CMOS模擬集成電路設(shè)總復(fù)習(xí)實(shí)用PPT課件

1、l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第1頁/共56頁P(yáng)-SiP型型Si襯底襯底( (Semiconductor)N+N+柵極柵極(Gate）金屬金屬( Metal ) Al層層GDS氧化物氧化物(Oxide) SiO2層層器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)MOS器件原理器件原理第2頁/共56頁P(yáng)-SiGDSN+N+E反型層反型層MOSFET的工作原理的工作原理導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程第3頁/共

2、56頁P(yáng)-SiGDSN+N+E反型層反型層MOSFET的工作原理的工作原理導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程第4頁/共56頁P(yáng)-SiGDSN+N+MOSFET的工作原理的工作原理飽和過程飽和過程第5頁/共56頁MOSFET的工作原理的工作原理輸入、輸出特性曲線輸入、輸出特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線第6頁/共56頁MOS管的大信號(hào)模型管的大信號(hào)模型MOS管的電流電壓關(guān)系（以管的電流電壓關(guān)系（以NMOS為例）：為例）：21)(20DSDSTGSOXDvvVvLWCi:0器件表面遷移率載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，是載流子在電場作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度（cm2/Vs

3、）:OXC單位面積柵氧化物電容（F/cm2）OXOXOXtC:LW器件的寬長比: K跨導(dǎo)參數(shù)0OXCK 第7頁/共56頁MOS管的大信號(hào)模型管的大信號(hào)模型飽和區(qū)電流（以飽和區(qū)電流（以NMOS為例）：為例）：2)(2TGSDVvLWKi線性區(qū)電流（以線性區(qū)電流（以NMOS為例）：為例）：DSDSTGSDvvVvLWKi)2()(PMOS的飽和區(qū)和線性區(qū)電流表達(dá)式？的飽和區(qū)和線性區(qū)電流表達(dá)式？第8頁/共56頁MOS管的小信號(hào)模型管的小信號(hào)模型小信號(hào)模型小信號(hào)模型DoIr1輸出電阻輸出電阻DmILWKg2跨導(dǎo)跨導(dǎo)omvrgA 增益增益第9頁/共56頁l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電

4、流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第10頁/共56頁電流鏡電流鏡1.1.電流的比值等于管子的寬長比的比值（忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)）電流的比值等于管子的寬長比的比值（忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)）2112LWLWiiIO2.2.從管子處于飽和區(qū)的條件出發(fā)，端口導(dǎo)出電壓滿足的關(guān)系從管子處于飽和區(qū)的條件出發(fā)，端口導(dǎo)出電壓滿足的關(guān)系第11頁/共56頁電流鏡 例.下圖所示電路中，假設(shè)M1和M2的寬長比為40/1, M3和M4的寬長比為

5、120/1,，IREF=0.1mA,試確定VX的值和Vb的允許范圍（忽略襯偏效應(yīng)）。解：TREFGSXVLWKIVV11)/( 2TREFREFVLWKILWKI12)/( 2)/( 24010110101 .027 .04010110101 .026363V11.1V91. 07 . 04010110101 . 0263M1飽和：TGSDSVVV11TGSGSbVVVV12TGSGSbVVVV21第12頁/共56頁例題M2飽和：TGSDSVVV22TGSGSbGSVVVVV221)(TGSbVVV1TTREFVVLWKI2)/( 24 .0263V61.1VVVb6

6、1. 111. 1獲得穩(wěn)定的輸出電流獲得穩(wěn)定的輸出電流要求所有管子飽和，要求所有管子飽和，則此時(shí)則此時(shí)第13頁/共56頁l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第14頁/共56頁帶隙基準(zhǔn)源l三極管的基極發(fā)射極電壓三極管的基極發(fā)射極電壓VBE是是負(fù)負(fù)溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。l兩個(gè)三極管工作在不同的電兩個(gè)三極管工作在不同的電流密度下，其基極發(fā)射極電流密度下，其基極發(fā)射極電壓的差值

