模擬集成電路設(shè)計復(fù)習(xí)筆記

1、模集復(fù)習(xí)筆記By瀟然20186202.2 1/V 特性1. i-v 特性飽和區(qū)：厲=2心牛危-嶺）1 117溝長調(diào)制；ID =亍必-匕j（l + 2Z）w r】線性區(qū)，* =曲農(nóng)工”% 一%必廠寸'FF £深線性區(qū)：ID = M；y 丫 （GS - % DS2. 跨導(dǎo)定義：VgS對I DS的控制能力（I DS對Vss變化的靈敏度） 飽和區(qū)跨導(dǎo)gm表達(dá)式：2.線性電阻表達(dá)式1心倫-紜）2.3二級效應(yīng)J 2 q&iNa1.體效應(yīng)Vth = Vth + / (V2Or+ Vsb , y =Y為體效應(yīng)系數(shù)，典型值0.3-0.4V2. 溝道長度調(diào)制效應(yīng)2.4 MOS器件模型定義

2、：信號相對于偏置工作點而言比較小、不會顯著影響偏置工作點時用該模型簡化 計算由gm gmb r。等構(gòu)成低頻小信號模型，高頻時還需加上CGs等寄生電容、寄生電阻（接觸孔電阻、導(dǎo)電層電阻等）1. MOS小信號模型溝長調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻cVds1Fo =dlr)61 d /體效應(yīng)跨導(dǎo)eln /.inCox W( -cVth=(14用一 ViH)2 L代恥 s)月 2'V2fI)F+ Vsbr2.完整的MOSFE小、信號模型、T5打DB用于計算各節(jié)點時間常數(shù)、找出極點2.5放大器的性能參數(shù)AIC設(shè)計的八邊形法則powe<DissipationIn 典t/OutputImpedance

3、GainSuppt VoMaqaVoltageSwings分別為：速度、功耗、增益、噪聲、線性度、電壓擺幅、電源電壓、輸入輸出阻抗 參數(shù)之間互相制約，設(shè)計時需要在這些參數(shù)間折衷3.2共源級1.電阻負(fù)載理想情況:& = gmRD考慮溝長調(diào)制效應(yīng):2.二極管接法的MOS做負(fù)載NMOST極管負(fù)載711(gm + gmb Vx + = lxTTo存在體效應(yīng)時的阻抗:H氏丸2?;j+ Qmbg垃 + g曲2g“21 + 7；忽略n隨Vout的變化時，增益只于 W/L有關(guān)，與偏置電流、電壓無關(guān)，線性度很4 gli好。PMOS管負(fù)載M ("/ LA-y ftp (W/ L)2缺點：a.大增

4、益需要極大的器件尺寸b.輸出擺幅小提高輸出擺幅的方法：加電流源3.電流源做負(fù)載£二乩必4.深線性區(qū)MOS管做負(fù)載c VoutI匸1引他-|曲|)I丄I丿r5.九=m0N2帶源極負(fù)反饋增益與跨導(dǎo)GBmJH1十為&&=Gm RdS m Rd+ 乩 Rs隨著RS增大，Gm和增益都變?yōu)間m的弱函數(shù),提高了線性度；但以犧牲增益為代價。另外，可以通過如下方法簡便計算:/ _ -g 曲 Rp Rd'1 +弘&1/臥+尺Av="在漏極節(jié)點看到的電阻” / "在源極通路上看到的電阻”輸出電阻尺皿f二丨+ （加+帥力）心廠o +=H + （% +從訕）

5、巾I心豐廠"3.3源跟隨器（共漏）1. 負(fù)載為RsI +(£5vr + S/fih) R2.負(fù)載為電流源片二_J£i=邑=好-（級=罰）1+（弘+£加）&丄+（爲(wèi)+綣j乩+£處I&3.考慮r。和R后的增益（注意分析過程）菠 J昨點6 J f os z r Rl丄也 ll<,2 II Rl彳-丄 II rn II II Rl 十Smb4.負(fù)載為理想電流源時輸出電阻RoRout 二Sin + gmb3.4共柵級1.不考慮溝長調(diào)制效應(yīng)時增益體效應(yīng)導(dǎo)致增益增加2.輸入阻抗RdR協(xié)=一心岀一 +1 + （久+張兀（久+ nbK 久+

