模擬集成電路設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)筆記

/模集復(fù)習(xí)筆記By瀟然22.2I/V特性1.I-V特性2.跨導(dǎo)定義：VGS對IDS的控制能力〔IDS對VGS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2.3二級效應(yīng)1.體效應(yīng)γ為體效應(yīng)系數(shù),典型值-1/22.溝道長度調(diào)制效應(yīng)2.4MOS器件模型定義：信號相對于偏置工作點(diǎn)而言比較小、不會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)時(shí)用該模型簡化計(jì)算由gm、gmb、rO等構(gòu)成低頻小信號模型,高頻時(shí)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①溝長調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻②體效應(yīng)跨導(dǎo)2.完整的MOSFET小信號模型用于計(jì)算各節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)、找出極點(diǎn)2.5放大器的性能參數(shù)AIC設(shè)計(jì)的八邊形法則分別為：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(jì)時(shí)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：考慮溝長調(diào)制效應(yīng)：2.二極管接法的MOS做負(fù)載①NMOS二極管負(fù)載存在體效應(yīng)時(shí)的阻抗：忽略η隨Vout的變化時(shí),增益只于W/L有關(guān),與偏置電流、電壓無關(guān),線性度很好。②PMOS管負(fù)載缺點(diǎn)：a.大增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4.深線性區(qū)MOS管做負(fù)載5.帶源極負(fù)反饋①增益與跨導(dǎo)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(jià)。另外,可以通過如下方法簡便計(jì)算：Av="在漏極節(jié)點(diǎn)看到的電阻"/"在源極通路上看到的電阻"②輸出電阻3.3源跟隨器〔共漏1.負(fù)載為Rs2.負(fù)載為電流源3.考慮rO和RL后的增益〔注意分析過程4.負(fù)載為理想電流源時(shí)輸出電阻Ro3.4共柵級1.不考慮溝長調(diào)制效應(yīng)時(shí)增益,體效應(yīng)導(dǎo)致增益增加2.輸入阻抗RD=0時(shí),共柵級輸入阻抗相當(dāng)于源跟隨器輸出阻抗,故在RD較小時(shí),輸入阻抗小3.輸出阻抗計(jì)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〔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M2管將M1管的輸出阻抗提高為原來的〔gm2+gmb2rO2倍；有利于實(shí)現(xiàn)高增益3.其他性質(zhì)：①作理想電流源,代價(jià)：輸出擺幅減小②屏蔽特性：Vout端有ΔVout的電壓跳變時(shí),表現(xiàn)在X點(diǎn)的電壓跳變很小,屏蔽了輸出節(jié)點(diǎn)對輸入管的影響4.折疊共源共柵5.總結(jié)：4.2基本差動(dòng)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.大信號共模特性共模輸入電平必須滿足：3.小信號差分特性因此,當(dāng)ΔVin為下值時(shí)跨導(dǎo)降為0：,其表征放大器所允許的最大輸入差分信號差模增益：用疊加法、半電路法均可求全差分時(shí)的差模增益,結(jié)論為：①單邊輸入時(shí)差模增益為-gmRD②差分輸入時(shí)差模增益為-gmRD③單邊輸入時(shí)單端輸出增益為-gmRD/24.小信號共模特性若電路完全對稱,則流過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,RD1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①尾電流內(nèi)阻非無窮大時(shí)若電路完全對稱,則VP會(huì)隨Vin,CM的變化而變化,導(dǎo)致尾電流變化,Vout1和Vout2會(huì)隨之變化,但Vout1和Vout2總相等,故可短接,將M1、M2并聯(lián)處理〔注意此時(shí)跨導(dǎo)為2gm共模增益為：②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：5.CMRR-共模抑制比Common-ModeRejectionRatio,用來綜合反映差分放大器的性能5.1基本電流鏡原理：利用輸出電流與參考電流的過驅(qū)動(dòng)電壓相同因此復(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,則是在所關(guān)心的頻率下的小信號增益,通常為簡化計(jì)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。6.2極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)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(diǎn)與輸入結(jié)點(diǎn)的相互作用,我們可以利用密勒定理得到CS放大器的兩個(gè)極點(diǎn)頻率：2.共源放大器的頻率特性〔理論推導(dǎo)將分母化為：其零點(diǎn)：總而言之：若題目出到圖6.2.1,根據(jù)公式給出極點(diǎn)、零點(diǎn),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①定義：導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng),引起導(dǎo)體兩端電壓波動(dòng)②電阻的熱噪聲,教材上默認(rèn)Δf=1Hz③MOS管溝道區(qū)的熱噪聲單個(gè)MOS管能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓：〔也即如果有負(fù)載,ro要替換為負(fù)載RD減少gm可降低噪聲。當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時(shí),應(yīng)盡量小2.MOS管的閃爍噪聲〔1/f噪聲①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②表達(dá)式：③1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率fC熱噪聲和1/f噪聲曲線的交叉點(diǎn)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(jì)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2.