CMOS模拟电路基本单元(课件3)

CMOS模拟电路基本单元(课件3)第一页，共49页。CMOS模拟集成电路基本单元一、模拟开关二、有源电阻三、电流源和电流沉四、电流镜五、CMOS基本放大器六、CMOS差分放大器七、CMOS基准源八、CMOS振荡器第二页，共49页。一、模拟开关模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用；分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关；对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求Vout≈Vin，即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。

第三页，共49页。NMOS模拟开关非理想模型VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和B之间存在的电压。IOFF表示开关关断时流过的漏电流。CA、CB、CAB和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采样保持电路性能有较大的影响。

NMOS模拟开关的非理想模型即三端网络，端口A和B为开关的输入输出端，C为电压控制端。理想情况下，RON为零，而ROFF为无穷大。为了降低总谐波失真，RON与控制电压的关系应为线性关系。第四页，共49页。NMOS模拟开关的导通电压-电流特性当NMOS模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为

0<VDS<VGS-VT导通电阻为

当NMOS模拟开关处于关断状态时，即VGS<VT，如VDS≈0，则iDS=IOFF=0；如VDS>0，则ROFF≈1/iDSλ=1/IOFFλ≈∞。第五页，共49页。NMOS模拟开关的导通电压-电流特性W＝L＝3μm

VGS一定时，沟道电流随着VDS增加而线性增加；当VDS一定时，沟道电流随着VGS增加而增加。

多种宽长比NMOS模拟开关导通电阻与VGS之间的关系，当VGS一定时，导通电阻随着W/L的增加而减小；当W/L一定时，导通电阻随着VGS增加而减小。

第六页，共49页。NMOS模拟开关的非理想效应及解决方法动态范围小和时钟馈通效应;时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制信号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和CGD使NMOS的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调；CMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动态范围，减小时钟馈通效应；第七页，共49页。二、有源电阻CMOS模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩散和多晶（Poly）实现精确的电阻值。在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非常小的版图面积。

第八页，共49页。有源电阻分压电路及并联电阻第九页，共49页。三、电流源和电流沉电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，和加在MOS两端的电压无关。一般来说，电流沉的负端电压接VSS，而电流源的正端电压接Vdd。MOS工作在饱和区。

第十页，共49页。电流源电流源的源漏电压应大于VMIN才能正常工作

需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加稳定；需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能在较宽的输出电压范围V内工作。目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用Cascode结构。

第十一页，共49页。电流源输出电阻提高技术第十二页，共49页。电流源输出电阻提高技术——Cascode第十三页，共49页。四、电流镜（电流放大器）基本原理：如果两个NMOS（PMOS）的栅源电压相同，则沟道电流也相同。

第十四页，共49页。NMOS基本电流镜电路及特性（1）输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完全由集成电路设计人员控制；（2）当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流

第十五页，共49页。MOS电流镜的非理想效应MOS晶体管几何尺寸不匹配。集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。MOS晶体管阈值电压不匹配。在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。沟道长度调制效应。特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应第十六页，共49页。Wilson电流镜

当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不完全等于输入电流。解决方法是Wilson或Cascode电流镜；Wilson电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻；如果输出电流增加，则通过M2的电流也增加，而且由于M1和M2的镜像关系使输入电流也增加如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，M3的栅电压减小，抑制输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性

第十七页，共49页。CascodeNMOS电流镜第十八页，共49页。五、CMOS基本放大器放大器是集成电路的最基本单元电路之一；

用于提高模拟电路的驱动能力，也可以应用于于反馈系统；基本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏及Cascade放大器；掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出电阻简化公式第十九页，共49页。CMOS共源放大器

共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。

第二十页，共49页。CMOS共源放大器第二十一页，共49页。CMOS共源放大器由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在饱和区

增加NMOS的W/L或减小源漏电流或增大RD的压降都可以提高共源放大器的小信号增益；常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅第二十二页，共49页。CMOS共漏放大器对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻;如果共源放大器驱动底阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。

第二十三页，共49页。CMOS共漏放大器当Vin<VTN时，NMOSM1截止，输出电压Vout等于零;随着输入电压的增大并超过VTN，M1由导通进入饱和工作状态，Vout开始随着输入电压的增加而增加;进一步增大Vin，Vout将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为VGS

