模拟cmos集成电路设计拉扎维单级放大器二图文PPT学习教案

1、会计学1模拟模拟(mn)cmos集成电路设计拉扎维单集成电路设计拉扎维单级放大器二图文级放大器二图文第一页，共56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集成电路(jchng-dinl)设计第1页/共56页第二页，共56页。4上一讲电流(dinli)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2页/共56页第

2、三页，共56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(kn nn)；受工艺、温度变化影响比较大，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集成电路(jchng-dinl)设计第3页/共56页第四页，共56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，提高(t go)线性度输出电阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro牺牲了增益A v = G m R D= g m R D1 + g m R S西

3、电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第4页/共56页第五页，共56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”，用同样(tngyng)方法西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第5页/共56页第六页，共56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模型和公式(gngsh)的选择西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第6页/共56页第七页，共56页。9源跟随(n su)器大信号特性西

4、电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第7页/共56页第八页，共56页。10源跟随(n su)器小信号特性增益西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第8页/共56页第九页，共56页。Av =11111源跟随器增益(zngy)随Vin的变化Vout=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 2F +VSB西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第9页/共56页第十页，共56页。Av =11112源

5、跟随(n su)器增益的非线性Vout=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 2F +VSB西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第10页/共56页第十一页，共56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

6、1+西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第11页/共56页第十二页，共56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(jchng-dinl)设计第12页/共56页第十三页，共56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西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第13页/共56页第十四页，共56页。16源跟

7、随(n su)器小信号特性RinIinRin =VinI in低频下，Iin=0，因此，Rin=西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第14页/共56页第十五页，共56页。()17源跟随器小信号(xnho)特性RoutRout=1g m + g mb输出电阻小驱动低阻负载时的阻抗(zkng)转换电路VTH = VTH 0 + 2F + VSB 2F西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第15页/共56页第十六页，共56页。A v =18源跟随(n su)器PMOS管做源随管采用(ciyng)PMOS管做源随管，能消除体效应g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 提高(t

8、 go)了线性度1 + g m 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16页/共56页第十七页，共56页。19源跟随(n su)器PMOS管做源随管采用PMOS管做源随管，能消除体效应在相同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17页/共56页第十八页，共56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 VGS

9、1 VTH保证M2、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18页/共56页第十九页，共56页。21源跟随器主要应用(yngyng)电压缓冲器输入阻抗大，输出阻抗小。在高输出阻抗电路（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19页/共56页第二十页，共56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)的选择西电微电

10、子学院董刚模拟集成电路设计第20页/共56页第二十一页，共56页。23共栅级简介(jin ji)源端输入(shr)直流耦合，交流(jioli)耦合西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第21页/共56页第二十二页，共56页。饱和区1WL24共栅级大信号(xnho)特性VbVTH线性区截止(jizh)区饱和(boh)区时 Vout= 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22页/共56页第二十三页，共56页。1WL25共栅级小信号(xnho)特性增益Vout= VDD n COX2(Vb Vin VTH )2 R D求Vout / Vin，得：A

11、v = g m (1 + ) RD从小信号等效电路可得到相同结果体效应(xioyng)使跨导增大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第23页/共56页第二十四页，共56页。RD26共栅级考虑rO和RS影响(yngxing)后的增益根据基尔霍夫电流(dinli)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24页/共56页第二十五页，共56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(shr)信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用已

12、知的Av公式Av =(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RDRD西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第25页/共56页第二十六页，共56页。28共栅级实例(shl)1求增益西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第26页/共56页第二十七页，共56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

13、RS + RS + RDRD西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第27页/共56页第二十八页，共56页。= RP = RD RP30共栅级实例2求增益输入信号(xnho)为电流信号(xnho) 思路：用戴维宁定理，把输入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 + 1 ro + ( gm + gmb )ro RP + RP + RD 西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第28页/共56页第二十九页，共56页。Vin31共栅级小信号特性Rin从M1管源端看进去(jn q)的电阻求 ，得：Rin = 1/

14、gm (1+)Iin输入阻抗(sh r z kn)小西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第29页/共56页第三十页，共56页。32共栅级低Rin特性(txng)的应用根据(gnj)传输线理论：对于50传输线，接收端匹配50电阻(dinz)时，反射回来的能量最小，功率传输效率最高a结构电压增益为结构电压增益为gm150; b结构为结构为gm1RDRin = 1 / g m (1 + ), g m = 2nCOX (W / L) I D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第30页/共56页第三十一页，共56页。+33共栅级考虑(kol)rO后的Rin求VX/IX得RinRin =RD +

15、 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)董刚模拟集成电路设计第31页/共56页第三十二页，共56页。+34共栅级考虑rO后的Rin只有(zhyu)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32页/共56页第三十三页，共56页。35共栅级小信号(xnho)特性Rout计算结

16、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33页/共56页第三十四页，共56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34页/共56页第三十五页，共56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35页/共56页第三十六页，共56页。38共源共栅级简介(jin

17、 ji)共源级共栅级有重要(zhngyo)应用西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第36页/共56页第三十七页，共56页。239共源共栅级偏置(pin zh)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37页/共56页第三十八页，共56页。40共源共栅级大信号(xnho)特性Vin大于大于VTH1后继续增大，则：后继续增大，则：ID增大，增大，VGS2增增大，大，VX减小，到一定减小，到一定(ydng)值时值时M1或或M2进入线性进入线性区，增益（区，增

18、益（Vout曲线斜率）减小曲线斜率）减小西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第38页/共56页第三十九页，共56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管的跨导和体效应(xioyng)无关西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第39页/共56页第四十页，共56页。42共源共栅级小信号(xnho)特性Rout计算(j sun)思路：负反馈电阻为rO1的共源级；输入信号(xnho)内阻为RS的共栅级R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2M2管将管将M1管的输出阻抗提

19、高为原来的（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40页/共56页第四十一页，共56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：Rout ( 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

20、 )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41页/共56页第四十二页，共56页。44共源共栅级Rout的比较(bjio)rO4rO约为（gmrO ）rOrO =1 I D, 1L相同(xin tn)ID下，（c）的Rout最大西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第42页/共56页第四十三页，共56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

21、 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43页/共56页第四十四页，共56页。1 V outmb 2 ) rO 2共源共栅级屏蔽(pngb)特性XXVout端有端有Vout的电压的电压(diny)跳变时，表现在跳变时，表现在X点的电压点的电压(diny)跳变很跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响小，屏蔽了输出节点对输入管的影响 V X =rO 11 + ( g m 2 + g mb 2

22、 ) rO 2 rO 1 + rO 2 V out( g m 2 + g 西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计46第44页/共56页第四十五页，共56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，然后电流作为输入送到共栅级构成(guchng)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45页/共56页第四十六页，共56页。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董刚模拟(mn)集成电路设计第46页/共56页第四十七页，共56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董刚模拟(mn)集成电路设计第47页/共56页第四十八页，共56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48页/共56页第四十九页，共56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路(jchng-dinl)设计第49页/共56页第五十页，共56页。52共源共栅级折叠式共源共栅输出阻抗(sh ch