模擬CMOS集成電路設計復習提綱

1、華大微電子：模擬集成電路設計復習提綱第二章 器件模型 MOSFET的I-V特性 飽和區(qū)電流公式 線性區(qū)電流公式 溝道長度調(diào)制效應 MOSFET的小信號模型 低頻小信號模型：圖2.36 gm、ro的表達式 完整小信號模型：圖2.38華大微電子：模擬集成電路設計MOSFET的I-V特性 thGSoxonDSthGSoxDDSDSthGSoxDDSthGSoxDthGSoxDVVLWCRVVVLWCIVVVVLWCIVVVLWCIVVLWCI12112121222線性電阻：深線性區(qū)：線性區(qū)：溝長調(diào)制：飽和區(qū)：華大微電子：模擬集成電路設計幾個常用的表達式LILWCVrgIrLWCIVIVLWCgVVV

2、VVLWCIDoxdsatomDooxDdsatDdsatoxmthGSdsatthGSoxD1212122212飽和區(qū)：華大微電子：模擬集成電路設計MOSFET小信號模型（1） VBS=0時的低頻小信號模型 用于計算輸出電阻、低頻小信號增益華大微電子：模擬集成電路設計MOSFET小信號模型（2） 考慮襯偏效應時的低頻小信號模型 用于計算輸出電阻、低頻小信號增益華大微電子：模擬集成電路設計完整的MOSFET小信號模型 用于計算各節(jié)點的時間常數(shù) 找出極點第三章 單級放大器 共源級 共漏級 共柵級 共源共柵級共源級 電阻負載 電流源負載 二極管接法的MOSFET負載 源級負反饋共源MOSFETom

3、inoutooutooutoutinVoutoutoutingsrgVVrRrVIVIVRVVVin單管增益時，0|01二極管接法的MOSFET)r(ggrgRommomout1 111帶電阻負載的共源級RdownRup)r (RRgrRgRgVVrRRRRrRRRoDDmoDmoutminoutoDdownupoutodownDup )|()|(|電流源負載的共源級RdownRup121101212|oomoutmvoodownupoutodownouprrgRgArrRRRrRrR二極管接法MOSFET負載的共源級RdownRup211012212112121 11|1|1mmoutmin

4、outvommomoomdownupoutodownmupggRgVVA)rg(grgrrgRRRrRgR帶源極負反饋的共源級RdownRup)R(gRRRRggRGA)R(RRRRRRrgRRRRggGSmSDDSmmoutmvupdownDdownupoutSomdownDupSmmm1 1 |1011共漏MOSFET（源跟隨器）RS|rombmoSmvmbmoutggrRgAggR|110共柵管的輸入電阻ombmoDXXXXmbmXoXDXbsXrggrRIVVVggIrIRVVVV)(1)(001共柵管用做電流放大器沒必要計算其電壓放大倍數(shù)共柵管的輸出電阻SombmSombmoSdow

5、nDupdownupXXoutRrggRrggrRRRRRRIVR)()(|共源級參考源極負反饋電阻的RdownRup共源共柵級的輸出阻抗（1）（忽略襯偏效應）共源級電路參考源極電阻負反饋的 )()(1221222122221oomoombmoombmoooutrrgrrggrrggrrR共源共柵級的輸出阻抗（2）12233331221222122221 )()(oomomtomoutoomoombmoombmootrrgrgRrgRrrgrrggrrggrrR（忽略襯偏效應）共源級電路參考源極電阻負反饋的Rt共源共柵級的輸出阻抗（3）RdownRup 433122110122433|oomo

6、ommoutmvdownupoutoomdownoomuprrgrrggRgARRRrrgRrrgR折疊共源共柵的輸出電阻與增益outmvIoIoomIoutoomIoutRgArrrrrgrRrrgrR1011221222211| |折疊點看進去的電阻為第四章 差分放大器差分放大器的輸出電阻差分放大器的增益輸入共模電平Vin,CM的范圍差分放大器的輸出阻抗與增益（1）)( |11111101DoDmoDDomoutmvoDoutRrRgrRRrgRgArRR)1( 1|1313110313mommoutmvmomoutgrggRgAgrgR311031|oomvoooutrrgArrR差分放

