模擬CMOS電路分析總結(jié)

1、本文主要介紹MOS管電路的相關(guān)計(jì)算，主要應(yīng)用于模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)。本文是針對(duì)于拉扎維的模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)前三章的歸納總結(jié)，并結(jié)合自己的理解，對(duì)典型電路進(jìn)行分析計(jì)算。本文致力于介紹用直觀的方法計(jì)算電路的相關(guān)參數(shù)，或者只是簡(jiǎn)單的計(jì)算。本人上傳到百度文庫(kù)的另外一篇文章三極管電路分析介紹了用直觀的方法計(jì)算BJT相關(guān)參數(shù)的方法，該文中的思想和本文中的是相似的，建議也可以看看，該文中介紹的交流通路的相關(guān)內(nèi)容本文就不重點(diǎn)介紹了。還是要說(shuō)明的是，本人學(xué)習(xí)CMOS電路也就一年的時(shí)間，沒(méi)有流片經(jīng)驗(yàn)，不保證本文內(nèi)容完全正確，望以批評(píng)的態(tài)度看本文。本文主要是計(jì)算MOS管電路的輸出阻抗R和電壓增益A。1 小

2、信號(hào)模型 （a）NMOS管 （b） 簡(jiǎn)單小信號(hào)模型（c）完整的MOS管小信號(hào)模型熟悉小信號(hào)模型是必須的，直觀的方法就是要對(duì)小信號(hào)模型相當(dāng)?shù)睦斫?，要將看到的（a）中的圖形想成（c）中的圖形。不考慮各種二級(jí)效應(yīng)就是（b）圖，MOS管是壓控器件，電壓控制DS間電流，輸入阻抗為無(wú)窮高，所以MOS管相對(duì)于BJT就是不需要計(jì)算輸入阻抗。圖（c）為包含兩種二級(jí)效應(yīng)的完整的MOS管小信號(hào)模型，其中為襯底電壓，是由溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)引起的，是由體效應(yīng)引起的。只有在考慮這兩種效應(yīng)時(shí)才有這兩項(xiàng)，否則沒(méi)有。忽略這兩種效應(yīng)就是圖（b）。圖中的電壓和電流源的方向是值得特別注意的。需要說(shuō)明的是，圖（c）同時(shí)適用于PMOS管和

3、NMOS管，只不過(guò)PMOS管的為負(fù)值，相應(yīng)的改變電流源方向而已。也是一樣。最終，我們應(yīng)該看到圖（a）中，GS間是電壓，GD間永遠(yuǎn)是斷開(kāi)的，DS間是兩個(gè)壓控電流源和一個(gè)電阻，要高度重視他們的方向。2 一個(gè)簡(jiǎn)單的例子圖2 簡(jiǎn)單的MOS管放大電路計(jì)算它的放大倍數(shù)和輸出阻抗。，因此沒(méi)有體效應(yīng)，如果忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則沒(méi)有。計(jì)算輸出電阻，讓，則MOS管的DS間兩個(gè)電流源為0，電阻被忽略，則DS間開(kāi)路，又有DG間開(kāi)路，交流電路VDD相對(duì)于接GND，則輸出電阻就為。如果不忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則DS間有電阻，這樣交流通路中和并聯(lián)，因此輸出電阻為。 計(jì)算增益。忽略，DS間只有一個(gè)電流源，方向是D到S，所以

4、輸出電壓（要看交流通路）為，得到電壓增益為。如果計(jì)入，則交流通路里面和并聯(lián)，因此結(jié)果為。3 計(jì)算電阻。計(jì)算電阻非常重要，在計(jì)算增益的過(guò)程中肯定要用到的，計(jì)算電阻的電路分三類，只要記住這三類，其他的電阻都可以簡(jiǎn)單的看出來(lái)。這三類電阻的推導(dǎo)拉扎維的書(shū)上都有，我這里就不詳細(xì)推導(dǎo)了，只是直觀的計(jì)算，重要的是分析它的結(jié)果。3.1 二極管連接器件 圖3 二極管連接這種連接的MOS管的DS間電阻是 (1)這個(gè)可直觀的看出，因?yàn)?，所以電流源，則該電流源就是電阻，如果D和G是接的電源（NMOS管），則，則電流源就相當(dāng)于電阻，這樣就是三個(gè)電阻的并聯(lián)了。如果忽略體效應(yīng)，則讓，如果忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則令，得電阻為

