模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)

,模拟集成电路原理,第3章单级放大器,董刚,gdong,微电子学院,1,2,上一讲,基本概念,简化模型开关结构符号,I/V特性阈值电压,I-V关系式跨导,二级效应,体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性,器件模型,版图、电容、小信号模型等,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,3,MOS饱和区时的小信号模型,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,ID,W,L,=,W,=nC(VGSVTH),饱和区时,ox,L,4,跨导gm,VGS对IDS的控制能力,IDS对VGS变化的灵敏度,gm=gm=2nCoxIDVGSVDSconstant2IDVGSVTH西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,5,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的MOS管做负载共源级电流源做负载,共源级深线性区MOS管做负载共源级带源极负反馈,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,6,信号放大,基本功能,为什么信号需要放大？,信号太小，不能驱动负载降低后续噪声影响,用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入,/输出电阻、提高增益精度等,单级放大器,学习其分析方法,理解复杂电路的基础,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,7,放大器基础知识,输入输出关系,在一定信号范围内可用非线性函数表示,在取值范围足够小时,a0是直流偏置点，a1是小信号增益,当x(t)变化幅度过大时会影响偏置点，需用大信号分析；会影响线性度,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,8,放大器的性能参数,参数之间互相制约，设计时需要在这些参数间折衷,AIC设计的八边形法则,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,9,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的MOS管做负载共源级电流源做负载,共源级深线性区MOS管做负载共源级带源极负反馈,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,10,共源级电阻做负载,大信号分析,饱和区时,转换点Vin1,线性区时,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,11,共源级电阻做负载,大信号分析,线性区时,深线性区时,Vout2(VinVTH),西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,12,共源级电阻做负载小信号分析饱和区时大信号关系式,小信号增益,与小信号等效电,路结果一致增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,W,L,13,共源级电阻做负载Av的最大化Av=gmRD,Av=2nCox,WL,VRDID,gm=nC,ox,(VGSVTH),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西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,14,共源级电阻做负载,考虑沟长调制效应,ID=1/rO,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,15,共源级电阻做负载,考虑沟长调制效应,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,16,共源级电流源做负载能获得较大的增益Av=gm(ro|RD),Av=gmro,本征增益,本征增益为多大？西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,=,17,共源级电流源做负载本征增益,Av=gmrogm=,2IDVGSVTH,rO=,1ID,Av=,(VGS,22VAVTH)VOV,VOV一般不能随工艺下降，要保证强反型（100mV以上），一般取200mV本征增益约50110,0.4m工艺时最小L的NMOS管VA,NMOS=11V，VA,PMOS=5.5V西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,L增大时可以更大1/gm1/gm时，Gm1/RS西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,=,38,共源级带源极负反馈考虑gmb和rO的等效跨导Gm和增益,Gm=,IoutgmroVinRS+1+(gm+gmb)RSro,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,39,共源级带源极负反馈,跨导Gm和增益的比较,Gm=,gm1+gmRS,Av=GmRD,=,gmRD1+gmRS,当RS=0时,当RS0时,Vin较小时，1/gmRS，Gmgm；Vin增小时，负反馈效应显现西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,40,共源级带源极负反馈,Av=,gmRD1+gmRS,=,RD1/gm+RS,Av=“在漏极节点看到的电阻”/“在源极通路上看到的电阻”可以极大地简化更复杂电路的分析西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,41,共源级带源极负反馈输出电阻ROUT=1+(gm+gmb)roRS+roROUT=roro1+(gm+gmb)RS,输出电阻增大了很多,Av=GmRD|ro,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,Ioutgmr,Gm=,共源级带源极负反馈考虑体效应和沟长调制效应后的增益VinRS+1+(gm+gmb)RSro,Gm,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,输出电阻,42,43,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的MOS管