6、弘RD=0時，共柵級輸入阻抗 相當(dāng)于源跟隨器輸出阻抗盡=1/為（1+帀，故在Rd較小時，輸入阻抗小3.輸出阻抗1% * 匸JR。過二:1+必+張）坊氏+打II局計算結(jié)果同帶源極負(fù)反饋的共源級的Rout，故輸出阻抗很大3.5共源共柵級1.增益（不考慮溝長調(diào)制）Ry o ml。（注意此處為約等于且結(jié)果為負(fù)，具體增益參照P71,掌握方法即可）2.輸出阻抗|月 nut|J性_£匸呢出Tm2£roi= 1 +（呂也 2 + 已必 2）廠0 2：roi +01M2管將M1管的輸出阻抗提高為原來的（gm2+gmb2 ro2倍；有利于實現(xiàn)高增益3.其他性質(zhì)： 作理想電流源，代價：輸出擺幅減

7、小1r %m2/W19%®JW4: Cascode-CurrentSourceJJr 屏蔽特性：Vout端有 Vout的電壓跳變時，表現(xiàn)在 X點的電壓跳變很小，屏蔽了輸出節(jié)點對輸入管的影響4.折疊共源共柵5.總結(jié):優(yōu)點壽輸出阻抗高:高增益:屏蔽特性好不足:輸出擺幅受一定影響:折疊共源共柵級直流功耗大 口應(yīng)用*電流源:共源共柵OPA:折疊共源共柵OPA等4.2基本差動對1.大信號差分特性上式假定了 M1 M2均工作在飽和區(qū)，然鵝2.大信號共模特性一個MOS管截止ntIhl共模輸入電平必須滿足:牛+盯3小信號差分特性41Gtn沁IdW從匸ox lT因此，當(dāng) Vin為下值時跨導(dǎo)降為0:其表

8、征放大器所允許的最大輸入差分信號_AVlnl '+ AUin* AVifl用疊加法、半電路法均可求全差分時的差模增益，結(jié)論為： 單邊輸入時差模增益為-gmFD 差分輸入時差模增益為-gmRD 單邊輸入時單端輸出增益為-gmR/24小信號共模特性若電路完全對稱，貝U流過M1和M2管的直流電流總為Iss/2，不隨Vin,CM的變化而變化， 因此，VX和Vy不變；非理想性包括：M1和M2之間有失配（W/L、Vth等），Rdi和RD2之間有失配（阻值不完全 相等等）；尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無窮大 尾電流內(nèi)阻非無窮大時若電路完全對稱，則 Vp會隨Vin,CM的變化而變化，導(dǎo)致尾電流變化，

9、Voutl和Vout2會隨之變化，但 Voutl和Vout2總相等，故可短接，將M1、M2并聯(lián)處理（注意此時跨導(dǎo)為2gm）豐Rd丹0注-r>一1中玄TpSfls-=K丫 EMV v m. CM共模增益為:1/（2弘）+%輸入管失配對共模響應(yīng)的影響 共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：gnAg.2（丸| +弘2）心"心5. CMRR-共模抑制比Commo n-Mode Rejectio n Ratio ，用來綜合反映差分放大器的性能CMRRCM - DM5.1基本電流鏡Rtf原理：利用輸出電流與參考電流的過驅(qū)動電壓相同1 REFCox W2 心小1）lout =(VgsVth)2(1Vds2)

10、lout_(W/L)2(1_Vds2)因此 Iref (W/L)i(1 Vdsi)復(fù)制精度受工藝(寬長比)、溝長調(diào)制效應(yīng)的影響5.3有源電流鏡總結(jié)電流鏡做負(fù)載的差分 放大器彷將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端 輸出哥差分增益承共模增益會影響差分放 大器性能；高頻時和存 在失配時更嚴(yán)重6.1密勒效應(yīng)如果上圖1的電路可以轉(zhuǎn)換成圖 2的電路，則Z1(1-AJZ2"(i-a-J式中號增益，通常為簡化計算，我們一般用低頻增益來代替AV,這樣足可以使我們深入理解電路的頻率特性。密勒定理不適用的情況結(jié)點X與Y之間只有一條信號通路，密勒定理不成立©此時禾 用密勒定理得到的輸入阻抗是對的，但增益是錯的。6

11、.2極點與結(jié)點的關(guān)聯(lián)1. CS放大器的簡化頻率特性分析如果忽略輸出結(jié)點與輸入結(jié)點的相互作用，我們可以利用密勒定理得到CS放大器的兩個極點頻率:t 2 4(Cgd+Cdb)Rd2 7tICGS+(l+gniRD)CGI)2. 共源放大器的頻率特性（理論推導(dǎo)）CG0(Vx - vout) CCDS + g.Vx + Vout( + CMS) = 0K D(sC-gJRj卜= 1E4-CC +C切 CJ +眾 Ji 十 gR 卩)Cgd +% +%億辺 +4+1將分母化為:0 =11 )13 H3 Js's=+應(yīng)孑2 »注意:末尾常數(shù)為r二第一角頻率和"就是傳輸兩數(shù)中關(guān)于