7、壓的差值 是是正正溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。BEVCmVTVKBE/2 . 2300)(lnVlnT為兩三極管電流比值nnnqkTVBE帶隙基準(zhǔn)源基本不受帶隙基準(zhǔn)源基本不受電源電源和和溫度溫度的影響的影響第15頁/共56頁帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu))1)(ln(322outRRnVVVTBEIRVVBEBE321IRRVVBEout)(32233)ln(RnVRVITBE第16頁/共56頁帶隙基準(zhǔn)源例例. .首先推導(dǎo)下圖所示電路輸出基準(zhǔn)電壓首先推導(dǎo)下圖所示電路輸出基準(zhǔn)電壓Vout的表達(dá)式，接下來確定的表達(dá)式，接下來確定n和和(W/L)5使得基準(zhǔn)電使得基準(zhǔn)電壓在室溫下具有零溫度系數(shù)壓在室溫下具有零溫度系數(shù),

8、,已知已知M1M4的寬長比均相等，的寬長比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且，且Q3和和Q1相同。相同。解：假設(shè)解：假設(shè)(W/L)5=m(W/L)13EB12VImRVDout2EB111EBVIRVD)ln(1nRVIT3EB12)ln(VnVRmRVToutTVqknTVout3EB)ln(202 . 21067. 8)ln(22nm7 .12)ln(nm只要滿足右式的所有只要滿足右式的所有m，n均可均可第17頁/共56頁l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放

9、大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第18頁/共56頁反相器l高增益放大電路的結(jié)構(gòu)高增益放大電路的結(jié)構(gòu)差分輸入級(jí)差分輸入級(jí)共源共柵放大級(jí)共源共柵放大級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)反相器是所有放大器中最基本的電路反相器是所有放大器中最基本的電路1.1.有源負(fù)載反相器有源負(fù)載反相器2.2.電流源負(fù)載反相器電流源負(fù)載反相器3.3.CMOS反相器反相器第19頁/共56頁有源負(fù)載反相器l有源負(fù)載反相器有源負(fù)載反相器21mminoutVggvvA21211mdsmoutgggRLmoodBCgCR23123 dBf第20頁/共56頁電流源負(fù)載反

10、相器l電流源負(fù)載反相器電流源負(fù)載反相器LdsdsoodBCggCR213123 dBf211dsdsminoutVgggvvA)(112112DdsdsoutIggR第21頁/共56頁CMOS反相器lCMOS反相器反相器121dsdsoutggR23 dBf2121)(dsdsmminoutVggggvvALdsdsoodBCggCR2131第22頁/共56頁CMOS反相器的頻率響應(yīng)反相器極點(diǎn)頻率近似計(jì)算方法：反相器極點(diǎn)頻率近似計(jì)算方法：OUTOUTCRp11.1.頻率響應(yīng)的極點(diǎn)約等于節(jié)點(diǎn)到地的電容和電阻乘積的倒數(shù)。頻率響應(yīng)的極點(diǎn)約等于節(jié)點(diǎn)到地的電容和電阻乘積的倒數(shù)。2.2.電路中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)

11、對傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。電路中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。第23頁/共56頁有源負(fù)載反相器的頻率響應(yīng)例例. .假設(shè)下圖所示電路中假設(shè)下圖所示電路中M1的寬長比為的寬長比為2um/1um，M2的寬長比為的寬長比為1um/1um,Cgd1=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF,Cgs2=2fF,CL=1pF,漏電流漏電流ID=100uA，求小信號(hào)增益和，求小信號(hào)增益和-3dB頻率。頻率。解：解：21mmVggA1 . 215021101221LWKLWKPNLDPOUTMmCILWKCCgp22)/(2)(-3dB角頻率約等于主極點(diǎn)頻率：角頻率約等于主極點(diǎn)頻率：)/(100

