当前位置：文档之家 › CMOS模拟集成电路—振荡器(课堂PPT)

CMOS模拟集成电路—振荡器(课堂PPT)

  • 格式：ppt
  • 大小：609.50 KB
  • 文档页数：22

下载文档原格式

  / 22

合集下载

CMOS 模拟集成电路课件完整

CMOS 模拟集成电路课件完整
反偏电压将使耗尽区变宽，从而降低了有效沟道深度。因此，需 要施加更大的栅极电压以弥补沟道深度的降低，VSB偏压会影响 MOSFET的有效阈值电压VTH。随着VSB反偏电压的增加导致VTH的增 加，这种效应称为“体效应”。这种效应也称为“衬底偏置效应” 或“背栅效应”。
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范

模拟集成电路课件 第2章CMOS技术

模拟集成电路课件 第2章CMOS技术
重要指标
无源元件的温度特性通常用温度比例系数 TCF来表示

X是无源元件的电阻或电容 通常温度比例系数乘106，用每度百万分之几（即ppm/℃）为单 位 MOS器件的特性与温度之间的关系由公式可以看出，
vGS vT 0 0 vDS vGS VT 0 vGS VT vDS
Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路，它结 合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高 集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，制造高速、高集成度、性能好的 VLSI。
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
特点:寄生参量小，精度高。

金属-氧化物-多晶硅
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
4.CMOS技术的其他考虑



CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应 MOS器件的温度特性 噪声

背栅效应 沟道长度调制效应 亚阈值特性 短沟效应
MOS管的阈值电压
VT是MOS晶体管的一个极其重要的参数

VT可在制造过程中加以控制

阈值电压大小取决于： 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度


沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低 调节阈值电压大小方法： 用离子注入法改变沟道掺杂浓度 采用不同栅极绝缘材料
源/漏离子注入电阻
薄层电阻Rs在500—2000Ω／口 绝对误差精度土15％ 相对误差2％（5μm）0.15％（ 50 μm ） 温度系数400ppm/℃ 电压系数800ppm/V

模拟集成电路课件 第6章CMOS运算放大器

模拟集成电路课件 第6章CMOS运算放大器

两级放大器稳定条件的总结
给定增益带宽
要求相位裕度45度
ω=GB 假设零点大于10GB，
如果要求相位裕度60度
由零点大于10GB
控制右半平面零点
右半平面零点的问题 限制GB
解决的方法 •抵消前馈路径，在补偿电容的反馈路径中放一个单位增益 缓冲器
用缓冲器通过米勒补偿电容抵消前馈路径
采用前面所说的近似技术得到p1和p2通过R2的反馈使得运算放大器特性
CMOS运算放大器线性稳定特性
CMOS运算放大器线性和动态特性稳定特性 差模和共模频率响应
其他特性 电源抑制比PSSR


输入共模电压范围 压摆率 建立时间
运算放大器分类
两级CMOS运算放大器
折叠共源共栅运算放大器
这种结构改进了两级运算放大器的输入共模范围和 电源抑制比
其中ω0dB被定义为
如果满足这些条件，则称反馈系统是稳定的
波特图
•稳定的条件是A(jw)F(jw)曲线通过0dB点应先于Arg[-A(jw)F(jw)]到达00点 •相位裕量
为什么我们要获得好的稳定度
•一个好的响应是快速达到最终值 •因此我们可以看到相位裕量越大，引起的输出信号振铃越小 •相位裕量至少要45度，最好60度
7.电源电压抑制比范围PSRR
8.输出电压摆幅
9.输出电阻
10.失调 11.噪声 12.版图面积
输出设计



工艺 直流电流 晶体管的W和L 元件的值
无缓冲两级运算放大器的设计
•直流平衡条件 •为了得到最好的性能，所有的 管子工作在饱和区 •M4是唯一一个不能通过外加电 压强迫其工作在饱和区，如何设 计才能让它工作在饱和区？ 1.假设 2.如果 则 3. 4.为达到平衡I6=I7 5.如果满足这个条件 M4工作在饱和区

CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件

CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件

如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅 与衬底间电容增大。
对于大的负偏置，则电容接近于CGC。
PPT课件
24
1.2 MOS管的极间电容(1)
G
S
C1
C2 C4
C3
Cbs
反型层 耗尽层
d
L
d
p型衬底
D
Cbd
PPT课件
25
1.2 MOS管的极间电容(2)
栅与沟道之间的栅氧电容：
C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；
CMOS模拟集成电路分析与设计
主讲教师：吴建辉 Tel：83795677
E-mail：wjh@
PPT课件
1
教材及参考书
教材：
吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设 计”(第二版)，电子工业出版社。
参考书：
Razavi B: Design of analog CMOS integrated circuits
11
1、有源器件
主要内容：
1.1 几何结构与工作原理 1.2 极间电容 1.3 电学特性与主要的二次效应 1.4 低频及高频小信号等效模型 1.5 有源电阻
PPT课件
12
1.1 MOS管几何结构与工作原理(1)
B p+
G
tox
S
D
G D
n+
n+
p+
n阱 p型衬底
(a)
S
B
p+
n+
W
多晶
d p+接触孔
PPT课件
3
模拟电路与模拟集成电路
分立元件音频放大电路
晶体管数 匹配性 电阻值 电容值 寄生效应影响

《CMOS集成电路基础》课件

《CMOS集成电路基础》课件

智能传感器和可 穿戴设备的普及
随着智能传感器和可穿戴设 备的普及，CMOS集成电路 将在这些领域发挥重要作用 ，实现更高效、更低功耗的 数据采集和处理。
神经网络和类脑 计算的发展
CMOS集成电路将在神经网 络和类脑计算领域发挥重要 作用，推动人工智能技术的 进一步发展。
系统级芯片的广 泛应用
随着系统级芯片的广泛应用 ，CMOS集成电路将与不同 芯片和模块进行集成，实现 更高效、更低功耗的系
晶圆制备
将高纯度硅材料加工成晶圆， 作为集成电路的基底。
薄膜沉积
在晶圆表面沉积所需厚度的薄 膜，形成各种有源和无源器件
。
光刻与刻蚀
通过光刻技术将设计好的电路 版图转移到晶圆表面，然后进
行刻蚀，形成电路图形。
掺杂与退火
通过掺杂工艺在晶圆中引入不 同元素，形成PN结和导电通
道，并进行退火处理。
03
每个逻辑门电路由NMOS和PMOS晶体管组成，形成反相器或与门、或门等基 本逻辑门。
工作原理
01
CMOS集成电路的工作原理基于 NMOS和PMOS晶体管的开关特 性。当输入信号发生变化时， NMOS和PMOS晶体管会交替导
02 通和截止，从而实现逻辑功能。
CMOS电路的电压摆幅较小，因 此功耗较低。此外，CMOS电路 还具有噪声容限高、抗干扰能力 强等优点。
我们应该如何学习和掌握CMOS集成电路技术
理论与实践结合
在学习过程中，应注重理论与实践相结合 ，通过实验和项目实践加深对理论知识的
理解。
持续学习与更新知识
随着技术的不断进步，应保持持续学习的 态度，关注新技术、新工艺的发展，不断 更新自己的知识储备。
培养问题解决能力

