模拟cmos集成电路设计拉扎维单级放大器二资料PPT学习教案.pptx

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1、会计学 1模拟 cmos 集成电路(jchng-dinl)设计拉扎维单级放大器二资料第一页，共57 页。2上一讲放大器基础知识电阻(dinz)做负载的共源级增益有非线性，电阻(dinz)精度差或面积大A v=g m R D西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第1 页/共57 页第二页，共57 页。3上一讲二极管接法的 MOS 管做负载的共源级线性度好，输出(shch)摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av=(W/L)1 1(W/L)2 1+A v=n(W/L)1 p(W/L)2西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第2 页/共57 页第三页，共57 页。4上一讲电流(dinl

2、i)源做负载的共源级增益(zngy)大Av=gm ro1|ro2西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第3 页/共57 页第四页，共57 页。W 5上一讲深线性区MOS 管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）得到精准的Ron2 比较困难；受工艺、温度(wnd)变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb 比较难RON 2=nCox L 21(VDD Vb|VTHP|)Av=gm RON2西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第4 页/共57 页第五页，共57 页。6上一讲带源极负反馈的共源级Rs 使Gm 和增益变为gm 的弱函数(hnsh)，提高线性度输出电阻大ROUT=1+(gm+

3、gmb)ro RS+ro牺牲了增益A v=G m R D=g m R D1+g m R S西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第5 页/共57 页第六页，共57 页。VX 1Rout=7如何求“从M1 源端看进去(jn q)的电阻”？QV1=VX,IX gmVX gmbVX=0IX gm+gmb求从“？端看进去的电阻(dinz)”，用同样方法西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第6 页/共57 页第七页，共57 页。8本讲共漏级源跟随(n su)器共栅级共源共栅级折叠(zhdi)共源共栅级手算时器件(qjin)模型和公式的选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第7 页/共57 页第

4、八页，共57 页。9源跟随器大信号(xnho)特性西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第8 页/共57 页第九页，共57 页。10源跟随器小信号特性(txng)增益西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第9 页/共57 页第十页，共57 页。Av=11111源跟随器增益(zngy)随Vin 的变化V out=1V 时，=0.163(当g m RS 足够(zgu)大时)g m RS1+(g m+g mb)RS1+g m RS1+(1+g mbg m=)=1+(1+)g m RS2 2 F+VSB西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第10 页/共57 页

5、第十一页，共57 页。Av=11112源跟随(n su)器增益的非线性V out=1V 时，=0.163(当g m RS 足够(zgu)大时)g m RS1+(g m+g mb)RS1+g m RS1+(1+g mbg m=)=1+(1+)g m RS2 2 F+VSB西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第11 页/共57 页第十二页，共57 页。=v13源跟随(n su)器提高增益的线性度Av=gmRS gm gm1+(gm+gmb)RS 1+(gm+gmb)gm+gmbRS(当RS=时)仍存在非线性，因为（）gmb 随Vin 的变化而改变。A=1源随器通常有百分之几的非线性 1

6、+西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第12 页/共57 页第十三页，共57 页。14源跟随器提高增益的线性度采用PMOS 管做源随管，消除(xioch)体效应小信号等效电路Av=gm1(rO1 rO1)1+gm1(rO1 rO1)提高(t go)了线性度输出电阻比 NMOS 管的大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第13 页/共57 页第十四页，共57 页。gmbAv=1gm115源跟随器考虑(kol)rO 和RL 后的增益1|ro1|ro2|RL|ro1|ro2|RL+gmb西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第14 页/共57 页第十五页，共57 页。16源跟随(n s

7、u)器小信号特性RinIinRin=VinI in低频下，Iin=0，因此(ync)，Rin=西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第15 页/共57 页第十六页，共57 页。()17源跟随(n su)器小信号特性RoutRout=1g m+g mb输出电阻小驱动低阻负载时的阻抗转换(zhunhun)电路VTH=VTH 0+2 F+VSB 2 F西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第16 页/共57 页第十七页，共57 页。A v=18源跟随(n su)器PMOS 管做源随管采用PMOS 管做源随管，能消除(xioch)体效应g m 1(rO 1 rO 1)提高(t go)了线性度1+g m

8、 1(rO 1 rO 1)源-衬寄生电容降低带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第17 页/共57 页第十八页，共57 页。19源跟随器PMOS 管做源随管采用PMOS 管做源随管，能消除体效应(xioyng)在相同W/L 和ID情况下，比NMOS管的大R out=1g mrO 1 r O 2 1g mR out,NMOS=g m1+g mb西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第18 页/共57 页第十九页，共57 页。20源跟随(n su)器摆幅问题源跟随器会使信号(xnho)直流电平产生VGS 的平移，降低(jingd)信号摆幅保证M1 工作在饱和区VX VGS1 VTH保证M2、