7、大器的輸出阻抗與增益（2）共源共柵差分對 outmvoomoomoutRgArrgrrgR10755133|第六章 頻率特性 Miller效應 極點與結(jié)點的關聯(lián)第七章 噪聲 噪聲類型：熱噪聲、閃爍噪聲 總輸出噪聲 輸入?yún)⒖荚肼?單級放大器的噪聲 共源級： 共源共柵級： 折疊共源共柵級西電微電子：模擬集成電路設計關于噪聲dfiddfvdHzAiHzVvnnnn222222、更確切的描述應該是為：噪聲譜密度，其量綱為：噪聲譜密度，其量綱描述注意：書上關于噪聲的電流源負載的共源電路的熱噪聲datDmdsatVIgwhyV2 ? 22聲，應提高為了降低這種電路的噪共源共柵電路的熱噪聲乎不貢獻噪聲！低頻

8、情況下，共柵管幾折疊共源共柵電路的熱噪聲3dsatV聲，應提高為了降低這種電路的噪差分對的熱噪聲dsatV聲，應提高負載管的為了降低這種電路的噪共源共柵運放的噪聲1211721232412mmmieqgkTVggVV其中第八章 反饋 反饋概述 降低增益靈敏度 擴展帶寬 環(huán)路增益、開環(huán)增益、閉環(huán)增益等概念 四種反饋結(jié)構(gòu) 負載的影響 四種二端口網(wǎng)絡模型反 饋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；開環(huán)傳輸函數(shù)，開環(huán)增益G(s)：反饋網(wǎng)絡；若與頻率無關，可用代替H(s) G(s)：環(huán)路增益 ：反饋系數(shù)反饋的特性1：降低增益靈敏度AdAAAd

9、AAdAdAifAAAAXYACLCLCLCL1111) 1A ( 11112反饋的特性3： 擴展帶寬000000000011111111 AsAAsAsAAAAsAAGivenCL電壓-電壓反饋前饋網(wǎng)絡A0：V-V；反饋網(wǎng)絡：V-V信號檢測：前饋網(wǎng)絡的輸出，電壓信號，并聯(lián)信號返回：前饋網(wǎng)絡的輸入，電壓信號，串聯(lián)也稱串聯(lián)-并聯(lián)反饋： “串聯(lián)-并聯(lián)反饋”，反饋信號與輸入信號串聯(lián)，檢測信號與輸出信號并聯(lián) “電壓-電壓反饋”，描述了反饋網(wǎng)絡的特性 兩種說法角度不同，信號的順序也不同001AAVVinout電壓-電壓反饋的特性 輸入端串聯(lián)， 輸入電阻增大 輸出端并聯(lián)， 輸出電阻減小000,0,11)1

10、 (AAVVARRRARinoutoutcloutinclin電流-電壓反饋前饋網(wǎng)絡Gm：V-I；反饋網(wǎng)絡RF：I-V信號檢測：前饋網(wǎng)絡的輸出，電流信號，串聯(lián)信號返回：前饋網(wǎng)絡的輸入，電壓信號，串聯(lián)也稱串聯(lián)-串聯(lián)反饋Gm：前饋網(wǎng)絡增益，導納的量綱RF：反饋網(wǎng)絡增益，電阻的量綱GmRF：無量綱FmminoutRGGVI1電流-電壓反饋的特性 輸入端串聯(lián)， 輸入電阻增大 輸出端串聯(lián)， 輸出電阻增大FmminoutoutFmcloutinFmclinRGGVIRRGRRRGR1)1 ()1 (,電壓-電流反饋前饋網(wǎng)絡R0：I-V；反饋網(wǎng)絡gmF：V-I信號檢測：前饋網(wǎng)絡的輸出，電壓信號，并聯(lián)信號返回