模拟CMOS集成电路设计精粹ppt1

模拟CMOS集成电路设计精粹ppt1

低电流时MOST工作在弱反型区说明沟道电导率很小。实际上此时沟道已经不存在了。 流过沟道的漂移电流，现在变成了扩散电流，这时的模型变得截然不同。模型的表达 式是指数特性，而不是平方率特性。更重要的是，要知道在什么区域弱反型区逐渐代 替强反型区。实际上这个区域很宽，也叫中等-反型区。对于设计者来说，知道两个 区域转变时VGS-VT的值，特别是电流的大小很重要。
通常需要用多大的VGS值？在高端，不让器件进入大电流区或速度饱和区，要远离速度饱和区的 转变点。后面将计算该转变点VGS-VT的近似值，当前的工艺大约为0.5V。在低电流端，也不想使用弱 反型区。∵该区域中电流和跨导的绝对值变得特别小，这时noise很大，另外电路速度也很低。在某 种情况下可能允许低信噪比和低速度，如生物学应用和生医探头。在其它大部分应用中，需要更好的 信噪比，更高的速度，这时希望器件工作在接近弱反型区的地方，但不是弱反型区里面，典型值VGSVT为0.15～0.2V。下面给出这样设计的原因。
先来研究一下线性区。 在很多应用场合，MOST只是用于简单的开关。VDS很小，MOST工作在线性区（也称欧姆区）。在 这个区域，MOST晶体管实际上是一个小电阻，提供了线性的V-A特性。此时沟道两端即源端和漏端有 相同的导电能力。 接下来研究一下这个电阻的精确阻值是多少？
对于很小的VDS，看一下图中的左下角，IDS～VDS曲线是线性的，MOST工作特性表现为电阻。 KP：工艺参数，属于特定的CMOS工艺 A/V2
既然我们已知如何描述一个处在中间电流区（强反型区）的MOST管，下面重点研究低电流区（弱 反型区）和大电流区（速度饱和区）的晶体管，希望找出在这些区域转变时的VGS的临界值。在低电 流时得到了弱反型区，也叫低阈值区，∵大多数情况下，它的输入电压<VT。亦叫指数区，∵电流-电 压特性呈指数关系，比例系数是nkT/q，很接近于双极型管的kT/q。k是玻尔兹曼常数，q是电子的电 量，∴在300k（27℃），kT/q≈26mv。和双极型管的区别还是前面提得的n，n取决于偏置电压，其值 不精确，这与双极型器件相比时，MOST的一个不利因素。

CMOS集成电路设计课件

解决方法：直观和经验设计
鲁棒设计
鲁棒设计
电路性能随工艺、电源电压、温度而变化
器件模型参数的改变
阈值电压、二级效应参数 工艺角参数 TT、FF、SS、FNSP、SNFP 鲁棒设计电路性能随工艺、源压温度而变化器件模型
电源电压对器件工作区的影响
电压变化范围：20%
温度的范围
室温：25度、或50度 民品、军品
简单电路
单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路
器件
CMOS工艺、器件物理、器件Spice参数、 *版图设计、*电路模拟
模拟集成电路设计步骤
设计要求描述
电路设计
与设计指标比较
模拟集成电路设计步骤要求描述定义与指标比
设计定义 执行设计
仿真
物理层设计 芯片设计
物理层设计 物理层验证 提取寄生参数
芯片制造
磁盘驱动器中的模块电路（C/filter …
磁盘驱动器中的模块电路（3）写发送扰码、RL编
小结
什么是模拟集成电路设计，模拟集成电路设计和分立模拟 电路与数字电路设计的区别，设计的难点。 设计步骤和直观的、层次的、鲁棒的设计。 模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对模拟电路 的影响。 模拟信号处理系统设计和各种典型的模拟电路模块 小结什么是模拟集成电路设计，和分立 VLSI混合模拟信号电路设计举例
考核标准和联系方式
考核标准 平时作业 设计课题 期中练习 期末 联系方式
15% 15% 15% 55%
%5考核标准和联系方式1
导论
1.1 模拟集成电路设计的特点
层次化设计 设计步骤 鲁棒（robust）设计
1.2 模拟集成电路的应用 导论1.模拟集成电路设计的特点层次化2 1.3 模拟信号处理 1.4 混合信号电路举例