12、101101001105021266sradM)(1623HzMfdB-3dB頻率頻率第24頁/共56頁反相器例例 . 下圖所示電路假設(shè)下圖所示電路假設(shè)M1和和M2都工作在飽和區(qū)，求需要加多大的偏置電壓都工作在飽和區(qū)，求需要加多大的偏置電壓VGG可使流過可使流過M1和和M2的電流為的電流為100uA；此時(shí)輸入電壓；此時(shí)輸入電壓vin的直流值為多少；放大器的小信號(hào)電壓增益為的直流值為多少；放大器的小信號(hào)電壓增益為多少。多少。解：解：M2工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)222)(2TNGGDVvi100)7 . 0(21102GGvVVGG05. 2M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)211|)|(2TPinDD

13、DVvVi100)7 . 05(25502invVvin4 . 3增益：增益：211dsdsmVgggA8 .24第25頁/共56頁例例. .假設(shè)下圖所示電路中假設(shè)下圖所示電路中M1的寬長比為的寬長比為1um/1um，M2的寬長比為的寬長比為2um/1um,Cgd1=0.5fF, Cgd2=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF, CL=1pF,漏電流漏電流ID=300uA，電源電壓，電源電壓5V，求小信號(hào)增益和，求小信號(hào)增益和-3dB頻率。頻率。解：解：2121)(dsdsmmVggggADPDNDNDNIIILWKILWK)/(2)/(21111-3dB頻率：頻率：)/(27

14、101)05. 004. 0(10300126sradM)(2 .423HzMfdB-3dB角角頻率：頻率：6 .181030005. 01030004. 01032105021031101102664646LDPDNOUTMdsdsCIICCggp)()()(21CMOS反相器的頻率響應(yīng)第26頁/共56頁l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第27頁/共56頁差分放大

15、器)2()(2121vvAvvAVVCVDoutAVD：差模差模增益增益AVC：共模增益共模增益AVD/AVC：共模抑制比共模抑制比VICMR：共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍)(21vvAVVDout理想差放理想差放:21vvvID差模輸入電壓差模輸入電壓:221vvvIC共模輸入電壓共模輸入電壓差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：抑制共模噪聲抑制共模噪聲增大了可得到的最大電壓擺幅增大了可得到的最大電壓擺幅偏置電路相對簡單偏置電路相對簡單線性對相對高線性對相對高第28頁/共56頁電流鏡負(fù)載差分放大器大信號(hào)分析大信號(hào)分析輸入共模范圍輸入共模范圍ICMR求求ICMR方法：令方法：令vID=0,改

16、變改變vIC直到有一個(gè)管子退出飽和區(qū)。直到有一個(gè)管子退出飽和區(qū)。satDSGSsatDSGSICVVVVV5152minTNSGDDICVVVV3max最小輸入共模電壓：最小輸入共模電壓：最大輸入共模電壓：最大輸入共模電壓：第29頁/共56頁電流鏡負(fù)載差分放大器差分放大器的增益差分放大器的增益11142422)(LIWKgggASSdsdsmdV差分放大器的輸出電阻差分放大器的輸出電阻421dsdsoutggr小信號(hào)分析小信號(hào)分析增益、輸出電阻、增益、輸出電阻、-3dB帶寬帶寬mdmmggg21LdsdsOOdBCggCR)(1423差分放大器的差分放大器的-3dB帶寬帶寬第30頁/共56頁電

17、流鏡負(fù)載差分放大器例例.設(shè)計(jì)電流鏡負(fù)載差分放大器以滿足以下指標(biāo)：設(shè)計(jì)電流鏡負(fù)載差分放大器以滿足以下指標(biāo)：（1）差模增益）差模增益100V/V；（；（2）-1.5VICMR2V；（；（3）PdissVTP0,VTN1VTN0；第44頁/共56頁推挽形式的源極跟隨器推挽形式的源極跟隨器小信號(hào)分析小信號(hào)分析推挽形式的源極跟隨器2121211dsdsmbsmbsmmOUTggggggr1.1.輸出電阻輸出電阻2.2.電壓增益電壓增益21212121dsdsmbsmbsmmmmVggggggggA3 3. -3dB帶寬帶寬OOdBCR13LLdsdsmbsmbsmmCGgggggg)(212121輸出電