9、M3 都工作在饱和区V X(VGS 3 VTH)+VGS 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第19 页/共57 页第二十页，共57 页。21源跟随器主要应用电压缓冲器输入阻抗大，输出阻抗(sh ch z kn)小。在高输出阻抗(sh ch z kn)电路（如电流源负载的共源级）驱动低阻负载时，插入源随器做电压缓冲级，实现阻抗转换电压平移电路VGS=VTH+VOV=2ICOXWL 西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第20 页/共57 页第二十一页，共57 页。22本讲共漏级源跟随(n su)器共栅级共源共栅级折叠(zhdi)共源共栅级手算时器件模型和公式(gngsh)的

10、选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第21 页/共57 页第二十二页，共57 页。23共栅级简介(jin ji)源端输入(shr)直流耦合，交流耦合西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第22 页/共57 页第二十三页，共57 页。饱和区1 WL24共栅级大信号(xnho)特性Vb VTH线性区截止(jizh)区饱和(boh)区时 V out=VDD n COX2(Vb Vin VTH)2 R D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第23 页/共57 页第二十四页，共57 页。1 WL25共栅级小信号特性(txng)增益Vout=VDD n COX2(Vb Vin VTH)2 R D求Vo

11、ut/Vin，得：Av=g m(1+)RD从小信号等效电路(dinl)可得到相同结果体效应使跨导增大西电微电子学院董刚模拟集成电路(dinl)设计第24 页/共57 页第二十五页，共57 页。RD26共栅级考虑(kol)rO 和RS 影响后的增益根据(gnj)基尔霍夫电流定律，列 Av=方程组可解得(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)ro RS+RS+RD西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第25 页/共57 页第二十六页，共57 页。27共栅级实例1 求增益思路：利用戴维宁定理（等效电压源定理），把输入信号转换为带内阻(ni z)的电压源的形式；再利用已知的A

12、v 公式Av=(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)ro RS+RS+RDRD西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第26 页/共57 页第二十七页，共57 页。28共栅级实例(shl)1 求增益西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第27 页/共57 页第二十八页，共57 页。1 129共栅级实例(shl)1 求增益Vin,eq=rO11rO1g mb1+g mb1 g m1VinReq=rO11g mb11g m1将结果(ji gu)带入右式中即可Av=(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)ro RS+RS+RDRD西电微电子学院(xuyun)董刚模

13、拟集成电路设计第28 页/共57 页第二十九页，共57 页。=RP=RD RP30共栅级实例 2 求增益输入(shr)信号为电流信号 思路：用戴维宁定理，把输入(shr)电流信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用实例 1 的结果Vout VoutIin Vin(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRP+RP+RD西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第29 页/共57 页第三十页，共57 页。Vin31共栅级小信号特性(txng)Rin从M1 管源端看进去的电阻求，得：Rin=1/gm(1+)Iin输入阻抗(sh r z kn)小西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计

14、第30 页/共57 页第三十一页，共57 页。32共栅级低Rin 特性(txng)的应用根据(gnj)传输线理论：对于(duy)50 传输线，接收端匹配50 电阻时，反射回来的能量最小，功率传输效率最高a结构电压增益为gm150;b 结构为gm1RDRin=1/g m(1+),g m=2 nCOX(W/L)I D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第31 页/共57 页第三十二页，共57 页。+33共栅级考虑(kol)rO 后的Rin求VX/IX 得RinRin=RD+rO RD 11+(g m+g mb)rO(g m+g mb)rO g m+g mb西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路

15、设计第32 页/共57 页第三十三页，共57 页。+34共栅级考虑(kol)rO 后的Rin只有当RD 较小时，Rin 才会较小当RD 很大时，Rin会很大RD 无穷大时，Rin无穷大Rin=RD+rO RD 11+(g m+g mb)rO(g m+g mb)rO g m+g mb西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第33 页/共57 页第三十四页，共57 页。35共栅级小信号(xnho)特性Rout计算结果同带源极负反馈的共源级的RoutRout=1+(gm+gmb)ro RS+ro|RD输出电阻很大西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第34 页/共57 页

16、第三十五页，共57 页。36共栅级主要(zhyo)应用输入信号为电流(dinli)信号的情形与共源级结合(jih)构成共源共栅级西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第35 页/共57 页第三十六页，共57 页。37本讲共漏级源跟随(n su)器共栅级共源共栅级折叠(zhdi)共源共栅级手算时器件(qjin)模型和公式的选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第36 页/共57 页第三十七页，共57 页。38共源共栅级简介(jin ji)共源级共栅级有重要(zhngyo)应用西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第37 页/共57 页第三十八页，共57 页。239共源共栅级偏置(pin z

17、h)要求要求M1 和M2 都饱和区V b V ov 1+V GS输入(shr)器件 共源共栅器件(qjin)V out V ov 1+V ov 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第38 页/共57 页第三十九页，共57 页。40共源共栅级大信号(xnho)特性Vin 大于VTH1 后继续增大，则：ID 增大，VGS2 增大，VX 减小，到一定值时M1 或M2 进入线性区，增益(zngy)（Vout 曲线斜率）减小西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第39 页/共57 页第四十页，共57 页。41共源共栅级小信号特性(txng)增益=0 时A v=g m 1 R D与M2