CMOS模拟集成电路设计-ch14振荡器


4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化
半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓
缺点：R1R2上的电流在控制过程 中会发生变化，输出摆幅在调节 范围内变化
-2/gm
半边等效
4.1 环形振荡器调节（续）
保证变容二极管反偏或正偏较弱
4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
N阱与衬底的电容 减小串连电阻
4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管 消除N阱与衬底的电容的影响 采用PMOS器件电路
5、VCO的数学模型
相位与频率
d
dt
dt 0
VCO
Vout (t) Vm cos(out dt 0 ) Vm cos(0t KVCO Vcont dt 0 )
谐振时，Av gm1RP
接成反馈形式，谐振时，总相移 等于180，所以不能振荡
3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
gm1RP1gm2 RP2 1
定义
4、压控振荡器
中心频率 调节范围ω2－ ω1
调节线性度 输出摆幅 功耗 电源与共模抑制
输出信号纯度： 信号抖动（Jitter）;相位噪声
剩余相位
ex KVCO Vcont dt
ex (s) KVCO
Vcont
s
积分器的传输函数
正反馈引起的延时变化（续） 利用差动对，使IT=ISS+I1， 保证输出振幅为2R1,2IT
为了避免M1M2没有电流通 过，在P点增加一个小恒流 源IH，以避免因此造成振 荡停止。 缺点：消耗了额外的电压余度

通信电子线路 第5章 振荡器幻灯片PPT

压控灵敏度Ko、相位噪声、频率调控范围等。
压控灵敏度定义为单位控制电压引起VCO振荡频率的
调控增量，用Ko表示，单位Hz/V。
Ko u fCuC f2 2 u fC 11
第5章 振荡器 5．6 压控振荡器(VCO)
5．6．3 VCO的主要技术指标
图中显示这一压控特性为一条非线性曲线，在VCO中心频
.47μF T
L
220pF
Lq
uC
470KΩ
uo
Cq
CO
L
Cj
1KΩ
rq
100pF
.47μF
-12V
(a)
(b)
适当选取L数值就可以抵消晶体极片电容Co的容抗，使晶 体的fp增大，从而可使VCXO的频率调控范围增大。
第5章 振荡器 5．6 压控振荡器(VCO)
5．6．3 VCO的主要技术指标
VCO的主要性能指标:
其中常用的压控电抗元件是变容二极管。
第5章 振荡器 5．6 压控振荡器(VCO)
5．6．1 变容二极管VCO
1、变容二极管的压控特性
Cj
Cj(t)
变容二极管是利用PN
Co
结的结电容随反向电压而
Q
CjQ
变化——压控电抗元件
UQ
-
UΩ
00
t
uR
m
-
0
uR
t
（a）电气符号
（b）结电容-电压曲线
变容二极管符号和特性曲线
第5章 振荡器
通信电子线路 第5章 振荡 器幻灯片PPT
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！

模拟CMOS集成电路设计精粹1PPT课件

Analog Design-Current Mode
1
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
2

Contents
1. Comparison of MOST and Bipolar transistor models 2. Amplifiers,Source followers & Cascodes 3. Differential Voltage & Current amplifer 4. Stability of Operational amplifier 5. Systematic Design of Operational Amplifier 6. Important opamp configerations 7. Fully-differential amplifiers 8. Current-input Operational Amplifers 9. Rail-to-rail input and output amplifers 10. Class AB and driver amplifier 11. Feedback Voltage & Transconductance Amplifier 12. Feedback Transmpedance & Current Amplifier 13. Bandgap and current reference circuits 14. Switched-capacitor filters 15 Continuous-time filter
3
模拟电路设计是艺术性与科学性的结合。 之所以称之为艺术，是因为设计时要在必须的规范和可以忽略的规范间寻求适当的折中，而这需 要创造力。 之所以称为科学，是因为需要一定的设计水平和设计方法来指导设计，就必然需要更深入地研究 设计时的折中。 本课程指引学生进入这个崭新的艺术与科学的世界，它将指导学生学习模拟电路设计的各个方面 ，这是了解电路设计艺术性与科学性的基础。 所有的设计都是关于电路的，而所有的电路都包括晶体管，器件的各种模型又是分析电路特性所 必需的。本课程不断地采用实际中所采用的反馈闭环形式设计。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

