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3单级放大器--西南交大模拟CMOS集成电路课件

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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CMOS集成电路设计单级放大器PPT课件

模拟CMOS集成电路设计单级放大器PPT课件

Av0
Gm Rout
gm 1 gm RS
RD
RD RS
(gmRS 1)
Amplifiers Ch.3 # 25
第25页/共55页
带源极负反馈的共源级（3）
Rup Rdown
Gm
gm 1 gmRS
Rup RD
Rdown gm1ro1RS
Rout Rup || Rdown RD (Rdown Rup )
第3页/共55页
放大器的性能指标
• 增益 • 速度（带宽、转换速率） • 功耗 • 电源电压、电源电压抑制比 • 线性度 • 噪声 • 输入摆幅、输出摆幅 • 输入/输出阻抗
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 4
第4页/共55页
模电设计中的八边形法则
北大微电子：模拟集成电路原理
信号放大
• 为什么信号需要放大？ • 信号太弱，不能驱动负载：阻抗匹配 • 降低后续噪声影响 • 用于反馈电路
• 放大前后信号可同量纲，也可不同量纲
• 同量纲时放大倍数可大于1，也可小于1
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 1
第1页/共55页
放大器的种类
电流放大器
V-V
Rup
1 gm2
Rdown ro1
Rout
Rup
||
Rdown
1 gm2
|| ro1
ro1 1 gm2ro1
1 gm2
(
1 gm2
ro1 )
Av0
Vout Vin
g R m1 out
gm1 gm2
Amplifiers Ch.3 # 16
第16页/共55页

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

模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件

模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
定义从D流 向S为正 PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可 • AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识
• MOS管是AIC的基本元件 • MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结

《CMOS集成电路》PPT课件 (2)

《CMOS集成电路》PPT课件 (2)

采用电流源负载的共源级
ID 1
0 . 5 μnCO X
W L
( 1
Vi n
VTH1)2( 1λ
Vo u t)
I1
Ij
Cj
由上式可知:若I1为理想恒流,Vin↑,则 Vout↓
也可以这样理解: 静态时, I1=ID1,V0为一确定的 静态电压,Ij= 0。Vin↑,ID1↑,Ij=I1ID1<0,Cj(可以理解成是负载电容,也可以理解成 是寄生电容)放电,V0↓,反之, Vin↓,ID1↓, I =I - j 1 单级放大器 ID1>0,Cj充电,V0 ↑
≈
RD
+1
、
IX 1+(gm + gmb)r0 (gm + gmb)r0 gm + gmb
单级放大器 Ch. 3 # 12
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r0
2
NMOS负载时
Rin=(1/gm2)//r
02
PMOS负载时
单级放大器 Ch. 3 # 13
MOS二极管连接负载的共源极（ λ＝0 ）
易见，M1的输入电压范围也很窄!
单级放大器 Ch. 3 # 18
具有阶跃偏置电流的二极管连接器件
在数字电路中,NMOS、PMOS 的栅极在开关导通时分别接“1”、 “0”电平,截止时刚好相反,两种开 关并联即构成CMOS传输门。
• 若 I1 越来越小, VGS 越来越接近 VTH • I1越来越接近 0时, 忽略漏电流的影响, 我们有：
g m ro 1
2 μnCo xID
W L
1
1
λ1ID
W •L ID

CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器(一)-PPT精品文档


16
输出电阻？
您能直观观察出来吗？
17
二极管连接的其他用途：电压偏置
18
同样大小的交流小信号电阻，用饱和区MOS管实现不仅 容易，而且消耗的电压余度要小得多
电流源负载的共源级放大器 广泛的使用在CMOS集成电路中
2019/2/22
共源级放大器
19

1.3 电流源负载的共源级放大器

讨论
1 1 A 2 I V D ( ) I I 1 1 D D
Gm ? Rout?
2019/2/22
共源级放大器
24

计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)
由于
，所以
因此，
2019/2/22
共源级放大器
25

计算Rout
流经ro的电流： 得到 所以，
R r ' r [ 1 ( g g ) R ] OUT o o m mb S
2019/2/22
长沟器件可以产生高的电压增益 同时增加W、L将引入更大的节点电容 ID↓→
AV↑
20
输出摆幅
2019/2/22
共源级放大器
21