18、 管的跨导和体效应(xioyng)无关西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第40 页/共57 页第四十一页，共57 页。42共源共栅级小信号(xnho)特性Rout计算(j sun)思路：负反馈电阻(dinz)为rO1 的共源级；输入信号内阻为RS 的共栅级R out=1+(g m 2+g mb 2)rO 2 rO 1+rO 2M2 管将M1 管的输出阻抗提高为原来的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于实现高增益西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第41 页/共57 页第四十二页，共57 页。43共源共栅级小信号(xnho)特性Rout增加(zngji)共栅管的级数能进一步提高Rout：R

19、out(g m 3+g mb 3)rO 3(g m 2+g mb 2)rO 2 rO1代价(diji)是减小信号摆幅：V out V ov 1+V ov 2+V ov 3Rout=1+(g m 3+g mb 3)rO 3 从M2 漏端看进去的电阻+rO 3=1+(g m 3+g mb 3)rO 3 1+(g m 2+g mb 2)rO 2 rO1+rO 2+rO 3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第42 页/共57 页第四十三页，共57 页。44共源共栅级Rout 的比较(bjio)rO 4rO 约为（gmrO）rOrO=1 I D,1L相同(xin tn)ID 下，（c）的Rout 最大西

20、电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第43 页/共57 页第四十四页，共57 页。45共源共栅级做理想(lxing)电流源利用其高输出阻抗特性，实现(shxin)接近理想特性的电流源A v g m 1 R out代价(diji)：输出摆幅减小Voutswing=VDD Vov1Vov2 Vov3 Vov4R out=1+(g m 2+g mb 2)rO 2 rO 1+rO 2 1+(g m 3+g mb 3)rO 3 rO 4+rO 3 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第44 页/共57 页第四十五页，共57 页。1 V outmb 2)rO 2共源共栅级屏蔽(pngb)特性X XVou

21、t 端有Vout 的电压跳变时，表现在X 点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点(ji din)对输入管的影响 V X=rO 11+(g m 2+g mb 2)rO 2 rO 1+rO 2 V out(g m 2+g 西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计46第45 页/共57 页第四十六页，共57 页。47共源共栅级折叠式共源共栅共源共栅级由共源级实现电压到电流的转换，然后电流作为(zuwi)输入送到共栅级构成共源共栅级时共源管和共栅管类型可以(ky)不同相同(xin tn)gm 时，直流偏置电流大输入摆幅大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第46 页/共57 页第四十七页，共57 页。

22、48共源共栅级折叠式共源共栅输入(shr)摆幅大西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第47 页/共57 页第四十八页，共57 页。49共源共栅级折叠式共源共栅向上(xingshng)折叠向下(xin xi)折叠西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第48 页/共57 页第四十九页，共57 页。50共源共栅级折叠式共源共栅Folded向上或向下折叠；小信号电流(dinli)流向被改变西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第49 页/共57 页第五十页，共57 页。51共源共栅级折叠式共源共栅大信号(xnho)特性ID2 变为0西电微电子学院董刚模拟集成电

23、路(jchng-dinl)设计第50 页/共57 页第五十一页，共57 页。52共源共栅级折叠式共源共栅输出阻抗(sh ch z kn)比非折叠(zhdi)共源共栅级小R out=1+(g m 2+g mb 2)rO 2(rO 1 rO 3)+rO 2西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第51 页/共57 页第五十二页，共57 页。53共源共栅级主要(zhyo)应用优点(yudin)输出阻抗(sh ch z kn)高高增益屏蔽特性好不足输出摆幅受一定影响折叠共源共栅级直流功耗大应用电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA 等西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第52 页/共5

24、7 页第五十三页，共57 页。54本讲共漏级源跟随(n su)器共栅级共源共栅级折叠(zhdi)共源共栅级手算时器件模型(mxng)和公式的选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第53 页/共57 页第五十四页，共57 页。55手算时器件模型和公式(gngsh)的选择器件(qjin)模型复杂度不同，计算复杂度不同，结果的精度不同电路小信号分析(fnx)或设计过程把复杂电路拆分成自己熟悉的子电路用最简单器件模型分析子电路的小信号特性节点为高阻抗节点时，才计入rO 影响再考虑体效应影响直流偏置的估算开始可以不考虑体效应和沟长调制效应根据计算机仿真结果微调，以修正手算误差通过计算机仿真结果来优化所设计电路西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第54 页/共57 页第五十五页，共57 页。56总结(zngji)共漏级源跟随(n su)器共栅级共源共栅级折叠(zhdi)共源共栅级手算时器件模型和公式的选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第55 页/共57 页第五十六页，共57 页。57作业(zuy)3.15(a)，3.23，3.27分别(fnbi)应用本讲的三部分内容西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第56 页/共57 页第五十七页，共57 页。