5、。3.2 從漏端看進(jìn)去的電阻圖4 從漏端看進(jìn)去求電阻圖中電路，從漏端看進(jìn)去的電阻是 (2)具體推導(dǎo)拉扎維的書(shū)上有，這里就不計(jì)算了。圖中的就是MOS管內(nèi)部，只是畫(huà)出來(lái)了直觀一些。計(jì)算電阻時(shí)是讓輸入的。忽略體效應(yīng)，則讓，得電阻為。忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則令，得電阻為。如果電路中沒(méi)有電阻，則令，得電阻為。這是它的三種變形，只要記住了總的電阻，這三種都可以簡(jiǎn)單推出。3.3 從源端看進(jìn)去的電阻圖5 計(jì)算從源端看進(jìn)去的電阻它從源端看進(jìn)去的電阻是 (3)如果忽略體效應(yīng)，則讓，得到電阻為。如果忽略溝道長(zhǎng)度效應(yīng)，則讓，對(duì)分子分母求導(dǎo)后得到電阻為。如果沒(méi)有電阻則令，得到電阻為，可以看到，時(shí)就是二極管連接了，所以得

6、到的電阻就是前面介紹的二極管連接時(shí)的阻值。4 計(jì)算增益A的方法計(jì)算A一般有兩種方法，一個(gè)是，其中的R的計(jì)算方法在上面已經(jīng)介紹了，的計(jì)算方法將在下面介紹；另一個(gè)就是列方程或方程組求和的關(guān)系，方程一般是列輸出節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的KCL方程。這兩種方法文中都會(huì)介紹到。需要提醒的一個(gè)概念是，這里的嚴(yán)格意義上并不是指電路的輸出電阻，輸出電阻的定義里是不包含負(fù)載的，但是負(fù)載顯然會(huì)影響電路的增益A，所以這里的是指輸出點(diǎn)的等效交流電阻，是包含負(fù)載的。只不過(guò)在MOS管電路中，由于MOS管柵極的輸入電阻為無(wú)窮大，而放大電路的輸出往往是接的下一級(jí)的MOS管的柵極，所以計(jì)算結(jié)果上沒(méi)有區(qū)別，但是這個(gè)概念還是要清楚，不要被拉

7、扎維的書(shū)弄糊涂了。下面就通過(guò)對(duì)拉扎維書(shū)上各種例子的推導(dǎo)來(lái)介紹這兩種計(jì)算增益的方法。的計(jì)算是通過(guò)列的公式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是指輸出點(diǎn)對(duì)地交流短路時(shí)流入的電流，注意這個(gè)是交流短路，都是對(duì)交流等效電路的計(jì)算，因?yàn)槭切⌒盘?hào)。電流的正方向并不是流向地的，而是從地流出來(lái)的，也就是流到電路里面的。例1求。從MOS管D端往下看，電阻是前面介紹的，所以輸出端電阻為它和的并聯(lián)，為 計(jì)算。輸出交流接地，則被短路，電流為流進(jìn)MOS管的電流?；叵胍幌?，MOS管的DS間由三部分組成。上的壓降（即S端的電壓）為，因此得到，這樣就知道了它內(nèi)部的兩個(gè)電流源的電流大小及方向。計(jì)算上的電流，由于交流接地，則上電流為S端的電壓除以，方向和相

