MOS模拟集成电路的基本单元电路.pptx

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1、 第一节第一节 MOSMOS场效应管的特点场效应管的特点（1）MOS场效应管是一种电压控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS场效应管是单极型器件，温度稳定性好，抗辐射能力强。（3）输入电阻极高，一般高达109 1012。（4）MOS场效应管所占芯片面积小、功耗很小，且制造工艺简单，因此便于集成。（5）因MOS场效应管既有N沟道和P沟道器件之分，又有增强型和耗尽型之别，它们对偏压极性有不同要求。第1页/共41页（6）MOS场效应管跨导gm较低（约为双极型晶体管的1/40），所以为了提高增益，减小芯片面积，常采用有源负载。（7）MOS场效应管存在背栅效应（也称衬调效应），为了减小栅源电压对漏极

2、电流的影响，要保证衬底与沟道间的PN结始终处于反偏。（8）MOS场效应管的不足之处除了跨导gm较低以外，还有其工艺一致性较差、输入失调电压大、工作频率偏低，低频噪声较大等。MOSMOS场效应管的特点场效应管的特点第2页/共41页 第二节第二节 MOSMOS场效应管的模型场效应管的模型1.1.简化的低频交流小信号模型简化的低频交流小信号模型简化的低频小信号模型（duBS=0）求全微分得正弦信号下考虑到MOS管的输入电阻极高，(RGS可认为无穷大）。若源、衬极相连，uBS=0,则可得简化的低频小信号模型如图UgsUdsId+-第3页/共41页 第二节第二节 MOSMOS场效应管的模型场效应管的模型

3、2.2.高频交流小信号模型高频交流小信号模型MOS管完整的交流小信号模型如图 如果MOS管的源极与衬底相连，uBS=0,则它的高频小信号模型可以简化，其简化模型如图所示。简化高频小信号模型 低频情况下，极间电容均可视为开路，于是也可得到简化低频小信号模型第4页/共41页一一 场效应管的偏置电路场效应管的偏置电路（一）自给偏置电路(1)UGS=0时,IS=IDRS两端电压为：US=IS RS(2)由于 IG=0;UG=0:UGS=-IS RS=-ID RS 由此构成直流偏压，称为由此构成直流偏压，称为自给偏压方式自给偏压方式。这种偏压方式只适合耗尽型这种偏压方式只适合耗尽型FET。1.基本型自给

4、偏置电路基本型自给偏置电路第三节第三节 场效应管的基本放大电路场效应管的基本放大电路第5页/共41页2 2.改进型自给偏置电路上述电路中RS起直流反馈作用，RS大，Q稳定；但RS大Q点低。问题：Q点低不仅使A，且由于接近夹断，非线性失真加大。(1)由R1、R2分压，给RG一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。(2)对于耗尽型FET：UGS=UDDR2/(R1+R2)-ID RS 此时：RS大Q点不会低。显然对于JFET,当|US|UG|时，放大器才具有正确的偏压。改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路ID=IDSS1(UGS/UGS.off)2第6页/共41页（二）外加偏置电路（二）外加

5、偏置电路外加偏置电路外加偏置电路对增强型MOSFET:UGS=0时，ID=0，必须靠外加偏压(1)外加偏压UGS=UDDR2/(R1+R2)RG很大以减小对输入电阻的影响。(2)改进型外加偏压：UGS=UDDR2/(R1+R2)-ID RS对增强型MOSFET,须保证|UG|US|时，放大器才具有正确的偏压。第7页/共41页UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UGUS=UGIDRS ID=IDSS1(UGS/UGS.off)2 UDS=UDDID(Rd+RS)共源基本放大 电路的直流通道根据图可写出下列方程：由上式可以解出UGSQ、IDQ和UDSQ。二、三种基本放大电路二、三种基本放大电路

6、（一）共源组态基本放大器（一）共源组态基本放大器(1)(1)直流分析直流分析第8页/共41页电压增益为1.未接CS时:等效电路如图:一般 rds RD RL RS;rds可忽略。（一）（一）共源组态基本放大器共源组态基本放大器二、三种基本放大电路二、三种基本放大电路rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRiRo+-RL=RD/RL第9页/共41页放大器的输入电阻为放大器的输出电阻为Ri=RG+(R1/R2)RGRo=RD/rds RD2.接入CS时:AU -gm RLRi=RG+(R1/R2)RGRo=RD/rds RDrdsRDRLR2R1RGgmUgsUgsUiUoRiRo

7、+-rdsRDRLR2R1RGgmUgsRsUgsUiUoRiRo+-第10页/共41页共漏放大器电路共漏放大器电路电压增益为其等效电路如图:（二）（二）共漏组态基本放大器共漏组态基本放大器共漏放大器电路如图:Ri=RG输入电阻为式中:RL=rds/Rs/RL Rs/RL交流等效电路交流等效电路第11页/共41页求输出电阻1.求输出电阻的等效电路如图所示2.求输出电阻:Ugs=-UotIot=Uot/Rs-gm Ugs=Uot(1/Rs+gm)根据输出电阻的定义：Ro=Uot/Iot=1/(1/Rs+gm)=Rs/（1/gm）与射极输出器类似:输出阻抗低电压增益近似为1（二）（二）共漏组态基本