12、s 的一次項系數(shù)的倒數(shù),氣廣叫就是貯項系數(shù)的倒數(shù).f 二其零占：/、八 、總而言之：若題目出到圖6.2.1，根據(jù)公式給出極點、零點，之后若表達(dá)傳輸函數(shù)，則模仿理論推導(dǎo)中增益的表達(dá)形式。7.2噪聲類型1.熱噪聲 定義：導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運動，引起導(dǎo)體兩端電壓波動 電阻的熱噪聲Ifl哎eVftQ;_NoiselessAeBl&Eor匕：=4A77?(AA); If =，教材上默認(rèn) f=1HzMOS管溝道區(qū)的熱噪聲單個MOS管能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓:Vn = CrO =4M（|弘）卅:） （也即如果有負(fù)載， ro 要替換為 負(fù)載FD）減少gm可降低噪聲。當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時，應(yīng)盡量小2

13、. MOS管的閃爍噪聲（1/f噪聲） 來源：載流子在柵和襯底界面處的俘獲與釋放，導(dǎo)致源漏電流有噪聲 用與柵極串聯(lián)的電壓源來模擬 表達(dá)式：1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率fc 熱噪聲和1/f噪聲曲線的交叉點KCJVL8m厶（對長溝道器件8A/7.3電路中的噪聲表示1.方法一：輸出參考噪聲電壓把輸入置零，計算電路中各噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲 例：求如圖所示共源級電路的總輸出噪聲電壓I/2 =a out1,2 K I、4kT 卜“評十麗7氏十力2.方法二：輸入?yún)⒖荚肼曤妷涸谳斎攵擞靡粋€信號源來代表所有噪聲源的影響Nd5y Ctrcuii對于上例,V2 n.outA2盒陽“（一豪 K 1 . 加丘彳4込爲(wèi)+麗聲

14、+瓦Jox» 2 K 14A7DO兀jl C音IH”D°仏_L-?+ 1N 嚴(yán)JiHr3.用電壓源與電流源共同表示輸入?yún)⒖荚肼? ）2盅疋嚴(yán)（4燈爲(wèi)+響）忌3 心如圖，4.輔助定理源漏之間的噪聲電流源可以等效為與柵級串聯(lián)的噪聲電壓源（對任意的 條件：均由有限阻抗驅(qū)動；低頻時ZS)7.4單級放大器中的噪聲1.共源級（已在上邊講過，不贅敘）4燈Zg + K 丄或+3處 CWL宀tAlK+喬£ r2 1 13 £ m g m R D >例：M1和M2均工作在飽和區(qū)。計算：二丄J tl.iii y 2 inn.in4kT1CJVL 7屯（K低頻時） 輸入?yún)?/p>

15、考熱噪聲電壓 若負(fù)載電容為 G,求總輸出熱噪聲 若輸入是振幅為 Vm的低頻正弦信號，求輸出信噪比（2 2 |匕爲(wèi)=4k7 gni + gin2 （ <911|2）2 $ d 丿（利用交流小信號模型，ro1與ro2在漏端并聯(lián)）匕2如=4k丁張 + |.2 （加|廠。）2 s ）頻帶內(nèi)積分，得總輸出熱噪聲 輸入信號在輸出端產(chǎn)生的信號振幅為:gol rO2)ViSNR( Sig nal and Noise Ratio )為功率之比:臥1（心 J®_ 35 g爲(wèi)（加|心）A'K耐_ 2辺2 （g汩+ g阮Xg心2）乞W弘+弘2.共源共柵級T；*卜K?j7j Lvi J®

16、;= 4A7|2! I 18m（只考慮熱噪聲）c）中從M2柵極到輸出的增益很?。ㄍ瑤1M2的噪聲對輸出噪聲的貢獻(xiàn)很小，因為圖（ 源極負(fù)反饋的放大器）3.折疊共源共柵電路的熱噪聲苓®"1 片 lB2l()dvieo2 = dv22 9，eq 12 (gm “腫If dvB2 is negligible :Small gm3 :(W/L)3 I（9m1）（M2為共柵管，其熱噪聲可忽略不計，即右式第二項可省去）2（gmlrol 的由來：易得 Ve =4kT*2/（3gm2），由該項與Vin,2呈現(xiàn)一個gm1R倍的關(guān)系）1心+一知Vn,out，最后7.5差動對中的噪聲 2“ .