11、：前饋網(wǎng)絡的輸入，電流信號，并聯(lián)也稱并聯(lián)-并聯(lián)反饋R0：前饋網(wǎng)絡增益，電阻的量綱GmF：反饋網(wǎng)絡增益，導納的量綱R0GmF ：無量綱mFinoutGRRIV001電壓-電流反饋的應用：光纖接收器 左圖，輸入阻抗R1 時間常數(shù)大，帶寬小 右圖，輸入阻抗為R1/(1+A) 時間常數(shù)小，帶寬大電壓-電流反饋的特性 輸入端并聯(lián)， 輸入電阻減小 輸出端并聯(lián)， 輸出電阻減小mFinoutmFoutcloutmFinclinGRRIVGRRRGRRR000,0,111電流-電流反饋 前饋網(wǎng)絡AI：I-I；反饋網(wǎng)絡：I-I 信號檢測：前饋網(wǎng)絡的輸出，電流信號，串聯(lián) 信號返回：前饋網(wǎng)絡的輸入，電流信號，并聯(lián) 也

12、稱并聯(lián)-串聯(lián)反饋IIinoutAAII1電流-電流反饋的特性 輸入端并聯(lián)， 輸入電阻減小 輸出端串聯(lián)， 輸出電阻增大IIinoutIoutcloutIinclinAAIIARRARR1)1 (1,二端口線性時不變系統(tǒng)的四種模型Z模型b.Y模型c.H模型d.G模型反饋網(wǎng)絡類型與二端口網(wǎng)絡模型選取串聯(lián)并聯(lián)短路求開路求模型電流（并聯(lián)返回）電壓電流（串聯(lián)檢測）電流反饋電流并聯(lián)并聯(lián)短路求短路求模型電流（并聯(lián)返回）電壓電壓（并聯(lián)檢測）電流反饋電壓串聯(lián)串聯(lián)開路求開路求模型電壓（串聯(lián)返回）電流電流（串聯(lián)檢測）電壓反饋電流并聯(lián)串聯(lián)開路求短路求模型電壓（串聯(lián)返回）電流電壓（并聯(lián)檢測）電壓反饋電壓反饋網(wǎng)絡類型二端口

13、網(wǎng)絡一般描述- T T H - T T Y - T T Z - T T G - O X X 112211221122112222122212122121111XTXTOXTXTO第九章 運放 增益的計算 小信號帶寬 共模輸入擺幅 共模輸出擺幅 共源共柵運放的設計 折疊共源共柵運放的設計 增益提高（gain boosting）技術的原理 運放的噪聲增益的計算86624420|oomoommvrrgrrggA小信號帶寬 小信號帶寬通常定義為單位增益頻率fu 3dB頻率f3dB與fu的示意如下（均為對數(shù)坐標）GBW與小信號建立時間(1)A(s)00000000d000d0d0)1 (1)1 (111

14、f21)(fGBW.f,AAAsAAVVsAsAABWAinout時間常數(shù)為擴展為閉環(huán)系統(tǒng)的角頻率帶寬閉環(huán)系統(tǒng)傳輸函數(shù)為其中統(tǒng)若該放大器為單極點系則增益帶寬積帶寬設放大器的低頻增益GBW與小信號建立時間(2)GBWtGBWttueAAaVtauVGBWAtoutin1 . 19 . 61000ln%1 . 073. 06 . 4100ln%1)()1 (1)(21)1 (1%1 . 0%10000穩(wěn)定精度：穩(wěn)定精度：時間常數(shù)單位增益接法A(s)GBW與小信號建立時間(3)GBWtGBWttueAAaVtauVGBWAARRRAsAsAtoutin1 . 19 . 61000ln%1 . 076

15、. 06 . 4100ln%1)()1 (1)(211)1 (1,)1 (1)(%1 . 0%1000000212000穩(wěn)定精度：穩(wěn)定精度：時間常數(shù)倍閉環(huán)帶寬擴展為設前饋放大器全差分共源共柵運放的設計(1)Vvv V. V.A/V CA/V C AmW VVDDthpthn-p-noxpoxnv7 . 0| 0 )m0.5L(20 )m0.5L( 10 30 60 工藝200010功耗3V 3 11220參數(shù)輸出擺幅性能指標全差分共源共柵運放的設計(2)330uAII 3mA 300mV:V 300mV :VV 200mV :VV 500mV300 500mV200 200mV REF2REF