8、放大器共漏组态基本放大器第12页/共41页（三）（三）共栅组态基本放大器共栅组态基本放大器其等效电路如图:共栅放大器电路如图:与共基放大器类似:输入阻抗低输出阻抗高电压增益高共栅放大器共栅放大器典型电路所以，电压增益为:式中:RL=RD/RL共栅放大器共栅放大器等效电路电路由电路方程：第13页/共41页输入电阻为:Ri=Ui/Id 1/gm当rds RL,gm rds 1时：所以：Ri R1/（1/gm）输出电阻为:Ro rds/RD RD由Ro第14页/共41页MOSMOS管三种组态基本放大电路的基本特性管三种组态基本放大电路的基本特性电路组态共源（CS）共漏(CD)共栅(CG)电压增益输入

9、电阻Ri很高很高输出电阻Ro基本特点电压增益高,输入输出电压反相,输入电阻高,输出电阻主要取决于RD。电压增益小于1,但接近于1,输入输出电压同相,输入电阻高,输出电阻低。电压增益高,输入输出电压同相,输入电阻低,输出电阻主要取决于RD。性能特点第15页/共41页（一）增强型（单管）有源负载将D、G短接（N沟道），电路如图：R0R0等效电路如图：显然：适当减小gm(或 )可提高R0。第四节第四节 MOSMOS管恒流源负载管恒流源负载第16页/共41页（二）耗尽型（单管）有源负载：将G、S短接（n沟道），电路如图:R0R0等效电路如图显然，与增强型MOS有源负载相比，它具有更高的R0G,S间电压

10、为 0此时G,S间没有电流源第17页/共41页第五节第五节 MOSMOS管电流源管电流源一、MOS 电流源（一）、MOS镜像电流源（电路如图）T1、T2均工作在恒流区第18页/共41页若T1、T2结构对称：则沟道的宽长比=1。得：Io=IR 成镜像关系因为UGS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0所以2211021LWLWRDDIIII=第19页/共41页（二）、具有多路输出的几何比例电流源若T1、T2结构不对称：则I02与IR成比例，比例系数为沟道的宽长比之比。设T1、T2、T3管的沟道宽长比分别为ST1、ST2、ST3，则有:（电路如图）由（一）可知:同时也有第20页/共

11、41页第六节第六节 MOSMOS单级放大电路单级放大电路有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：1.E/E型NMOS放大器：放大管和负载管均为N沟道增强型 （E型）的共源放大器。2.E/D型NMOS放大器：放大管用增强型（E型），负载管 用耗尽型（D型），两管均为N沟的共源放大器。3.CMOS有源负载放大器：是由增强型NMOS管（放大），和 增强型PMOS（有源负载）组成的放大器。4.CMOS互补放大电路：采用极性不同（P、N沟道）的两只MOS管构成互补电路。第21页/共41页（一）、（一）、E/EE/E型型N NMOSMOS放大放大器器电路如图：（T1为放大管,T2为负载管）（RO2=1

12、/(gm2+gmb2)为T2管的等效电阻）。电压增益:此时衬底接地不考虑衬底效应等效电路：第22页/共41页特点：1.由于ST1、ST2受工艺限制不能随意增加，AUE只能达到5-10倍（较小）。2.输入电阻很高，一般可达1010 输入电阻：Ri1010 输出电阻：Ro=rds/RO2第23页/共41页（二）、（二）、E/DE/D型型N NMOSMOS放大器放大器1.电路如图:(T1为放大管，T2为负载管)2.等效电路如图:（RO2=1/gmb2为T2管的等效电阻）电压增益:第24页/共41页输入电阻：Ri1010 输出电阻：Ro=rds/Ro2特点：1.增益高，因 2为0.1左右，故AUD比A

13、UE高一个数量级。（常用）2.输入电阻为T1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达1010 3.输出电阻比E/E型放大器高。E/EE/E型型第25页/共41页（三）、（三）、CMOSCMOS放大器放大器电路如图:(B、S短接即UBS=0;UGS=0)等效电路如图:(T2管的等效负载Ro2=rds)电压增益：AU=-gm1(rds1/rds2)第26页/共41页优点：1.增益高，g ds比gm或gmb小12个数量级，故在 同样工作电流条件下，AU远高于AUE、AUD-几百倍乃至上千倍）。2.功耗小，在恒流区输入电阻：Ri1010 输出电阻：缺点：输出电阻比E/E型和E/D型高，负载能力较E/E型和E/D