1.4 带源级负反馈的共源级放大器

小信号直接分析方法

讨论
增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。 线性化的获得是以牺牲增益为代价的
2019/2/22
9
练习
Av的最大化
A g R v m D
A v 2 C
W RD n ox L D
V I
增大W/L；寄生电容增大，带宽减小 增大VRD；输出摆幅减小 减小ID；RD会很大，输出节点时间常数增大

8运放--西南交大模拟CMOS集成电路课件


Rout A1 g m 2 ro1ro 2
Av g m1 Rout g m1 A1 g m 2 ro1ro 2 g m1 g m3ro 3 g m 2 ro1ro 2
21
运算放大器
• 提高增益 – 在差动电路中加入电流反馈
22
运算放大器
• 提高增益 – 折叠式共源共栅电路作辅助放大器
– 在很多情况下，运放对电源中杂波的抑制能力显得
很重要 – 全差动电路的电源抑制能力较高
10
运算放大器
• 单级运放 – 差动放大器具有运放的特征，可以称为单级运放
11
运算放大器
– 共源共栅单级运放
• 可以获得更高的输出阻抗，亦即提高了电路增益
12
运算放大器
– 折叠共源共栅运放
• 降低电压余量占用 • 方便地接成跟随器
Av Av1 Av 2
17
运算放大器
– 采用共源共栅的两级 运放
• 第一级采用共源共栅 结构，可以获得较高 的增益 • 第二级采用普通有源 负载共源电路，可以 获得较大输出摆幅
18
运算放大器
– 单端输出的两级运放
• 第一级采用双端输出， 可以保证电路性能 • 第二级用镜像电流源 将输出电流增大
19
运算放大器
• 提高增益 – 用反馈增大输出阻抗（电流反馈）
Rout 1 g m g mb RS ro g m 2 RS ro 2 g m 2 ro1ro 2
Rout A1 g m 2 ro1ro 2
20
运算放大器
• 提高增益 – 电路实现 – 提高共源共栅电路的增益
运算放大器
• 运算放大器通常被定义为“高增益直接耦合（差动） 放大器” • 过去的通用运放一般都达到很高的增益，但是某些指 标被降低

模拟CMOS集成电路设计 第3章 单级放大器


VGS 1 VTH 1 200mV 和 VTH 2 0.7V 可得 VGS 2 2.7V
这严重的限制了输出电压的摆幅
• 性能改进
在M2边上并联一个恒流源，M2 的电流将下降， 跨导下降，增益提高 取：
I S 0.75I1
g m1 Av g m2
=
4 n W L 1
输出阻抗：等效图中忽略RD 考虑输出阻抗：输入接地，输出加激励。
一般 输出阻抗提高了
倍
考虑λ和γ一般情况下的增益。
重写上式：
辅助定理：在线性电路中，电压增益为 Gm：输出与地短接时的等效跨导。 Rout：输入电压为零时的等效输出阻抗。
例：恒流源负载：
恒流源的输出阻抗无穷大，Rd可忽略
结论：Av和Rs无关。 因为Io恒定，流过Rs的电流变化为零，导致Rs上 的电压没有变化，等效为：
大信号分析
• 小信号分析：
• 增益的非线性
2
W Vout Vin VTH = g m RD R C = Av D n ox L Vin
增益随Vin的线性增加，当输入信号摆幅较大时引入非线性
跨导随输入电压的变化
饱和区
I D gm VGS
= nCox 线性区
W VGS VTH L
增益最大化
3.2.5 带源级负反馈的共源级
• 在模拟电路的八边形的法则中我们可知道，线性 化也是一个重要的考虑因素之一。 • 线性化是希望我们的变量和因变量之间是一种最 简单的关系，即它们的增长比例相同。也就是一 种线性函数。 • 但我们知道漏电流和过驱动电压是一种平方关系， 如何让他们也呈现出一种线性关系呢？ • 本节中是通过用一个负反馈电阻串联在在晶体管 的源端来实现。

