模擬cmos集成電路設(shè)計(jì)(拉扎維)第3章單級(jí)放大器(二)

模擬cmos集成電路設(shè)計(jì)(拉扎維)第3章單級(jí)放大器(二)第一頁(yè)，共58頁(yè)。2上一講放大器基礎(chǔ)知識(shí)電阻做負(fù)載的共源級(jí)增益有非線(xiàn)性，電阻精度差或面積大Av=gmRD西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二頁(yè)，共58頁(yè)。3

上一講二極管接法的MOS管做負(fù)載的共源級(jí)

線(xiàn)性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否 則擺幅小、帶寬?。〢v=?

(W/L)11(W/L)21+ηAv=?

μn(W/L)1μp(W/L)2西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三頁(yè)，共58頁(yè)。4上一講電流源做負(fù)載的共源級(jí)增益大Av=?gmro1||ro2西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四頁(yè)，共58頁(yè)。?W?5

上一講深線(xiàn)性區(qū)MOS管做負(fù)載的共源級(jí)

輸出擺幅大（可以為VDD） 得到精準(zhǔn)的Ron2比較困難；受工藝、溫度變 化影響比較大，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的Vb比較 難RON2=μnCox?? ?L?2

1(VDD?Vb?|VTHP|)

Av=?gmRON2西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第五頁(yè)，共58頁(yè)。6

上一講

帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)

Rs使Gm和增益變?yōu)間m的弱函數(shù)，提高線(xiàn)性 度 輸出電阻大ROUT=[1+(gm+gmb)ro]RS+ro

犧牲了增益

Av=?GmRD=?

gmRD1+gmRS

西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第六頁(yè)，共58頁(yè)。VX1∴Rout==7如何求“從M1源端看進(jìn)去的電阻”？QV1=?VX,IX?gmVX?gmbVX=0IXgm+gmb求從“？端看進(jìn)去的電阻”，用同樣方法西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第七頁(yè)，共58頁(yè)。8本講共漏級(jí)－源跟隨器共柵級(jí)共源共柵級(jí)折疊共源共柵級(jí)手算時(shí)器件模型和公式的選擇西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第八頁(yè)，共58頁(yè)。9源跟隨器－大信號(hào)特性西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第九頁(yè)，共58頁(yè)。10源跟隨器－小信號(hào)特性－增益西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十頁(yè)，共58頁(yè)。Av==11111源跟隨器－增益隨Vin的變化

Vout=1V時(shí)，

η=0.163≈(當(dāng)gmRS足夠大時(shí))

gmRS

1+(gm+gmb)RS1+ηgmRS

1+(1+gmb

gm

=

)η=

1

+(1+η)

gmRS

γ22ΦF+VSB西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十一頁(yè)，共58頁(yè)。Av==11112源跟隨器－增益的非線(xiàn)性

Vout=1V時(shí)，

η=0.163≈(當(dāng)gmRS足夠大時(shí))

gmRS

1+(gm+gmb)RS1+ηgmRS

1+(1+gmb

gm

=

)η=

1

+(1+η)

gmRS

γ22ΦF+VSB西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十二頁(yè)，共58頁(yè)。==v13源跟隨器－提高增益的線(xiàn)性度Av=

gmRSgmgm1+(gm+gmb)RS1+(gm+gmb)gm+gmb

RS(當(dāng)RS=∞時(shí))仍存在非線(xiàn)性，因?yàn)椋é牵ゞmb隨Vin的變化而改變。A=1源隨器通常有百分之幾的非線(xiàn)性1+η

西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十三頁(yè)，共58頁(yè)。14

源跟隨器－提高增益的線(xiàn)性度采用PMOS管做源隨管，消除體效應(yīng)

小信號(hào)等效電路Av=

gm1(rO1rO1)1+gm1(rO1rO1)

提高了線(xiàn)性度 輸出電阻比NMOS管的大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十四頁(yè)，共58頁(yè)。gmbAv=1gm115源跟隨器－考慮rO和RL后的增益1||ro1||ro2||RL||ro1||ro2||RL+gmb西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十五頁(yè)，共58頁(yè)。16源跟隨器－小信號(hào)特性－Rin

IinRin=Vin

Iin

低頻下，Iin=0，因此，Rin=∞西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十六頁(yè)，共58頁(yè)。()17源跟隨器－小信號(hào)特性－RoutRout=