14、型差。可见，在恒流区，ID越小，AU越高。所以，CMOS放大器可在较低的电流下工作，有利于降低功耗。第27页/共41页（四）、（四）、CMOSCMOS互补放大器互补放大器电路如图：等效电路如图：电压增益：输入电阻：Ri1010 输出电阻：增益高，是CMOS有源负载放大器的2倍。缺点：级联时电平匹配困难，因此一般作输出级。特点：第28页/共41页四种常用四种常用MOSMOS单级放大器性能比单级放大器性能比较较电路类型增益表达式A AU U典型值输出电阻R Ro o表达式E/EE/E型NMOSNMOS放大电路30dBCMOSCMOS有源负载放大电路3060dBCMOSCMOS互补放大电路3166d

15、BE/DE/D型NMOSNMOS放大电路第29页/共41页第七节第七节 MOSMOS管差分放大电路管差分放大电路MOS管差分放大电路的基本形式：1.E/E型NMOS差放电路2.E/D型NMOS差放电路3.CMOS差放电路CMOS差放电路E/D型NMOS差放电路E/E型NMOS差放电路第30页/共41页MOSMOS管差分放大电路的分析管差分放大电路的分析利用分析双极型差分放大电路相类似的方法半边电路法以E/D型NMOS差放电路为例E/D型NMOS差放电路双端输出差模电压增益：单端输出差模电压增益：单端输出共模电压增益：共摸抑制比:第31页/共41页第八节第八节 CMOSCMOS管功率放大电管功率

16、放大电路路CMOS互补功率放大电路如图：对比双极型甲乙类功放电路说明其工作原理。T1、T2为互补源极跟随器；T3、T4的栅源电压UGS为T1、T2提供直流偏压，使T1、T2两管工作在甲乙类状态；T5与T6组成CMOS推动电路，T5是放大管，T6是T5的有源负载。第32页/共41页第九节第九节 MOSMOS模拟开关及开关电容电模拟开关及开关电容电路路在模拟集成电路中，MOS管可做为：1.增益器件；2.有源负载；3.模拟开关(接近于理想开关)做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性：1.器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。2.控制端G与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之 间无直流电流

17、。从开关应用角度讲，NMOS优于PMOS，所以通常选用NMOS管做模拟开关。第33页/共41页一、单管一、单管 MOSMOS传输门模拟开关传输门模拟开关1.增强型单管MOS模拟开关电路UGUGS,th时管子导通（Ron 0）。可近似等效为理想开关（如图）（1）极间电容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在（2）Roff ,Ron 0(2)UGS Ron，但Cgs、Cgd串扰，所以应适当选择UGSRon，但极间电容，所以应适当选择结论:(1)实际应用时，MOS管并非理想开关。实际等效电路如图第34页/共41页保证保证MOSMOS模拟开关正常工作的条件模拟开关正常工作的条件MOSMOS开关的正常工作受

18、限于与开关连接的电容值，时间常数是限制开关工作速度的重要因素。保证开关工作的条件为：开关工作频率 时钟控制频率第35页/共41页二、开关电容电路（简称二、开关电容电路（简称SCSC电路）电路）开关电容电路的组成：由MOS模拟开关和MOS电容组成。开关电容电路的功能：当开关电容在集成电路中代替电阻时，又称为SC等效电阻电路。SC等效电阻电路，分为（1）并联型SC等效电阻电路，（2）串联型SC等效电阻电路，在时钟信号的控制下完成电荷的存储和转移。第36页/共41页（一）并联型SC等效电阻电路（2）工作原理当UG为高电平时，T1导通、T2截止，C接到U1得到充电电荷Q1=CU1当UG为高电平时，T1

19、截止、T2导通，C接到U2，C端电荷Q2=CU2因此，在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为 Q=Q1-Q2=C(U1-U2)并联型SC等效电阻电路如图（1）要求：同频、反相、等幅 且不重叠。波形如图第37页/共41页在周期TC内，从U1流向U2的平均电流为：等效电阻为：注意：要用上式给出的等效电阻R代替常规电阻值，必须满足以下条件：1.采样频率fC远大于信号的最高频率fS。2.U1、U2 不受开关闭合的影响。第38页/共41页工作原理在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为：Q=Q1-Q2=C(U1-U2)显见，与并联型SC等效电阻电路的 Q相同。所以，等效电阻也为：（一）串联型SC等效电

20、阻电路串联型SC等效电阻电路如图当UG为高电平时，T1导通、T2截止，C接到U1得到充电电荷Q1=C(U1-U2)当UG为高电平时，T1截止、T2导通，C接到U2，C端电荷Q2=0第39页/共41页本章小结本章小结1.MOS集成电路的分类（NMOS、PNOS、CMOS、CMOS互补）2.MOS器件作为有源负载（单管增强型、单管耗尽型、镜像电流源）3.MOS器件作为开关的条件（开关工作频率时钟控制频率）4.MOS管作为放大器件，构成放大器：(1)E/E NMOS放大器(2)E/D NMOS放大器(3)CMOS放大器(4)CMOS互补放大器5.开关电容电路SC等效电阻电路（串联型、并联型）第40页/共41页谢谢您的观看！第41页/共41页