17、廠Bk 丁 （三乩際+ Rd） iz- - »世-z祗一 g用= 8（ + 1）3 乩 g 二 Rn輸入?yún)⒖荚肼曤妷菏枪苍醇壍膬杀?.6噪聲帶寬8.1反饋概述1.基本概念H s) =G(5)y(S)y(s)hX(s) 1+ G(s)H(s)X(s):輸入信號Y(s):輸出信號Y(s)/ X(s):閉環(huán)傳輸函數(shù)，閉環(huán)增益H(s):前饋網(wǎng)絡(luò)；開環(huán)傳輸函數(shù)，開環(huán)增益G(s):反饋網(wǎng)絡(luò)；若與頻率無關(guān)，可用3代替H(s) x G(s):環(huán)路增益3 :反饋系數(shù)2. 反饋系統(tǒng)的組成部分： 前饋放大器 檢測輸出的方式 反饋網(wǎng)絡(luò) 產(chǎn)生反饋誤差的方式3. 反饋電路的特性 降低增益靈敏度改變輸入、輸出阻抗

18、 擴(kuò)展帶寬 抑制非線性8.2反饋結(jié)構(gòu)例：反饋結(jié)構(gòu)包括哪四種，它們對反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出阻抗有何要求，對整個電路的 閉環(huán)輸入、輸出阻抗有何影響？四種反饋的記憶方法： 明確命名方式，如，電流-電壓反饋指的是輸出端電流反饋，輸入端電壓反饋（輸出、輸入的位置千萬別搞反了！ ?。?明確一個“正統(tǒng)原則”，也即：一般來說提到電壓都是串聯(lián)，提到電流都是并 聯(lián)，然后我們再記住以輸入為正統(tǒng) 開始列表格，左邊一列四行寫下四種反饋：電壓-電壓、電流、電壓、電壓 -電流、電流-電流 根據(jù)和，確定每一種反饋方式的基本電路圖（腦補(bǔ)也行，知道大概即可），比如：電流-電壓反饋，輸出端電流，輸出端非正統(tǒng)，因此電流對應(yīng)了串聯(lián)；輸入

19、端電壓， 輸入端正統(tǒng)，因此電壓對應(yīng)了串聯(lián) 記住最后一個原則： 串聯(lián)端的反饋會要求對應(yīng)端反饋網(wǎng)絡(luò)低阻抗（理解為避免串聯(lián)分壓）、使對應(yīng)端 閉環(huán)阻抗增加（想象電阻串聯(lián)，阻抗肯定增加咯）；并聯(lián)端的反饋 會要求對應(yīng)端反饋網(wǎng)絡(luò)高阻抗（理解為避免并聯(lián)分流）、使對應(yīng)端 閉環(huán)阻抗下降。比如：電流-電壓反饋，我們已經(jīng)腦補(bǔ)出它輸入端串聯(lián)、輸出端也串聯(lián)，因此兩端閉環(huán)阻抗都增加，要 求反饋網(wǎng)絡(luò)兩端都低阻抗。是不是瞬間感覺簡單了很多呢 QUQ1.電壓-電壓反饋：串聯(lián)-并聯(lián)，反饋與輸入串聯(lián)，檢測與輸出并聯(lián)Low RootFeedbackhetworkHsgti %要求：反饋網(wǎng)絡(luò)高輸入阻抗、低輸出阻抗 特性： 輸入端串聯(lián)，-

20、 輸入電阻增大RnC =（1 + &0）&Feedforward AmplHterHout心Ik厶i+心G亦6tn”outGm * Rfin®out1 + &0R out.d2.電流-電壓反饋：串聯(lián)-串聯(lián)，反饋與輸入串聯(lián)，檢測與輸出也串聯(lián)4.電流-電流反饋：并聯(lián)-串聯(lián)厶 1+ A/Low RootflF Low flin3.電壓-電流反饋：并聯(lián)-并聯(lián)High鳳疝 |3Faedtorwa rd AmplifiierFeedforward AmplifierFeedback NstworkNetworkFeedback Network8.3負(fù)載的影響選擇二端網(wǎng)絡(luò)模

