安电子科技大学W＝L＝3μm

VGS一定时，沟道电流随着VDS增加而线性增加；当VDS一定时，沟道电流随着VGS增加而增加。

多种宽长比NMOS模拟开关导通电阻与VGS之间的关系，当VGS一定时，导通电阻随着W/L的增加而减小；当W/L一定时，导通电阻随着VGS增加而减小。

6NMOS模拟开关的非理想效应及解决方法西安电子科技大学动态范围小和时钟馈通效应;时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制信号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和CGD使NMOS的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调；CMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动态范围，减小时钟馈通效应；7二、有源电阻西安电子科技大学CMOS模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩散和多晶〔Poly〕实现精确的电阻值。在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非常小的幅员面积。8有源电阻分压电路及并联电阻西安电子科技大学9三、电流源和电流沉西安电子科技大学电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，和加在MOS两端的电压无关。一般来说，电流沉的负端电压接VSS，而电流源的正端电压接Vdd。MOS工作在饱和区。

10电流源电流源的源漏电压应大于VMIN才能正常工作

西安电子科技大学需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加稳定；需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能在较宽的输出电压范围V内工作。目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用Cascode结构。11电流源输出电阻提高技术西安电子科技大学12电流源输出电阻提高技术——Cascode技术西安电子科技大学13四、电流镜〔电流放大器〕西安电子科技大学根本原理：如果两个NMOS〔PMOS〕的栅源电压相同，那么沟道电流也相同。14NMOS根本电流镜电路及特性西安电子科技大学〔1〕输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完全由集成电路设计人员控制；〔2〕当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流15MOS电流镜的非理想效应西安电子科技大学MOS晶体管几何尺寸不匹配。集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。MOS晶体管阈值电压不匹配。在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。沟道长度调制效应。特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应16Wilson电流镜

当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不完全等于输入电流。解决方法是Wilson或Cascode电流镜；Wilson电流镜利用电流负反响增加其输出电阻；如果输出电流增加，那么通过M2的电流也增加，而且由于M1和M2的镜像关系使输入电流也增加如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，M3的栅电压减小，抑制输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性西安电子科技大学17CascodeNMOS电流镜18五、CMOS根本放大器放大器是集成电路的最根本单元电路之一；

用于提高模拟电路的驱动能力，也可以应用于于反响系统；根本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏及Cascade放大器；掌握CMOS根本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出电阻简化公式19CMOS共源放大器〔1〕共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。

20CMOS共源放大器〔2〕21CMOS共源放大器〔3〕由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在饱和区

增加NMOS的W/L或减小源漏电流或增大RD的压降都可以提高共源放大器的小信号增益；常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅22CMOS共漏放大器〔1〕对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻;如果共源放大器驱动底阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。

23CMOS共漏放大器〔2〕当Vin<VTN时，NMOSM1截止，输出电压Vout等于零;随着输入电压的增大并超过VTN，M1由导通进入饱和工作状态，Vout开始随着输入电压的增加而增加;进一步增大Vin，Vout将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为VGS

共漏放大器的输入－输出特性可以表示为

24CMOS共栅放大器〔1〕在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共栅放大器就是利用这个特性所实现的当输入电压Vin较大时，即Vin≥Vb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout等于VDD

25CMOS共栅放大器〔2〕当Vin<Vb-VTH时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为进一步减小Vin，Vout逐渐减小，M1开始进入线性区，即如果M1工作在饱和区，那么输出电压为

26CMOS共源共栅放大器〔1〕共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流，而共源放大器那么将输入电流信号转换成输出电压如将共源放大器和共栅放大器级联使用那么组成共源共栅放大器，即级联三极管〔Cascode〕放大器NMOSM1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，M2将漏电流转换成输出电压Vout，所以M1为输入器件，M2为共源共栅器件。

27CMOS共源共栅放大器〔2〕为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足VX≥Vin－VTH1假设M1和M2都处于饱和区，那么VX主要由偏置电压Vb决定：VX＝Vb－VGS2，所以必须保证Vb－VGS2≥Vin－VTH1，即Vb≥Vin－VTH1＋VGS2为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足Vout≥Vb－VTH2，为了保证M1和M2都处于饱和区，那么必须满足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，但是M2的增加会使放大器的输出电压摆幅减小28CMOS共源共栅放大器〔3〕当Vin<VTH1时，M1和M2处于截止状态，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；当Vin≥VTH1时，M1将输入电压转换成漏电流，并使输出电压Vout下降，但漏电流的增加使M2的栅源电压VGS2也随着增加，从而导致VX下降;当Vin继续增加，从而导致两个结果：(1)VX降