模拟集成电路的基本单元.pptx
会计学1模拟集成电路的基本单元模拟集成电路的基本单元主讲:刘颖问题：1.如何用FET构成基本放大电路？2.用FET可以构成哪三种基本放大电路？3.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同之处？4.在不同场合，应如何选择基本放大电路？第四章第四章MOS模拟集成电路的基本单元模拟集成电路的基本单元第1页/共65页第四章第四章 MOS模拟集成电路的基本单元模拟集成电路的基本单元一、MOS场效应管的特点二、场效应管的等效电路（模型）三、MOS管三种基本放大电路四、MOS恒流源负载五、MOS管电流源六、MOS管单级放大器七、MOS管差分放大电路八、CMOS管功率放大电路九、MOS模拟开关第2页/共65页 N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D集电极C源极S发射极E栅极G基极B衬底B电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管复习栅极G基极B源极S发射极E漏极D集电极C第3页/共65页各类绝缘栅场效应三极管（即MOS管）的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型复习1UT第4页/共65页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型复习2UP第5页/共65页结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型复习3UP第6页/共65页一、MOS场效应管的特点场效应管与晶体管的相比，具有以下特点：1.电压控制元件，电流iD受电压uGS的控制；2.是单级型器件，温度特性好，抗辐射能力强；3.输入电阻高，可达1091014；4.面积、功耗小，便于集成。；5.不同类型的FET对偏压的要求不同；6.跨导gm较低；7.存在背栅效应（即衬底调宽效应），衬底与沟道的PN结反偏。8.工艺一致性较差，工作频率偏低、低频噪声较大等。第7页/共65页二、场效应管的等效电路SDUgs+-+-UdsG1.MOSFET的直流模型（耗尽型MOS管，简称D管）IDID（增强型MOS管，简称E管）复习：UGS,th开启电压（增强型），UGS,off夹端电压（耗尽型、结型）第8页/共65页SDgdsUGS+-+-UDSGID2.低频小信号模型由输出特性：ID=f(UGS,UDS)IDgmUGSgm：跨导gds：输出电导gds=1/rds第9页/共65页SDgdsugs+-+-udsGID低频跨导定义idgmugs（耗尽型、结型管）（增强型管）第10页/共65页微变等效电路3.高频小信号模型电路CgdSDgmUgsgdsUgs+-+-UdsGIDCgsCds第11页/共65页三、MOS管三种基本放大电路 场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS。自给偏置电路：适合结型场效应管和耗尽型MOS管外加偏置电路：适合增强型MOS管1.场效应管偏置电路第12页/共65页(1)自给偏置电路UGS=UG-US=-ISRS-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)RS的作用：1.提供栅源所需的直流偏压。2.提供直流负反馈，稳定静态工作点。RS越大，工作点越稳定。但会造成工作点偏低，放大增益减少，非线性失真增大。GSD基本自给偏置电路第13页/共65页偏置电路改进型自给偏置电路R1R2提供一个正偏栅压UG大电阻（M)，减小R1、R2对放大电路输入电阻的影响。UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)第14页/共65页偏置电路(2)外加偏置电路-IDRSR1和R2提供一个固定栅压。UGS=UG-US注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作。第15页/共65页2.三种基本放大电路(1)共源放大电路直流分析UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)第16页/共65页一般rds较大可忽略基本放大电路(1)共源放大电路(续）IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs时=-gmUgsRDUgs+gmUgsRs=-gmRD1+gmRsRD=RD/RL交流分析第17页/共65页IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs时=-gmRD1+gmRsriri=RG+(R1/R2)RG roro RD接入Cs时AU=-gm(rds/RD/RL)ri=RG+(R1/R2)RG ro=RD/rds RD Rs的作用是提供一个直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它同时对交流也起负反馈作用，使电路的放大倍数降低。