7反馈--西南交大模拟CMOS集成电路课件


反馈
• 断环的负载效应（电流——电压）
反馈
• 断环的负载效应（电 压——电流）
反馈
• 断环的负载效应（电压——电流）
反馈
• 断环的负载效应（电 流——电流）
反馈
• 断环的负载效应（电流——电流）
反馈
• 小结 – 在IC内部，通常都不会加入深度负反馈。所以，估 算法很可能不适用 – 计算方法：
反馈
• 宽带放大器通常都需要加上负反馈，以获得更佳的线 性和带宽 • 放大器可以看成前馈网络和反馈网络
反馈
• 反馈的构成
Y A( X Y ) AX 1 A Y A Af X 1 A
反馈
• 开环和闭环
Vout a) : Av g m1ro1 Vx b) : (Vout Vx )C2 s (Vx Vin )C1s
• 三级放大电路的最大附加相移可达270o，必然有一
个频率点使得附加相移刚好为180o，——有可能发 生振荡
• 为了使负反馈放大电路稳定工作，反馈环路放大器最 好不要超过三级。
反馈
• 稳定的判断 自激振荡时
AF 1或20 lg AF 0 (2n 1)
判断时，先作出开环放大电路的频率特性
反馈
• 负反馈对带宽的影响
A0 Af 1 A0
增益带宽积不变： 0 f 0 1 A0
反馈
• 负反馈对带宽的影响
– 估算法测试
反馈
• 负反馈放大电路的分类
反馈
• 负反馈放大电路的分类
反馈
• 负反馈放大电路的分类 – 构成放大器的电路可能是相同的，但用这个相同的 放大电路接成不同的反馈类型时，反馈放大电路的 类型（组态）也就发生了变化
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• 考虑沟道调制效应后
1 W 2 Vo VDD nCox Vi VTH 1 Vo RD 2 L
Av gm ro // RD
单级放大器
• 选频网络负载
Av gm ro || jL 1 jC
在
1 时 LC
Av g m ro
Cascode
单级放大器
• 折叠式共源共栅电路
单级放大器
• 折叠式共源共栅电路
– M4、M5接成共源共栅电路，以
获得很大的输出电阻，作为M2的 负载 – 高输出阻抗可以获得高的电压增 益
– 高输出阻抗可能会对电路的速度
产生影响
单级放大器
• 讨论题
– 怎样增加MOS管的灵敏度？
– 怎样增加MOS管的放大能力？ – MOS管的转移特性说明什么？ – MOS管的线性情况如何？ – MOS管的线性度对电路的失真产生什么影响？ – 基本放大电路的RD起什么作用？ – 为什么要用有源器件替代RD？
CMOS_DCOM
Vout
g m RS Av 1 g m g mb RS
单级放大器
• 源极跟随器的小信号等效电路
Vout g mV1 g mbVbs RS g mVin RS 1 g m RS g mb RS g m Vin Vout g mbVout RS
Av Gm RD
单级放大器
• 源极负反馈共源电路的输出电阻
V1 I X RS
I ro I X g mV1 g mbVbs
I X g m g mb RS I X I X g m g mb RS I X ro RS I X
1 g m g mb RS ro RS 1 g m g mb ro RS ro g m g mb RS ro ro 1 g m g mb RS ro
W 2 n Cox I D1 L 1 W 2 p Cox I D 2 L 2
Av

p W L 2
n W L 1
单级放大器
• 用恒流源作负载的共源电路
Av gm1 ro1 // ro 2
单级放大器
• 源极负反馈
CAR_NMOS
单级放大器
• 电阻负载共源放大器
Vo VDD I D RD
– 当VGS > VTH时
ID 1 W nCox VGS VTH 2 2 L'
– 即 Vo VDD 1 nCox W VGS VTH 2 RD
VDD 2 L' 1 W 2 nCox Vin VTH RD 2 L'
1 W 2 Vout VDD nCox Vb Vin VTH RD 2 L
Vout W V nCox Vb Vin VTH 1 TH Vin L Vin W nCox Vb Vin VTH 1 RD L g m 1 RD
– 可以改善电路的非线性特性
– 根据模拟电子技术的推导：
g m RD Av 1 g m RS
– 显然，这种非线性的改善是以牺牲增益 为代价的
单级放大器
• 源极负反馈共源电路的小信号等效电路
– 考虑体效应
I out VX g mV1 g mbVbs ro I out RS g m Vin I out RS g mb I out RS ro Gm I out g m ro Vin RS 1 g m g mb RS ro

