CMOS模拟集成电路设计（巢明）07

大连理工大学电信学院 1 CMOS模拟集成电路设计 巢明 大连理工大学电信学院 2 CMOS放大器 课程目的 掌握CMOS反相器的分析设计方法掌握CMOS差分放大器的分析设计方法掌握CMOS叠接放大器的分析设计方法掌握CMOS电流放大器的分析设计方法掌握CMOS输出放大器的分析设计方法掌握各种放大器的噪声分析方法 大连理工大学电信学院 3 运算放大器的层级结构 大连理工大学电信学院 4 运算放大器的性能指标 大信号 电压转移特性摆幅限制小信号 增益输入输出阻抗频率特性其他 噪声功耗温度特性 大连理工大学电信学院 5 CMOS反相器 大连理工大学电信学院 6 有源负载电压转移特性 Vout摆幅 复习 负载线如何确定 大连理工大学电信学院 7 Vout摆幅的求解过程 大连理工大学电信学院 8 有源负载反相器 小信号模型 大连理工大学电信学院 9 有源负载反相器 频率特性 电容间的对应关系 假设Vin接低阻抗电压源 大连理工大学电信学院 10 有源负载反相器 频率特性 大连理工大学电信学院 11 有源负载反相器 频率特性 3dB点的位置 大连理工大学电信学院 12 例题 有源PMOS电阻反相器 W L 1 2um 1um W L 2 1um 1um Cgd1 100fF Cbd1 200fF Cbd2 200fF Cgs2 200fF CL 1pF ID1 ID2 100uA VDD 5V 求 输出电压摆幅 小信号增益 输出电阻 3dB频率0 418 4 3V 1 92V V 9 17 10k 10 2MHz 大连理工大学电信学院 13 电流源负载反相器 Vout摆幅 大连理工大学电信学院 14 Vout摆幅 大连理工大学电信学院 15 电流源负载反相器 小信号模型 重要结论 大连理工大学电信学院 16 有源负载反相器 频率特性 电容间的对应关系 假设Vin接低阻抗电压源 大连理工大学电信学院 17 有源负载反相器 频率特性 大连理工大学电信学院 18 推挽反相器 Vout摆幅 大连理工大学电信学院 19 推挽反相器 小信号模型 大连理工大学电信学院 20 例题 推挽型CMOS放大器 W1 L1 1um W2 2um L2 1um VDD 5V Cgd1 Cgd2 100fF Cbd1 200fF Cbd2 200fF Cgs2 200fF CL 1pF 假设ID1 ID2 300uA 计算输出摆幅 小信号特性 频率特性 AV 18 6V V Rout 37 7K f 3dB 2 86MHz 大连理工大学电信学院 21 推挽反相器 小信号特性 大连理工大学电信学院 22 噪声分析 动态负载型 将MOS管中所有噪声等效为栅级电压噪声 共源配置 由此计算出噪声输出电压谱密度 假设所有源可叠加 将噪声输出电压折合到输入端 得到等效输入噪声公式将不同性质的噪声 热噪声 1 f噪声 带入 大连理工大学电信学院 23 噪声分析 动态负载型 减小1 f噪声 让L1 L2减小W1M1使用PMOS减小热噪声 增加放大器增益 大连理工大学电信学院 24 噪声分析 动态负载型 en2对输出噪声的贡献可得对噪声的增益约为1 大连理工大学电信学院 25 噪声分析 电流源负载型 大连理工大学电信学院 26 噪声分析 推挽型 大连理工大学电信学院 27 大连理工大学电信学院 28 课后作业 推导三种反相放大器的噪声特性P188 5 1 6P188 5 1 9P188 5 1 10P189 5 1 14 大连理工大学电信学院 29 CMOS差分放大器 AVD 差分增益AVC 共模增益AVD AVC 共模抑制比VOS out AVC 输入失调电压VICMR 共模输入电压范围PSRR 电源抑制比噪声 大连理工大学电信学院 30 差分放大器的跨导特性 以P阱NMOS工艺为例M1与M2的源极接法对大信号特性有什么影响 大连理工大学电信学院 31 差分放大器的跨导特性 由方程 可解得通过MOS管的电流与差分电压的关系 大连理工大学电信学院 32 差分放大器的跨导特性 注意虚线部分 表示什么 大连理工大学电信学院 33 差分放大器的跨导特性 对前面电流公式求Vid为零处对vid的偏导与简单反相放大器比较 有什么区别 大连理工大学电信学院 34 镜像电流源负载的差分放大器 M2饱和 M4饱和 如何得到VSG4 大连理工大学电信学院 35 共模电压范围 ICMR 将VID置零 变化VIC直到有MOS管离开饱和区最高共模电压最低共模电压 大连理工大学电信学院 36 小信号分析 交流短路输出电流 其中 大连理工大学电信学院 37 小信号分析 续 输出电阻差分电压增益假设所有MOS管饱和 用大信号参数表示Av 联想电流源负载反相放大器 大连理工大学电信学院 38 共模增益与共模抑制比 共模增益共模抑制比 大连理工大学电信学院 39 差分放大器的频率响应 忽略C3情况下有 大连理工大学电信学院 40 小信号特性的直觉分析方法 第一步 找到将输入电压转为电流的MOS管 跨导管 第二步 跟踪电流 直到其流入一个对地的等效电阻第三步 电流乘电阻 得到该节点的电压第四部 重复以上 直到得到输出节点电压 大连理工大学电信学院 41 例题 写出该电路的输出电压 大连理工大学电信学院 42 差分电路的直觉分析 大连理工大学电信学院 43 差分电路的噪声分析 大连理工大学电信学院 44 差分电路的噪声分析 大连理工大学电信学院 45 差分放大器的设计 大连理工大学电信学院 46 差分放大器的设计 大连理工大学电信学院 47 例题 设计一个电流镜负载MOS差分放大器 要求如下 VDD VSS 2 5V 在CL 5pF时SR 10V uS 3dB频率为100kHz 小信号增益为40dB 共模电压范围 1 5到2V 功耗小于1mW 使用典型1um工艺参数 大连理工大学电信学院 48 例题 续 1 由压摆率得ISS必须大于50uA 由功耗得ISS必须小于200uA 2 由 3dB频率得Rout小于318K 则进一步限制ISS必须大于70uA 让我们先取ISS为100uA 3 由共模电压最大值得出M3管的宽长比为8 大连理工大学电信学院 49 例题 续 4 由增益为100可推算M1和M2管的宽长比约为18 4 5 由共模电压最小值为 1 5V可推算M5管的宽长比为17 4 考虑到VT可能出现的差异 我们可以增大M1 M2的宽长比以获得一定的共模电压容限 同时gm将增加 结果 M1 M2的宽长比选取为40 M5的宽长比为9 大连理工大学电信学院 50 叠接放大器 使用叠接放大器的理由 1 高输出阻抗 从而高增益 2 降低了Cgd1寄生电容的Miller效应 大部分Vout电压降落在M2管两端 使v1较小 大连理工大学电信学院 51 叠接放大器的大信号特性 大连理工大学电信学院 52 叠接放大器的大信号特性 当VGG2 VGS2 VGS1 VT时M1饱和 vIN 0 5 VGG2 VTN VGS1 VGS2当VDS2 VGS2 VTN时M2饱和 vOUT VDS1 VGG2 VDS1 VTN vOUT VGG2 VTN当VDD vOUT VDD VGG3 VTP 时M3饱和 vOUT VGG3 VTP 最大输出电压Vout ma