共漏放大器的输入－输出特性可以表示为

第二十四页，共49页。CMOS共栅放大器在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共栅放大器就是利用这个特性所实现的当输入电压Vin较大时，即Vin≥Vb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout等于VDD

第二十五页，共49页。CMOS共栅放大器当Vin<Vb-VTH时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为进一步减小Vin，Vout逐渐减小，M1开始进入线性区，即如果M1工作在饱和区，则输出电压为

第二十六页，共49页。CMOS共源共栅放大器共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流，而共源放大器则将输入电流信号转换成输出电压如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放大器，即级联三极管（Cascode）放大器NMOSM1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，M2将漏电流转换成输出电压Vout，所以M1为输入器件，M2为共源共栅器件。

第二十七页，共49页。CMOS共源共栅放大器为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足VX≥Vin－VTH1

假如M1和M2都处于饱和区，则VX主要由偏置电压Vb决定：VX＝Vb－VGS2，所以必须保证Vb－VGS2≥Vin－VTH1，即Vb≥Vin－VTH1＋VGS2为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足Vout≥Vb－VTH2，为了保证M1和M2都处于饱和区，则必须满足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，但是M2的增加会使放大器的输出电压摆幅减小第二十八页，共49页。CMOS共源共栅放大器当Vin<VTH1时，M1和M2处于截止状态，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；当Vin≥VTH1时，M1将输入电压转换成漏电流，并使输出电压Vout下降，但漏电流的增加使M2的栅源电压VGS2也随着增加，从而导致VX下降;当Vin继续增加，从而导致两个结果：(1)VX降到比Vin低一个阈值电压VTH1，使M1进入线性区；(2)Vout降到比偏置电压Vb低一个阈值电压VTH2，使M2进入线性区。如果Vb比较低的时候，M1会先进入线性区；如果M2进入深线性区，VX和Vout将近似相等。Cascode放大器的一个重要特性就是输出阻抗很高，M2将M1的输出阻抗提高至原来的（gm2+gmb2）RO2倍，其中RO2为M2的输出阻抗第二十九页，共49页。六、CMOS差分放大器在现代模拟集成电路设计中，CMOS差分放大器是一种应用非常广泛的子电路；差分放大器只对两个不同电压的差进行放大而不管其共模值；在CMOS差分放大器中，最严重的是电压失调，其主要由MOS晶体管尺寸的不匹配性及工艺偏差等因素造成的；如果将差分放大器的两个输入端连在一起，在输出端所测到的电压为输出失调电压。如果将这个电压除以放大器的差分电压增益，所得到的失调电压称为输入失调电压；在实际集成电路设计中，一般将直接测到的输出失调电压称为失调电压，CMOS差分放大器的失调电压一般为2~20mV；第三十页，共49页。CMOS差分放大器

第三十一页，共49页。NMOS输入CMOS差分放大器工作原理NMOS晶体管M1和M2作为差分放大器的输入器件，ISS是电流沉，PMOS晶体管M3和M4构成电流镜分别作为M1和M2的负载。如果M3和M4完全匹配，则M1的源漏电流大小就决定了M3电流的大小，并将电流镜像到M4。如果VGS1＝VGS2，则M1和M2的电流相等，输出电流iout等于零；如果VGS1>VGS2，由于ISS＝iD1＋iD2，iD1相对iD2要增加，iD1的增大意味着电流iD3和iD4也增加，根据基尔霍夫电流定律（KCL），iD2应小于iD4，即输出电流iout>0；如果VGS1<VGS2，同样输出电流iout<0

第三十二页，共49页。CMOS差分放大器的大信号特性假设M1和M2工作在饱和态，且M1和M2尺寸完全匹配，则大信号性能的关系式为

可以解出iD1和iD2CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线

第三十三页，共49页。CMOS差分放大器的电压电流转移以上分析中采用差分输入电压VID来表示iD1和iD2，是电压－电流转移函数，但它和电压转移函数一样是很有用处的，所以CMOS差分放大器也是差分跨导放大器（OTA），大信号转移特性曲线的斜率为CMOS差分放大器的跨导。将式iD1对VID取导数，并令VID＝0，求得CMOS差分放大器的单边差分跨导为