方法二：輸入?yún)⒖荚肼曤妷涸谳斎攵擞靡粋€(gè)信號源來代表所有噪聲源的影響對于上例,3.用電壓源與電流源共同表示輸入?yún)⒖荚肼暼鐖D,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ZS條件：均由有限阻抗驅(qū)動(dòng)；低頻時(shí)7.4單級放大器中的噪聲1.共源級〔已在上邊講過,不贅敘例：M1和M2均工作在飽和區(qū)。計(jì)算：①輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷孩谌糌?fù)載電容為CL,求總輸出熱噪聲③若輸入是振幅為Vm的低頻正弦信號,求輸出信噪比①〔利用交流小信號模型,ro1與ro2在漏端并聯(lián)②頻帶內(nèi)積分,得總輸出熱噪聲③輸入信號在輸出端產(chǎn)生的信號振幅為：SNR〔SignalandNoiseRatio為功率之比：2.共源共柵級〔只考慮熱噪聲M2的噪聲對輸出噪聲的貢獻(xiàn)很小,因?yàn)閳D〔c中從M2柵極到輸出的增益很小〔同帶源極負(fù)反饋的放大器3.折疊共源共柵電路的熱噪聲〔M2為共柵管,其熱噪聲可忽略不計(jì),即右式第二項(xiàng)可省去〔gm1ro1的由來：易得Vn22=4kT*2/<3gm2>,由知Vn,out,最后該項(xiàng)與Vin,2呈現(xiàn)一個(gè)gm1RD倍的關(guān)系7.5差動(dòng)對中的噪聲輸入?yún)⒖荚肼曤妷菏枪苍醇壍膬杀?.6噪聲帶寬總噪聲：噪聲帶寬為：8.1反饋概述1.基本概念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β代替H<s>×G<s>：環(huán)路增益β：反饋系數(shù)2.反饋系統(tǒng)的組成部分：①前饋放大器②檢測輸出的方式③反饋網(wǎng)絡(luò)④產(chǎn)生反饋誤差的方式3.反饋電路的特性①降低增益靈敏度②改變輸入、輸出阻抗③擴(kuò)展帶寬④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(gè)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：①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！?。、诿鞔_一個(gè)"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)③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④根據(jù)①和②,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)；輸入端電壓,輸入端正統(tǒng),因此電壓對應(yīng)了串聯(lián)⑤記住最后一個(gè)原則：串聯(lián)端的反饋會(huì)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(huì)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)要求：反饋網(wǎng)絡(luò)高輸入阻抗、低輸出阻抗特性：①輸入端串聯(lián),–輸入電阻增大②輸出端并聯(lián),–輸出電阻減小2.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)3.電壓-電流反饋：并聯(lián)-并聯(lián)4.電流-電流反饋：并聯(lián)-串聯(lián)8.3負(fù)載的影響9.1運(yùn)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(gè)管子的VGS或Vov〔過驅(qū)動(dòng)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,求上限往上看①單級運(yùn)放的輸入共模電平范圍②共源共柵運(yùn)算放大器,如下左圖〔重點(diǎn)掌握,必要時(shí)可只看圖當(dāng)做題目,之后與標(biāo)準(zhǔn)答案對照增益表達(dá)式：輸入共模電平范圍：輸出共模電平范圍：③雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍〔注意輸出要乘以2?。?！4.共源共柵運(yùn)放設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程：已知：VDD、功耗、Av0、輸出擺幅①確定各晶體管的過驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),放大管過驅(qū)動(dòng)電壓：200mV負(fù)載管過驅(qū)動(dòng)電壓：200~500mV尾電流管過驅(qū)動(dòng)電壓：300~500mV②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(gè)電流管的電流大?、鄹鶕?jù)過驅(qū)動(dòng)電壓與支路電流,確定各晶體管寬長比由簡單電流公式確定各晶體管的寬長比④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(shí),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；又由于,可知λ,進(jìn)而用推斷L⑤根據(jù)過驅(qū)動(dòng)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)原理記住上面的圖總結(jié)：通過提高輸出阻抗提高增益！6.運(yùn)放噪聲10.1穩(wěn)定性概述1.負(fù)反饋系統(tǒng)振蕩條件2.增益交點(diǎn)GX：使環(huán)路增益的幅值為1的頻率點(diǎn)相位交點(diǎn)PX：使環(huán)路增益的相位等于-180°的頻率點(diǎn)10.3相位裕度定義：PM=180°+∠βH<ω=GX>PM取60°最好10.4頻率補(bǔ)償1.原理：修改βH的傳輸函數(shù),使GX<<PX,使PX移向更高的頻率,GX移向更低的頻率2.方法：①減小總相移,使相位交點(diǎn)PX外推〔減少信號通路中的極點(diǎn)數(shù)②降低增益,使增益交點(diǎn)GX內(nèi)推對于單端輸出套筒式運(yùn)放：①降低CX、CA、CN等寄生電容→ωpA=gm5/CA、ωpN等非主極點(diǎn)頻率↑→PX外推。具體措施：高頻應(yīng)用時(shí)L取最小尺寸②增加CL負(fù)載電容的值→主極點(diǎn)頻率降低→GX內(nèi)推3.極點(diǎn)位置與相位裕度的關(guān)系10.5兩級運(yùn)放的密勒補(bǔ)償1.原理：使兩級間的極點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng),使輸出極點(diǎn)向離開原點(diǎn)的方向移動(dòng)通過使,E點(diǎn)處的極點(diǎn)頻率下降；當(dāng)CC>>CE時(shí)理論可知,也即輸出極點(diǎn)A點(diǎn)的極點(diǎn)頻率上升2.影響：①傳統(tǒng)方法通過增加負(fù)載電容,fE〔主極點(diǎn)減小；但此時(shí)fE與fA〔第一非主極點(diǎn)同一數(shù)量級,為了45°相位裕度,fu=fA,因此犧牲了帶寬；