接入CS可以消除RS对交流的负反馈作用。(1)共源放大电路(续）交流分析第18页/共65页GSDriUi(2)共漏放大电路（也称源极跟随器)RGGUoRLRSgmUgsrdsSD=gmUgsRSUgs+gmUgsRs=gmRS1+gmRsRS=rds/RS/RL RS/RL1AU1ri=RGUgs+-电压增益输入电阻低频等效电路输入电阻大第19页/共65页基本放大电路(2)共漏放大电路（续）输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-gmUgsUgs=-Uo=Uo(1/Rs+gm)输出电阻小，且与源极电阻和管子跨导有关。第20页/共65页基本放大电路(3)共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo=-IdRDUgs=-UiId=-gmUi+(-IdRD-Ui)/rdsriri第21页/共65页当rdsRD时，(3)共栅放大电路（续）SGDrdsgmUgsSGD电压增益IdririAU gmRDrdsRD，gmrds1输入电阻1/gm，riRs/1/gm第22页/共65页基本放大电路(3)共栅放大电路（续）电压增益AU gmRD输入电阻ri1/gmriRs/1/gmSGDrdsgmUgs输出电阻roro=rdsro=rds/RD RD 电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相。第23页/共65页3.FET放大电路三种组态性能比较组态组态Ausriro输入与输出输入与输出电压关系电压关系共源共源高高高高较高较高反相反相共漏共漏低低高高低低同相同相共栅共栅高高低低较高较高同相同相第24页/共65页小 结 场效应管放大电路主要有共源、共栅和共漏三种基本组态放大器。静态偏置电路主要有自给偏置电路和外置偏置电路两种。自给偏置电路适用于结型和耗尽型场效应管。而对增强型场效应管只能采用外置偏置电路。静态分析可采用计算法和图解法。动态分析与三极管基本相似，主要采用微变等效电路法进行分析。第25页/共65页四、MOS管恒流源负载有源负载：用于代替高阻值电阻的电流源。常用的有源负载：单管增强型，单管耗尽型，电流镜电路。注：在大规模电路中，衬底一般不与源极相接，因此必须考虑衬底对电路的影响，即所谓的衬调效应。衬底的跨导：管子的跨导：跨导比：处理方法：画交流等效电路时，衬底B接交流地。第26页/共65页GDSB1.单管增强型有源负载MOS管有源负载UDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbs由图可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmUgsgmbUbs+而Ugs=Ubs=UOrO=1gds+gmgmb+IO用D与S间的动态电阻代替大电阻画交流通路D、G、B均接交流地第27页/共65页减小gmb1.单管增强型有源负载（续）MOS管有源负载GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1gds+gmgmb+rO1gmgmb+1gm)(1+=gmb=gmgdsgm和gmb适量减小gmro增大第28页/共65页1.单管增强型有源负载（续）MOS管有源负载GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1gds+gmgmb+当衬底B端接原极S时，无衬底效应，此时rO=1gds+gm 如gds gmrO=1gm第29页/共65页2.单管耗尽型有源负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIO耗尽型：Ugs=0ID=IDSS做有源负载时G与S短接用D与S间的动态电阻代替大电阻画交流通路，D、B均接交流地，G与S相接由图可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmbUbs而Ubs=UOrO=1gdsgmb+第30页/共65页2.单管耗尽型有源负载（续）MOS管有源负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIOrO=1gdsgmb+如gds gmbrO=1gmb耗尽型MOS管有源负载的电阻比增强型的要高。