当ISS增加时，差分跨导也增加，即直流参数可以控制小信号特性对于差分输入、差分输出的双边跨导gmd为当ID=ISS/2时，双边跨导等于单边跨导的两倍

负载电阻为RL

第三十四页，共49页。CMOS差分放大器电压转移特性

图为NMOS输入差分放大器的模拟电压转移特性曲线，其中VDD＝5V，VSS＝-5V，输入晶体管M1的栅电压V＋，M2的栅电压V－分别为-1V、0V和1V当输入器件都处于饱和特性时，曲线为近似线性，此时的VID较小；共模输入电压对转移特性，特别是输出信号摆幅有明显的影响.第三十五页，共49页。CMOS差分放大器输入共模电压特性M1或M2的最小输入电压为当M1饱和时，VDS1的最小绝对值为VGS3代入

采用同样的方法分析得到M1的最大输入电压要获得最大的共模输入电压范围，应尽可能增加M1和M3的宽长比，并尽量减小VDS5的绝对值。所以，ISS变得越小，则输入共模电压范围就越大

第三十六页，共49页。CMOS差分放大器的小信号特性图为NMOS输入CMOS差分放大器的小信号等效电路，用于器件完全匹配的差分放大器分析，其中输入NMOS晶体管的M1和M2的源极是交流地电位。

如果假设差分放大器没有负载，则当输出级和交流地短路时，其差分跨导增益为

其中

第三十七页，共49页。CMOS差分放大器的小信号特性无负载差分电压增益可以由差分放大器的小信号输出电阻rout决定：其中gmd=gm1=gm2

假设（W/L）1,2=10/10um，ISS＝10uA，则NMOS输入差分放大器的小信号电压增益约为87，而PMOS输入差分放大器的小信号增益为60，两者的差别是由电子和空穴不同迁移率所造成的。

CMOS差分放大器的频率响应主要由电路各节点的寄生电容所决定，图中的虚线电容为等效寄生电容，其中C1包括Cgd1、Cbd1、Cbd3、Cgs3和Cgs4，C2包括Cbd2、Cbd4、Cgd2和负载电容CL，C3只包括Cgd4。为了简化分析，假设C3为零。

第三十八页，共49页。CMOS差分放大器的小信号特性电压转移函数为

其中

假设

频率响应可以简化为

频率响应一级分析表明，在输出端有一个由（gds2+gds4）/C2决定的单极点。

CMOS差分放大器的转换速率（SR）与ISS值和输出端到交流地之间地电容有关

第三十九页，共49页。七、CMOS基准源在模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)等混合信号集成电路设计中，基准源电路设计是关键子电路之一；带隙基准源是目前应用最广泛、性能最优化的基准源电路，可以实现高性能的电压基准源、电流基准源及与温度正比（PTAT）基准源；电源灵敏度SVDD和温度系数TC；

第四十页，共49页。简单基准源不同电位的分压电路可以实现简单的基准电压源，其中无源器件和有源器件都可构成分压电路

（a）有源基准源（b）PN结基准源（c）改进的PN结基准源

第四十一页，共49页。VTCMOS基准源由于有源器件两端的电压灵敏度小于1，所以如果有源器件上的电压用于产生基本电流，则可以得到一个与电源电压VDD无关的电流和电压。基于这种技术所实现的基准源为VT基准源，又称为自举基准源图是基于CMOS工艺所实现的VT基准源电路，其中电流镜M3和M4使电流I1和I2相等，I1流过M1产生电压VGS1，I2流过电阻R产生压降I2R，由于VGS1＝I2R，所以形成平衡点。第四十二页，共49页。VTCMOS基准源VT基准源的平衡点方程为

迭代求出基本电流I1和I2不随VDD的变化而变化，所以基本电流对VDD的灵敏度基本为零。所以要获得基准电压或基准电流，则只要通过M5取镜像电流，串联电阻即可获得基准电压。在实际集成电路设计中，VT基准源存在两个平衡点，即零点和平衡点Q。为了防止电路工作在不恰当的平衡点，需要额外增加启动电路。如果电路工作在零点，则I1和I2均为零，但是M7可以向M1提供一个电流使电路移到平衡点Q工作。当电路接近Q点时，M7的源电压增加使得通过M7的电流减小。工作在Q点时，通过M1的电流基本上等于M3的电流。

第四