A1反馈固定VDS，M3和M4跟随M5的
30.05.2020导通电阻。
13
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪正反馈引起的延时变化 半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓
缺点：R1R2上的电流在控制过程中会发 生变化，输出摆幅在调节范围内变化
谐振时， Avgm1RP
接成反馈形式，谐振时，总相移等于180， 所以不能振荡
30.05.2020
10
• 3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
gm 1RP1gm 2RP21
30.05.2020
11
• 定义
4、压控振荡器
▪中心频率 ▪调节范围ω2－ ω1
▪调节线性度
▪输出摆幅
▪功耗 ▪电源与共模抑制
15
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪正反馈引起的延时变化（续）
为了避免消耗了额外的电压余度， 采用电流折叠结构
30.05.2020
16
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪插值法改变延迟
快路径导通，慢路径关断，产生最大振荡频率； 快路径关断，慢路径导通，产生最小振荡频率； Vcont落在两极中间时，产生中间振荡频率。
LC
实际（有损）并联LC回路含电阻成份
品质因数
Q L1 RS
阻抗
30.05.2020
8
• 3.1 LC振荡回路（续）
串联→并联 在较窄的频率范围内ZS＝ZP
得到
LP
L11L1R2S22
L1
RP
L122
RS
Q2RS
谐振频率
1
1 LPCP
30.05.2020
9
• 3.2 “调谐”电路
LC回路作负载
30.05.2020
-2/gm
半边等效
14
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪正反馈引起的延时变化（续）
利用差动对，使IT=ISS+I1，保证 输出振幅为2R1,2IT 为了避免M1M2没有电流通过， 在P点增加一个小恒流源IH，以 避免因此造成振荡停止。 缺点：消耗了额外的电压余度
30.05.2020
30.05.2020
21
5、VCO的数学模型
• 相位与频率
d dt
d t0
30.05.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ020
22
• VCO
Vou(t)t Vmco so(u dt t0) Vmcos0t(KVCV O codn tt0)
剩余相位 exKVCV O codntt
ex (s) KVCO
Vcont
s
积分器的传输函数
CMOS模拟集成电路设计
振荡器
30.05.2020
1
提纲
• 1、概述 • 2、环形振荡器 • 3、LC振荡器 • 4、压控振荡器 • 5、VCO的数学模型
30.05.2020
2
• 振荡条件
负反馈系统
1、概述
巴克豪森准则
30.05.2020
3
2、环形振荡器
• 环形振荡器起振
单极点负反馈系统相移：max 270 ° 双极点负反馈系统相移：360°@∞
30.05.2020
23
30.05.2020
17
• 4.2 LC振荡器的调节
1 LC
反偏pn结可以当作变容二极管
保证变容二极管反偏或正偏较弱
30.05.2020
19
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
N阱与衬底的电容 减小串连电阻
30.05.2020
20
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
消除N阱与衬底的电容的影响 采用PMOS器件电路
▪输出信号纯度：
30.05.2020 信号抖动（Jitter）;相位噪声
12
• 4.1 环形振荡器调节
▪改变负载
每一级中，M3M4处于线性区（三 极管区），由Vcont控制
1Ron3,4CL
缺点：输出摆幅在调节范围内变化大
▪改变电流源
控制ISS改变振荡频率
固定负载管的VDS，保证输出摆幅
（ISSRon）：M5工作在线性区，通过
不起振
当A0>2时，
30.05.2020
振荡
振荡，→∞，实际 上电路经历非线性， 最终达到“饱和”
6
• 反相器构成的环形振荡器
大信号工作
X跳变 1个TD
1个TD Z跳变
Y跳变 1个TD
振荡周期2NTD＝6TD
30.05.2020
7
3、LC振荡器
• 3.1 LC振荡回路
理想（无损）并联LC回路 1
H
0
(s)
A0 1 s
0
三极点负反馈系统相移
环路增益
H (s)
arctanosc 60
1
A03 s
0
3
0
osc 30
A
3 0
1
1
osc 0
2
3
A0＝2
30.05.2020
4
• 振幅限制
三级环形振荡器的闭环增益
分母
30.05.2020
5
• 振幅限制（续）
三级环形振荡器中，A0不同时，极点情况