1gm+gmb

輸出電阻小驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載時(shí)的阻抗轉(zhuǎn)換電路VTH=VTH0+γ2ΦF+VSB?2ΦF西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十七頁(yè)，共58頁(yè)。Av=18源跟隨器－PMOS管做源隨管采用PMOS管做源隨管，能消除體效應(yīng)gm1(rO1rO1)提高了線(xiàn)性度1+gm1(rO1rO1)源-襯寄生電容降低帶寬西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十八頁(yè)，共58頁(yè)。19

源跟隨器－PMOS管做源隨管采用PMOS管做源隨管，能消除體效應(yīng)

在相同W/L和

ID情況下，比

NMOS管的大Rout=

1gmrO1rO2≈

1gmRout,NMOS=gm

1+gmb西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第十九頁(yè)，共58頁(yè)。20源跟隨器－擺幅問(wèn)題源跟隨器會(huì)使信號(hào)直流電平產(chǎn)生VGS的平移，降低信號(hào)擺幅保證M1工作在飽和區(qū)VX≥VGS1?VTH保證M2、M3都工作在飽和區(qū)VX≥(VGS3?VTH)+VGS2西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十頁(yè)，共58頁(yè)。21

源跟隨器－主要應(yīng)用電壓緩沖器

輸入阻抗大，輸出阻抗小。在高輸出阻抗電 路（如電流源負(fù)載的共源級(jí)）驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載 時(shí)，插入源隨器做電壓緩沖級(jí)，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn) 換電壓平移電路VGS=VTH+VOV=

2IμCOXW L西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十一頁(yè)，共58頁(yè)。22本講共漏級(jí)－源跟隨器共柵級(jí)共源共柵級(jí)折疊共源共柵級(jí)手算時(shí)器件模型和公式的選擇西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十二頁(yè)，共58頁(yè)。23共柵級(jí)－簡(jiǎn)介源端輸入

直流耦合，交流耦合西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十三頁(yè)，共58頁(yè)。飽和區(qū)1WL24共柵級(jí)－大信號(hào)特性Vb－VTH

線(xiàn)性區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)時(shí)Vout=VDD?μnCOX

2(Vb?Vin?VTH)2RD西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十四頁(yè)，共58頁(yè)。1WL25共柵級(jí)－小信號(hào)特性－增益Vout=VDD?μnCOX

2(Vb?Vin?VTH)2RD

求?Vout/?Vin，得：

Av=gm(1+η)RD

從小信號(hào)等 效電路可得 到相同結(jié)果 體效應(yīng)使跨 導(dǎo)增大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十五頁(yè)，共58頁(yè)。RD26共柵級(jí)－考慮rO和RS影響后的增益根據(jù)基爾霍夫電流定律，列Av=方程組可解得

(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RD西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十六頁(yè)，共58頁(yè)。27共柵級(jí)－實(shí)例1－求增益

思路：

利用戴維寧定理 （等效電壓源定 理），把輸入信 號(hào)轉(zhuǎn)換為帶內(nèi)阻 的電壓源的形 式；再利用已知 的Av公式Av=

(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RDRD西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十七頁(yè)，共58頁(yè)。28共柵級(jí)－實(shí)例1－求增益西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十八頁(yè)，共58頁(yè)。1129共柵級(jí)－實(shí)例1－求增益Vin,eq=rO1

1rO1

gmb1

+

gmb1gm1VinReq=rO1

1gmb1

1gm1將結(jié)果帶入右式中即可Av=

(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RDRD西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第二十九頁(yè)，共58頁(yè)。=?RP=?RD??RP30

共柵級(jí)－實(shí)例2－求增益輸入信號(hào)為電流信號(hào)思路：

用戴維寧定理，把輸入電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換為帶內(nèi)阻的電壓源的形 式；再利用實(shí)例1的結(jié)果VoutVout

IinVin?(gm+gmb)ro+1??ro+(gm+gmb)roRP+RP+RD?西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十頁(yè)，共58頁(yè)。Vin31

共柵級(jí)－小信號(hào)特性－Rin從M1管源端看進(jìn)去的電阻求，得：Rin=1/[gm(1+η)]

Iin輸入阻抗小西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十一頁(yè)，共58頁(yè)。32共柵級(jí)－低Rin特性的應(yīng)用根據(jù)傳輸線(xiàn)理論：對(duì)于50Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)，接收端匹配50Ω電阻時(shí)，反射回來(lái)的能量最小，功率傳輸效率最高a結(jié)構(gòu)電壓增益為gm1×50Ω;b結(jié)構(gòu)為gm1×RDRin=1/[gm(1+η)],gm=2μnCOX(W/L)ID西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十二頁(yè)，共58頁(yè)?！?33