单级放大器
– 因为ID1=ID2，所以
W 2 nCox I D1 L 1 W 2 nCox I D 2 L 2 1 1
Av

W L 1 1 W L 2 1
单级放大器
• 二极管连接的阶跃响应
单级放大器
• PMOS二极管连接作负载的共源放大电路
单级放大器
• 共源共栅电路的小信号等
效电路
– 可以看出，负载上流过 的电流即为m1管的漏极 电流。即：整个电路的 总增益为m1共源放大电 路的增益
单级放大器
• 共源共栅构成恒流源
– 共源共栅恒流源具有更高的内阻
– 用共源共栅恒流源作负载可以获得 更高的放大倍数
Cascode
– 共源共栅电路会损失电路的电压摆 幅
单级放大器
• 电压传输特性分为几种情况：
Vin < VTH
CMOS_AMP2
Vo VDD
Vin > VTH，Vo Vin – VTH
1 W 2 Vo VDD nCox Vi VTH RD 2 L' Vin > VTH，Vo < Vin – VTH
Vo VDD nCox
Ro 1 g m g mb RS ro Ro比ro增加了很多
VX I ro ro RS I X
Ro V X I X
单级放大器
• 考虑直流负载的小信号等效电路
Av Gm RD
单级放大器
• 共漏电路（源极跟随器）
ID 1 W nCox VGS VTH 2 2 L 1 W nCox Vin Vout VTH 2 RS 2 L
单级放大器
• 考虑器件的尺寸的二极管连接
gm I D VGSVDS源自 nCox W ID L
W VGS VTH L
2 nCox
Av
g m1 1 gm2 1 W 2 nCox I D1 L 1 W 2 nCox I D 2 L 2 1 1
Vo << Vin – VTH
W 1 2 VGS VTH VDS VDS RD L 2
Vo VDD
Ron Ron RD
单级放大器
• 交流小信号分析
Vo gmV1RD gmVin RD
即
Av Vo g m RD Vin
单级放大器
RD
单级放大器
• 共栅极电路及其小信号等效电路
Rin
1 1 g m g mb ro
单级放大器
• 共源共栅电路
– 共源电路的输出电流作为共栅电
路的输入电流 – 共源共栅电路的输出阻抗可以做 得很高 – 共源共栅电路的频响比共源电路
优良
– 共源共栅电路的沟道长度调制效 应影响被降低
单级放大器
• 二极管连接的等效电阻
VX 1 I X g m g mb 1 ro 1 g m g mb
单级放大器
• 二极管连接作负载的共源电路
Av g m1
1 g m 2 g mb 2
g m1 1 g m 2 1 g mb 2 gm2 g m1 1 gm2 1
（假设Q值足够高）
单级放大器
• 二极管连接
临界夹断：VDS VGS VTH 夹断：VDS VGS VTH VTH VGS VDS 二极管接法：VGS VDS
CMOS_DIOD
所以：二极管连接的三 极管工作在饱和状态 1 W 1 W 2 2 I D nCox VGS VTH nCox VDS VTH 2 L' 2 L'
单级放大器
• 讨论题
– 基本放大电路的传输特性大约为什么样？
– 传输特性的线性情况如何？ – 为什么共源共栅电路的频响较好？ – 为什么共源共栅电路的增益会很高？ – 折叠式共源共栅电路要解决什么问题？
单级放大器
• 作业
上述讨论题自选2题
单级放大器
• 对信号幅值进行放大，是模拟电路的基本功能
• 放大器的主要指标有：增益、线性度、噪声、最大电
压摆幅、输入输出阻抗、功耗等 • 基本放大器分为共源、共栅、共漏等不同结构 • 复合的放大电路可以进一步提高电路的性能
单级放大器
• MOS管的输出特性和转移特性
CAR_NMOS
单级放大器
• MOS管的输出特性和转移特性
g m RS Av 1 g m g mb RS
单级放大器
• 源极跟随器的小信号等效电路
Rout
1 1 1 // g m g mb g m g mb
单级放大器
• PMOS源极跟随器消除体效应
单级放大器
• 共栅极电路
ID 1 W nCox VGS VTH 2 2 L 1 W 2 nCox Vb Vin VTH 2 L