16、19dsat9dsat8dsat5dsat4dsat1I功耗分配過驅(qū)動電壓分配尾電流管過驅(qū)動電壓：負載管過驅(qū)動電壓：放大管過驅(qū)動電壓：設計經(jīng)驗全差分共源共柵運放的設計(3)9001111125021985412LWLWLWVLWCIdsatoxD確定各晶體管的寬長比由簡單電流公式電流、過驅(qū)動電壓已知全差分共源共柵運放的設計(4)DdsatpDdsatnoomoomoutdsatDdsatDomDoDoxdsatDthGSDthGSoxGSDmthGSoxDIVIVrrgrrgRVIVIrgIrILWCVIVVIVVLWCVIgVVLWCI521275513322|2|212122)(2)()(

17、21全差分共源共柵運放的設計(5) 40001/11111141642|2|20850521210521275513311vvdsatpdsatndsatvDdsatpDdsatnoomoomoutdsatDmAmmLWLAVVVAIVIVrrgrrgRVIg則若則溝道長度，若所有晶體管均取最小全差分共源共柵運放的設計(6)VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVthbthbthbthbdsatthdsatDDbthbthbdsatdsatdsatthbdsatthDDbdsatthbn3)|2V3 . 2| 4 . 2|0.8V7 . 0|3152525255723131

18、9133177399（電壓擺幅留余量，取留余量，取偏置電壓設計全差分共源共柵運放的設計(小結(jié))（注意留出余量）電壓擺幅要求，確定各偏置根據(jù)過驅(qū)動電壓與輸出）滿足要求時，可增加（寬長比不變，增益不各晶體管的尺寸根據(jù)增益的要求，確認長比電流，確定各晶體管寬根據(jù)過驅(qū)動電壓與支路確定各支路的直流電流電壓確定各晶體管的過驅(qū)動5.L4.3. 2. 1單端輸出折疊共源共柵運放的設計（小結(jié)）變）體管的寬長（寬長比不根據(jù)增益，修改部分晶比，確定各晶體管的寬長根據(jù)電流、過驅(qū)動電壓的直流工作電流相等與尾電流管注：使負載管，確定各支路電流根據(jù)過驅(qū)動電壓、確定各管的過驅(qū)動電壓，確定根據(jù)定根據(jù)建立時間要求，確6. 5)M

19、9,M(g4.3.GBW2GBW. 221lnGBW. 11110m11%1 . 0MCgtLm增益提高技術的原理1221121212221212121111122)1 (11)1 (11)()0(oomomooooutoutoutooutmooXoXoutXmoXoutXXoomoutrrgArgArrrIVRrVgArrVrVVVVgrVIVAVAVrrgR右圖：左圖：V1增益！通過提高輸出阻抗提高轉(zhuǎn)換速率 理想運放：Iout正比于輸入階躍信號 真實運放：Iout受限 單級運放的最大充放電電流ISSSRVIVCtCISRSSLSRLSS轉(zhuǎn)換速率與小信號建立（1）GBWSRVtttGBWtS

20、RVtOUTSRtotalOUTSR1 . 121000ln%1 . 0%1 . 0轉(zhuǎn)換速率與小信號建立（2）1%1 . 01%1 . 011%1 . 011119 . 6;9 . 69 . 69 . 621000ln 2222 dsatSSLtotalSRtotaltotaldsatSRdsatdsatSSLdsatLSSLdsatDLmSSLSRLSSVVICtttttVVttVVVICGBWtVCICVICgGBWVICSRVtCISR的貢獻必須考慮否則，結(jié)論：若時，當?shù)谑?穩(wěn)定性與頻率補償 補償?shù)姆椒?極點位置與相位裕度的關系補償?shù)姆椒ˋoutAoutANXNmAmCRCRCCCCg

21、Cg1CGX1GX2LPXPX1L75的值降低可增加的頻率，可降低降低主極點：降低方法取最小尺寸高頻應用時，等寄生電容、所以應降低等限制、受因為：提高方法極點位置與相位裕度（1）)(tan90)(tan)(tan9090)(tan)(tan)(tan)(tan1802131211111211121puupnppnupupupupnupupupnppuffPMfffffffPMffffffffffPMffff則均遠大于、若，所以補償后，則、極點分別是設單位增益頻率極點位置與相位裕度（2）GBW423 .84100 .7646 .7134 .632 45)(tan90 )(tan90 452222222110212ppppppppvupupufPMGBWfPM