共柵級(jí)－考慮rO后的Rin求VX/IX得RinRin=

RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmb

西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十三頁(yè)，共58頁(yè)。≈+34共柵級(jí)－考慮rO后的Rin

只有當(dāng)RD較小時(shí)，

Rin才會(huì)較小 當(dāng)RD很大時(shí)，Rin

會(huì)很大

RD無(wú)窮大時(shí)，Rin

無(wú)窮大Rin=

RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmb

西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十四頁(yè)，共58頁(yè)。35共柵級(jí)－小信號(hào)特性－Rout計(jì)算結(jié)果同帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)的RoutRout={[1+(gm+gmb)ro]RS+ro}||RD輸出電阻很大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十五頁(yè)，共58頁(yè)。36共柵級(jí)－主要應(yīng)用輸入信號(hào)為電流信號(hào)的情形與共源級(jí)結(jié)合構(gòu)成共源共柵級(jí)西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十六頁(yè)，共58頁(yè)。37本講共漏級(jí)－源跟隨器共柵級(jí)共源共柵級(jí)折疊共源共柵級(jí)手算時(shí)器件模型和公式的選擇西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十七頁(yè)，共58頁(yè)。38共源共柵級(jí)－簡(jiǎn)介共源級(jí)共柵級(jí)有重要應(yīng)用西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十八頁(yè)，共58頁(yè)。239

共源共柵級(jí)－偏置要求要求M1和M2都飽和區(qū)

Vb≥Vov1+VGS輸入器件共源共柵器件Vout≥Vov1+Vov2西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第三十九頁(yè)，共58頁(yè)。40共源共柵級(jí)－大信號(hào)特性Vin大于VTH1后繼續(xù)增大，則：ID增大，VGS2增大，VX減小，到一定值時(shí)M1或M2進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，增益（Vout曲線(xiàn)斜率）減小西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十頁(yè)，共58頁(yè)。41共源共柵級(jí)－小信號(hào)特性－增益

λ=0時(shí)Av=gm1RD與M2管的跨導(dǎo)和體效應(yīng)無(wú)關(guān)西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十一頁(yè)，共58頁(yè)。42共源共柵級(jí)－小信號(hào)特性－Rout計(jì)算思路：負(fù)反饋電阻為rO1的共源級(jí)；輸入信號(hào)內(nèi)阻為RS的共柵級(jí)Rout=[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2M2管將M1管的輸出阻抗提高為原來(lái)的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于實(shí)現(xiàn)高增益西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十二頁(yè)，共58頁(yè)。43共源共柵級(jí)－小信號(hào)特性－Rout增加共柵管的級(jí)數(shù)能進(jìn)一步提高Rout：Rout≈(gm3+gmb3)rO3?(gm2+gmb2)rO2?rO1代價(jià)是減小信號(hào)擺幅：Vout≥Vov1+Vov2+Vov3Rout=[1+(gm3+gmb3)rO3]?{從M2漏端看進(jìn)去的電阻}+rO3=[1+(gm3+gmb3)rO3]?{[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2}+rO3西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十三頁(yè)，共58頁(yè)。44共源共柵級(jí)－Rout的比較rO4rO約為（gmrO）rOrO=

1λID,λ∝1L相同ID下，（c）的Rout最大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十四頁(yè)，共58頁(yè)。45共源共柵級(jí)－做理想電流源利用其高輸出阻抗特性，實(shí)現(xiàn)接近理想特性的電流源Av≈gm1Rout代價(jià)：輸出擺幅減小Voutswing=VDD?Vov1

?Vov2?Vov3?Vov4Rout={[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2}{[1+(gm3+gmb3)rO3]rO4+rO3}西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十五頁(yè)，共58頁(yè)。1ΔVoutmb2)rO2共源共柵級(jí)－屏蔽特性XXVout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(duì)輸入管的影響ΔVX=

rO1[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2ΔVout≈(gm2+g西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)46第四十六頁(yè)，共58頁(yè)。47共源共柵級(jí)－折疊式共源共柵共源共柵級(jí)由共源級(jí)實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，然后電流作為輸入送到共柵級(jí)構(gòu)成共源共柵級(jí)時(shí)共源管和共柵管類(lèi)型可以不同相同gm時(shí)，直流偏置電流大輸入擺幅大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十七頁(yè)，共58頁(yè)。48共源共柵級(jí)－折疊式共源共柵輸入擺幅大西電微電子學(xué)院－董剛－模擬集成電路設(shè)計(jì)第四十八頁(yè)，共58頁(yè)。49共源共柵級(jí)－折疊式共源共柵向上折疊