21、型表述反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)類型扌苗述對應(yīng)模型電壓電壓反饋VNV2=X2M+X22【2G模型電流電壓反饋h-V2V2=X21I1+X22lZ模型電壓-電流反饋VrI2I產(chǎn) X“V+X”V°Y模型電流屯流反饋1"H模型9.1運算放大器概述1定義：高增益的差分放大器2小信號帶寬：單位增益頻率fu3dB頻率f3dB與fu的示意如下（均為對數(shù)坐標(biāo)）3.共模輸入、輸出擺幅（通過以下例子掌握方法）方法概括：a.結(jié)果先用每個管子的 Vgs或Vov（過驅(qū)動電壓）/Vdsat表示，最后化為只含有Vov與Vthb. 如果出現(xiàn)Vb等柵電壓，優(yōu)先用 Vb來表征Vin或Voutc. 求下限往下看，求上限往

22、上看 單級運放的輸入共模電平范圍保證所有晶體管均處于飽和區(qū)輸入F限:V1UVcss+VGSJ=*阿+W 血+ Vg 1 輸入上限：Vitwuax=VDD-|VGS3|+Vl|11設(shè)所有晶體管的相等.則maiiax 共源共柵運算放大器，如下左圖（重點掌握，必要時可只看圖當(dāng)做題目，之后 與標(biāo)準(zhǔn)答案對照）(hi增益表達(dá)式:輸入共模電平范圍:-保證所有晶體管均處于飽和區(qū)輸入卜限：d-aG)iiL,iimi=C SS 十可血 L 譏嚴(yán)屮V輸入上限：設(shè)所有晶體管的V珈相京 貝IVjajwjfV陽卜3丫斑-V詩IV前+弭伽-V；越人，輸入共模電平擺幅越人輸出共模電平范圍：保證所有晶體管均處于飽和區(qū) 設(shè)所有晶

23、體管的|VdJ相等輸出下限： %+V輸山上限：sat=VDD-|VT|i7|-2Vd*輸山擺幅d<3T«5八叭麗一 4nTV臚卜«-|缶卜2軸 Vb越小，輸出擺幅越大-輸山擺幅的最人值為Von-lVI-SV保證所有晶體管均處于飽和區(qū)設(shè)所有晶體管的|乂逐|相等輸出下限：' outjuin-b 1 八 GS4十' dsatl vbl-v1ll44.*輸出上限:%+13% 前譏+缶輸出擺幅2-iua 工"olit .nun 尸 2（Vb2+Vt-Vbl+Vth4） V越大，輸出擺幅越大 V"越小，輸出擺幅越大-輸出擺幅的最大值為2（VDD

24、-5Vdsa（）共源共柵運放設(shè)計* ont.nwKb2設(shè)計流程：已知：VDD功耗、AvO、輸出擺幅 確定各晶體管的過驅(qū)動電壓根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗， 放大管過驅(qū)動電壓：200mV負(fù)載管過驅(qū)動電壓：200 500mV尾電流管過驅(qū)動電壓：300 500mV 確定各支路的直流電流（功耗分配）根據(jù)總功耗要求，確定各個電流管的電流大小 根據(jù)過驅(qū)動電壓與支路電流，確定各晶體管寬長比由簡單電流公式里嚴(yán)'確定各晶體管的寬長比 根據(jù)增益的要求，確認(rèn)各晶體管的尺寸（寬長比不變，增益不滿足要求時，可增加L）由已知條件可算得跨導(dǎo) gm再根據(jù)增益，求得輸出電阻Rout ； II# aI& 1工 _又由于D，可知入

25、，進(jìn)而用 Z推斷L 根據(jù)過驅(qū)動電壓與輸出擺幅要求，確定各偏置電壓（注意留出余量）5. 增益提高技術(shù)原理人圖：右圖:K = 4(o-M=-4V -VvfRitArRit 11"+ 一 + (l + *Jg 詠=r逋過捉高輸山陽抗提高增益！ !吋"I ro2V* D _ M 一”-' J - i 一 GmJ ottr記住上面的圖總結(jié)：通過提高輸出阻抗提高增益!6. 運放噪聲- + (l + 4)gPH； b；共源共柵運放的噪聲氏=2尸1 +肚茸中昭 X耳JH若考慮1/朋市帀血可二14，/ （叫CJ 79= 4kT 3劭M3 MM.OUT+ »爲(wèi)所以lZ = 2l 1+肛qJr應(yīng)UK Z®S(J 人+畢超/ 、1 + gm*+ 2不|1+木刈|<gml 丿q &心從）- = g.2(f；-J：r)+ Gl10.1穩(wěn)定性概述1.負(fù)反饋系統(tǒng)振蕩條件H(s) = -b系統(tǒng)振蕩Bd必肋卅切判據(jù):如果| PH( jco) |= 1并冃Z0H(妙)二-180,則振蕩2.增益交點