8、反，即，這樣就可以列出的方程：得到：這樣得到：同意，忽略體效應(yīng)則讓，忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則讓對(duì)分子分母求導(dǎo)，得到：例2 求。從往上看，計(jì)算電阻時(shí)是讓輸入置零的，MOS管為二極管連接，所以電阻為，則輸出端電阻為它跟的并聯(lián)，得到 求。將交流接地，則被短路，也被短路，體效應(yīng)也沒(méi)有了，因此得到，注意方向哈，方向一定是從地流出來(lái)的，并不是流向地的。 求增益A。這樣可以得到 也可以列方程求解，在交流通路中可以列出點(diǎn)的電流方程：這樣可以得到： 還可以用拉扎維書(shū)上介紹的電阻分壓等效電路的方法，可以得到相同的結(jié)果，但是那種方法只能在源跟隨器電路中使用，并不通用。如果要忽略和，方法和上面介紹的一樣，這里就不再介紹

9、了。 例3 求。將置零，則從往下看，可以通過(guò)前面的公式(2)中令得到電阻為。也可以直觀的看，沒(méi)有體效應(yīng)，為直流偏置電壓，沒(méi)有交流成份，因此交流通路中是接地的，這樣。所以MOS管只剩下了。為交流接地，這樣點(diǎn)處的等效交流阻抗為和的并聯(lián)，即。 求。將交流接地，則被短路，得到關(guān)于的方程：得到：這樣得到增益為： 也可以列方程求解，直接列出交流通路中點(diǎn)的電流方程：得到：也可以很直觀的看出來(lái)，從往上看，等效電阻為，則為在內(nèi)的上的壓降，因此得到：例4 求，為和從往下看的電阻的并聯(lián)（將置零）： 求：得到：得到增益為： 也可以列方程組求解：可以得到相同的和的關(guān)系。 另一種簡(jiǎn)單的方法是電阻分壓，從往上看的電阻是，而

10、輸出電壓是在其中的上的分壓，所以有：例5右圖為左圖的等效電路，為左圖中從往上看的等效電阻，這樣分解后左圖中的計(jì)算就簡(jiǎn)單多了。這個(gè)例子中最重要的是介紹方向的問(wèn)題，因?yàn)檫@次計(jì)算的是PMOS管。 計(jì)算。在右圖中，往下看的電阻為，這個(gè)電阻可以另公式（3）中的得到，也可以認(rèn)為是二極管連接，是。因此得到： 計(jì)算。將交流對(duì)地短路，則，上電流為0，得到，注意方向，在小信號(hào)模型中，電流的正方向是從D到S的，所以這里電流方向?yàn)樨?fù)值。這樣得到。得到增益為： 直接列方程解。，列處的電流方程有：可以得到： 列上面的電流方程時(shí)一定要注意方向，對(duì)于最開(kāi)始介紹的小信號(hào)模型，對(duì)NMOS管和PMOS管都是適用的，參考電流方向都是從D到S的，只是和的值的正負(fù)可能不同，這樣實(shí)際電流方向可能不同，其他的兩者都是一樣的。拉扎維書(shū)上的式（3.105）是假設(shè)了左圖中從往上看到電阻為無(wú)窮大時(shí)得到的，在這里只有讓上式中的便可得到式（3.105）。根據(jù)前面介紹的到的方法便可很容易的得到到的增益。例6 對(duì)于多個(gè)MOS管的電路，可以列方程組的方法來(lái)計(jì)算。電流源用電阻替代，以方便計(jì)算，再在最后的結(jié)果中令來(lái)得到正確的結(jié)果。本例子是拉扎維書(shū)上圖3.58的計(jì)算，該例子中已經(jīng)介紹了的方法，這里就不介紹了。設(shè)兩個(gè)MOS管中間點(diǎn)為，這樣可以列出點(diǎn)和點(diǎn)關(guān)于電流的方程組：這樣消掉就可以得到：令，對(duì)求導(dǎo)，得到：這個(gè)結(jié)果和拉扎維的書(shū)上就