18、阻和增益小，帶寬大輸出電阻和增益小，帶寬大第45頁/共56頁l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.電流鏡電流鏡l3.3.帶隙基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)l4.4.反相器（三種類型）反相器（三種類型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共柵放大器共源共柵放大器l7.7.輸出放大器輸出放大器l8.8.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)第46頁/共56頁運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)1.1.開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益2.2.共模抑制比共模抑制比3.3.開環(huán)輸入電阻開環(huán)輸入電阻4.4.開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻0 05.5.開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬6.6.沒有溫漂沒有溫漂運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器OP AM

19、P(Operational AMPlifier)虛斷路虛斷路虛短路虛短路理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：第47頁/共56頁運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)l增益增益( (Av) )l小信號(hào)帶寬：小信號(hào)帶寬：- -3dB帶寬；單位增益帶寬。帶寬；單位增益帶寬。l輸出擺幅輸出擺幅( (Output Swing) )l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)l建立時(shí)間（建立時(shí)間（ settling time ）l共模抑制比共模抑制比(CMRR)l擺率擺率(SR)l相位裕度（相位裕度（Phase Margin）l電源抑制比電源抑制比(PSRR)l

20、噪聲和失調(diào)噪聲和失調(diào)l版圖面積版圖面積第48頁/共56頁兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例約束條件約束條件l 電源電壓電源電壓l 工藝工藝l 溫度溫度l增益增益( (Av) )l小信號(hào)帶寬（主要指小信號(hào)帶寬（主要指GB）l相位裕度相位裕度l輸出擺幅輸出擺幅( (Output Swing) )l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)l轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(SR)l功耗功耗l負(fù)載電容負(fù)載電容設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)第49頁/共56頁兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例)()/( 2)()/( 2|676664222426112,1 ,ILWKIILWKIRgRgAAAPDNoutmoutmstvstvvl增益增益(

21、(Av) )l單位增益帶寬單位增益帶寬cmCgGB/1l相位裕度相位裕度（大于（大于60）2610mmggLCCCC22. 022. 02如果采用調(diào)零補(bǔ)償，需仔細(xì)如果采用調(diào)零補(bǔ)償，需仔細(xì)設(shè)計(jì)次極點(diǎn)和左半平面零點(diǎn)。設(shè)計(jì)次極點(diǎn)和左半平面零點(diǎn)。第50頁/共56頁兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例l輸入共模范圍輸入共模范圍(ICMR)THNGSDDinCMVVVV3max,11515min,THNONONSSGSONSSinCMVVVVVVVVl轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(SR)cCISR/5l輸出擺幅輸出擺幅電流源負(fù)載反相器的輸出擺幅較大，設(shè)電流源負(fù)載反相器的輸出擺幅較大，設(shè)計(jì)時(shí)一般可不考慮。計(jì)時(shí)一般可不考慮。

22、l功耗功耗totalSSDDdissIVVP)(第51頁/共56頁兩兩級(jí)級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例l例例. 兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示，要求增益兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示，要求增益5000V/V，單位增益帶寬，單位增益帶寬GB=5MHz，相位，相位裕度不小于裕度不小于60， SR=10V/uS，輸入共模范圍，輸入共模范圍-12V，輸出擺幅，輸出擺幅-22V，功耗小于，功耗小于2mW，試設(shè)計(jì)該放大器各管子的寬長比。已知試設(shè)計(jì)該放大器各管子的寬長比。已知VDD=-VSS=2.5V，所有管子溝道長度為，所有管子溝道長度為1um，負(fù)載，負(fù)載電容電容10pF。解：解：首先設(shè)計(jì)第一級(jí)首先設(shè)計(jì)第一級(jí)（1 1）相位裕度）相位裕度60要求要求pFCCCLC2 . 222. 022. 02取最小值取最小值pFCC3（2 2）SR=10V/uSuACSRIc305第52頁/共