gmbgmbgdsgm1=gm2=gm3rdsgm11/gm较小rogm1 rds1 rds2=AU1rds2AU11威尔逊电流源做有源负载可得到高阻抗。第34页/共65页N1N2五、MOS管电流源1.MOS电流镜（基本电流源）UDD由两个几何尺寸相同的MOS管组成IRIoIGId1基准管输出管N1管的漏电流:N2管的漏电流:IG=0Id1=IR，Id2=IOIO=IR两沟道宽长比相同第35页/共65页N1N2UDDIRIoIGId11.MOS电流镜（续）N1-基准管固定基准电流IRN2-输出管输出电流IOIO=IR理想电流源:内阻Ri=而N2的输出电阻rds2为有限值该电流源不是理想电流源其输出电流只是一个近似恒定值，即存在一个误差项,误差越小，电流源越接近理想电流源。误差项第36页/共65页2.威尔逊电流源N2N3N1IoIRUOro减小误差项,提高精度。即误差大为减小第37页/共65页3.几何比电流源N1NRIRI01N2I02NR、N1、N2的几何尺寸不同设三个管子的沟长比分别为：SNR，SN1，SN2仿前面电流镜推导，可得：由于输出电流与管子的几何尺寸成比例，改变沟长比，可得到与IR成任何比例关系的电流源。由式可看出：第38页/共65页常用的电路形式六、MOS单极放大电路E/E型NMOS单极放大器E/D型NMOS单极放大器CMOS单极放大器推挽式CMOS单极放大器耗尽型MOS管，简称D管。复习：增强型MOS管，简称E管。CMOS管概念:一个NMOS管和一个PMOS管构成的电路。第39页/共65页1.E/E型NMOS单极放大器N2N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1RL2放大管及有源负载均为增强型NMOS管E/E型便由此得名电压增益第40页/共65页1.E/E型NMOS单极放大器（续）通常rds1RL2当两管K、ID相等时其中第41页/共65页MOS单极放大器Sn1Sn2沟长比如忽略衬调效应即212.电压增益主要有管子尺寸决定，增加沟长比及减小，增益将增高。结论：1.由于不能无限增加沟长比，该放大器的增益低，约510倍。1.E/E型NMOS单极放大器（续）第42页/共65页gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电阻：N1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010。输出电阻：gds1,gds2gm2,gmb21.E/E型NMOS单极放大器（续）第43页/共65页电压增益输入电阻很高，一般可达1010。输出电阻2RL2 与E/E型比较通常2120.1由此可见：AUD比AUE大一个数量级，约为几十倍。是主要的NMOS放大器。第46页/共65页2.E/D型NMOS单极放大器（续）gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电阻：N1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010。输出电阻：gds1,gds2UGS,th时，MOS管导通，忽略导通电阻，漏-源极相当短路,相当于开关“闭合”。2.当UGgmbgds2.单管耗尽型有源负载，它采用耗尽型MOS管组成。等效交流电阻为：ro=1/(gds+gmb)小 结第59页/共65页小 结 MOS集成电路中普遍采用有源负载共源放大电路，常用的有四种，即、EE型，ED型，CMOS型和CMOS互补形放大器。1.EE型放大电路的放大管和有源负载管均采用增强型MOS管组成。电压增益为：AUE=-gm1(rds1/RL1)如放大管和负载管的ID和K一致，放大增益可表示为：电压增益小，约为510倍。第60页/共65页小 结2.ED型放大电路的放大管采用增强型和负载管均采用耗尽型MOS管组成。电压增益为：AUD=-gm1(rds1/RL2)AUDAUE/2 2=gm2/gmb2，通常为0.1左右。ED型的电压增益比E/E型大10倍到几十倍。3.CMOS有源负载放大电路是采用极性不同（N沟或P沟道）的放大管和负载管组成。电压增益为：AU=-gm/(gds1+gds2)其电压增益比AUD和AUE大，一般在几百倍。第61页/共65页小 结4.CMOS互补放大电路是采用极性不同的两只MOS管组成，而且互为放大管和负载管，使输出电流增加。电压增益为：AU =-2gm/(gds1+gds2)其电压增益是CMOS放大电路的2倍，在四种MOS放大电路，电压增益最大。第62页/共65页重点难点重点：常用MOS放大单元电路（E/E、E/D、CMOS、CMOS互补）的构成、特点及分析方法与开关电容电路。难点：MOS放大单元电路的分析方法；CMOS放大单元电路的微变等效电路的画法。第63页/共65页第四章结束第64页/共65页
