模拟cmos集成电路设计拉扎维单级放大器一PPT学习教案.pptx

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1、会计学1模拟模拟cmos集成电路集成电路(jchng-dinl)设设计拉扎维单级放大器一计拉扎维单级放大器一第一页，共44页。2上一讲基本概念简化(jinhu)模型开关结构符号I/V特性特性(txng)阈值电压阈值电压I-V关系式关系式跨导二级效应(xioyng)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第1页/共44页第二页，共44页。3MOS饱和区时的小信号饱和区时的小信号(xnho)模型模型西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第2页/共44页第三页，共44页。IDWL=W=nC (VGS VTH),饱和(boh)区

2、时oxL4跨导gmVGS对IDS的控制能力IDS对对VGS变化变化(binhu)的灵敏度的灵敏度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(jchng-dinl)原理第3页/共44页第四页，共44页。5本讲放大器基础知识共源级电阻(dinz)做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)共源级电流源做负载(fzi)共源级深线性区MOS管做负载(fzi)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第4页/共44页第五页，共44页。6信号(xnho)放大基本功能为什么信号(xnho)需要放大？信号太小，不能驱动负

3、载降低后续(hux)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第5页/共44页第六页，共44页。7放大器基础知识输入输出关系(gun x)在一定(ydng)信号范围内可用非线性函数表示在取值范围(fnwi)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刚模拟集成电路原理第6页/共44页第七页，共44页。8放大器的性能参数参数(cnsh)之间互相制约，设计时需要在这些

4、参数间折衷AIC设计设计(shj)的的八边形法则八边形法则西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第7页/共44页第八页，共44页。9本讲放大器基础知识共源级电阻(dinz)做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)共源级电流源做负载(fzi)共源级深线性区MOS管做负载(fzi)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第8页/共44页第九页，共44页。10共源级电阻(dinz)做负载大信号(xnho)分析饱和(boh)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第9页/共44页第十页，共44页。11共源级电阻(dinz)做负载大信号(xnho)分析

5、线性区时深线性区时Vout 2(Vin VTH)西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第10页/共44页第十一页，共44页。12共源级电阻做负载(fzi)小信号分析饱和区时大信号关系式小信号(xnho)增益与小信号(xnho)等效电路结果一致增益随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第11页/共44页第十二页，共44页。WL13共源级电阻(dinz)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

6、，输出节点时间常数增大西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第12页/共44页第十三页，共44页。14共源级电阻(dinz)做负载考虑沟长调制(tiozh)效应I D =1/rO西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第13页/共44页第十四页，共44页。15共源级电阻(dinz)做负载考虑沟长调制(tiozh)效应西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)原理第14页/共44页第十五页，共44页。16共源级电流源做负载(fzi)能获得较大的增益Av =g m(ro|RD)Av =g m ro本征增益(zngy)本征增益(zngy)为多大？西电微电子学院董刚模拟集

7、成电路原理第15页/共44页第十六页，共44页。=17共源级电流(dinli)源做负载本征增益Av =g m ro gm=2IDVGS VTH,rO=1IDAv =(VGS2 2VA VTH)VOVVOV一般一般(ybn)不能随工艺下降，要保证强不能随工艺下降，要保证强反型（反型（100mV以上），一般以上），一般(ybn)取取200mV本征增益约本征增益约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西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)原理原理L增大时可以更大增大时可以更大1/gmrO成

8、立第16页/共44页第十七页，共44页。18共源级电阻(dinz)做负载实际(shj)应用情况在CMOS工艺(gngy)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第17页/共44页第十八页，共44页。19本讲放大器基础知识共源级电阻(dinz)做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)共源级电流源做负载(fzi)共源级深线性区MOS管做负载(fzi)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第18页/共44页第十九页，共44页。20

9、共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)二极管接法的MOS管做为小信号(xnho)电阻来用西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路原理第19页/共44页第二十页，共44页。21共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)无体效应(xioyng)时的阻抗I X =VX /rO+g mV1二极管阻抗(zkng)=(1/g m)rO 1/g m西电微电子学院董刚模拟集成电路原理第20页/共44页第二十一页，共44页。Vx=22共源级二极管接法的MOS 管做负载有体效应(xioyng)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

10、(xioyng)时小西电微电子学院董刚模拟集成电路原理第21页/共44页第二十二页，共44页。23共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)增益Av =g m(ro|RD)RD 忽略(hl)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(jchng-dinl)原理第22页/共44页第二十三页，共44页。1 gm1 1=24共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)增益(zngy)的特点Av=gm1gm2+gmb2 gm2 1+g m =2 n C oxWLI DAv =(W/L)1 1(W/L)2 1+忽略随Vout的变化时，

11、增益(zngy)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第23页/共44页第二十四页，共44页。W1 WW W共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)大信号(xnho)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(binhu)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理的转换点 25第24页/共

12、44页第二十五页，共44页。26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(xioyng)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(mn)集成电路原理第25页/共44页第二十六页，共44页。W W2=27共源级二极管接法的 MOS 管做负载缺点(qudin)2：输出摆幅小Vout 1/gm时，Gm1/RS西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)原理第36页/共

13、44页第三十七页，共44页。=38共源级带源极负反馈考虑gmb和rO的等效(dn xio)跨导Gm和增益Gm =I out g m roVin RS +1+(g m +g mb)RS ro西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路原理第37页/共44页第三十八页，共44页。39共源级带源极负反馈跨导Gm和增益(zngy)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，较小时，1/gmRS，Gm gm；Vin增小时，负反馈效应增小时，负反馈效应(xioyng)显现显现西电微电子学院董刚模拟集成电路原理西电微电子学院董刚模

14、拟集成电路原理第38页/共44页第三十九页，共44页。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”/“在源极通路(tngl)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第39页/共44页第四十页，共44页。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(zn d)了很多Av =Gm RD|ro 西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路原理第40页/共44页第四十一页，共44页。Iout gmrGm=共源

15、级带源极负反馈考虑(kol)体效应和沟长调制效应后的增益Vin RS+1+(gm+gmb)RS roGm西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)原理输出电阻42第41页/共44页第四十二页，共44页。43本讲放大器基础知识共源级电阻(dinz)做负载共源级二极管接法的MOS 管做负载(fzi)共源级电流源做负载(fzi)共源级深线性区MOS管做负载(fzi)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第42页/共44页第四十三页，共44页。44作业(zuy)3.3,3.24习题设计(shj)的特别好，每道题都值得一做西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路原理第43页/共44页第四十四页，共44页。