模擬cmos集成電路設(shè)計拉扎維單級放大器二圖文PPT學習教案

1、會計學1模擬模擬(mn)cmos集成電路設(shè)計拉扎維單集成電路設(shè)計拉扎維單級放大器二圖文級放大器二圖文第一頁，共56頁。3上一講二極管接法的MOS 管做負載的共源級線性度好，輸出(shch)擺幅小，增益不能太大（否則擺幅小、帶寬小）Av = (W / L)1 1(W / L)2 1 + A v = n (W / L ) 1 p (W / L ) 2西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第1頁/共56頁第二頁，共56頁。4上一講電流(dinli)源做負載的共源級增益(zngy)大Av = gm ro1 | ro2西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第2頁/共56頁第

2、三頁，共56頁。 W 5上一講深線性區(qū)MOS管做負載的共源級輸出擺幅大（可以為VDD）得到精準的Ron2比較困難(kn nn)；受工藝、溫度變化影響比較大，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的Vb比較難RON 2 =nCox L 21(VDD Vb | VTHP |)Av = gm RON2西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第3頁/共56頁第四頁，共56頁。6上一講帶源極負反饋的共源級Rs使Gm和增益變?yōu)間m的弱函數(shù)，提高(t go)線性度輸出電阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro犧牲了增益A v = G m R D= g m R D1 + g m R S西

3、電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第4頁/共56頁第五頁，共56頁。VX 1Rout = =7如何求“從M1源端看進去(jn q)的電阻”？QV1 = VX , IX gmVX gmbVX = 0IX gm + gmb求從“？端看進去的電阻”，用同樣(tngyng)方法西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第5頁/共56頁第六頁，共56頁。8本講共漏級源跟隨(n su)器共柵級共源共柵級折疊(zhdi)共源共柵級手算時器件模型和公式(gngsh)的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第6頁/共56頁第七頁，共56頁。9源跟隨(n su)器大信號特性西

4、電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第7頁/共56頁第八頁，共56頁。10源跟隨(n su)器小信號特性增益西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第8頁/共56頁第九頁，共56頁。Av =11111源跟隨器增益(zngy)隨Vin的變化Vout=1V時，=0.163 (當g m RS 足夠(zgu)大時)g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + g m RS1+ (1 +g mbg m=) =1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第9頁/共56頁第十頁，共56頁。Av =11112源

5、跟隨(n su)器增益的非線性Vout=1V時，=0.163 (當g m RS 足夠(zgu)大時)g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + g m RS1+ (1 +g mbg m=) =1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第10頁/共56頁第十一頁，共56頁。=v13源跟隨(n su)器提高增益的線性度Av =gmRS gm gm1+ (gm + gmb)RS 1 + (gm + gmb) gm + gmbRS(當RS = 時)仍存在非線性，因為（）gmb隨Vin的變化而改變。A = 1源隨器通常有百分之幾的非線性

6、1+西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第11頁/共56頁第十二頁，共56頁。14源跟隨器提高增益的線性度采用PMOS管做源隨管，消除(xioch)體效應小信號等效電路Av =gm1(rO1 rO1)1+ gm1(rO1 rO1)提高了線性度輸出電阻比NMOS管的大西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第12頁/共56頁第十三頁，共56頁。gmbAv = 1gm115源跟隨器考慮(kol)rO和RL后的增益1| ro1 | ro2 | RL| ro1 | ro2 | RL +gmb西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第13頁/共56頁第十四頁，共56頁。16源跟

7、隨(n su)器小信號特性RinIinRin =VinI in低頻下，Iin=0，因此，Rin=西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第14頁/共56頁第十五頁，共56頁。()17源跟隨器小信號(xnho)特性RoutRout=1g m + g mb輸出電阻小驅(qū)動低阻負載時的阻抗(zkng)轉(zhuǎn)換電路VTH = VTH 0 + 2F + VSB 2F西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第15頁/共56頁第十六頁，共56頁。A v =18源跟隨(n su)器PMOS管做源隨管采用(ciyng)PMOS管做源隨管，能消除體效應g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 提高(t

8、 go)了線性度1 + g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 源-襯寄生電容降低帶寬西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第16頁/共56頁第十七頁，共56頁。19源跟隨(n su)器PMOS管做源隨管采用PMOS管做源隨管，能消除體效應在相同W/L和ID情況下，比NMOS管的大R out=1g mrO 1 r O 2 1g mR out , NMOS =g m1+ g mb西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第17頁/共56頁第十八頁，共56頁。20源跟隨(n su)器擺幅問題源跟隨器會使信號(xnho)直流電平產(chǎn)生VGS的平移，降低(jingd)信號擺幅保證M1工作在飽和區(qū)VX VGS

9、1 VTH保證M2、M3都工作在飽和區(qū)V X (VGS 3 VTH ) + VGS 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第18頁/共56頁第十九頁，共56頁。21源跟隨器主要應用(yngyng)電壓緩沖器輸入阻抗大，輸出阻抗小。在高輸出阻抗電路（如電流源負載的共源級）驅(qū)動低阻負載時，插入源隨器做電壓緩沖級，實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換電壓平移電路VGS = VTH + VOV =2ICOXWL西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第19頁/共56頁第二十頁，共56頁。22本講共漏級源跟隨(n su)器共柵級共源共柵級折疊(zhdi)共源共柵級手算時器件模型和公式(gngsh)的選擇西電微電

10、子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第20頁/共56頁第二十一頁，共56頁。23共柵級簡介(jin ji)源端輸入(shr)直流耦合，交流(jioli)耦合西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第21頁/共56頁第二十二頁，共56頁。飽和區(qū)1WL24共柵級大信號(xnho)特性VbVTH線性區(qū)截止(jizh)區(qū)飽和(boh)區(qū)時 Vout= VDD n COX2(Vb Vin VTH )2 R D西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第22頁/共56頁第二十三頁，共56頁。1WL25共柵級小信號(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從小信號等效電路可得到相同結(jié)果體效應(xioyng)使跨導增大西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第23頁/共56頁第二十四頁，共56頁。RD26共柵級考慮rO和RS影響(yngxing)后的增益根據(jù)基爾霍夫電流(dinli)定律，列 Av =方程組可解得(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RD西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第24頁/共56頁第二十五頁，共56頁。27共柵級實例1求增益思路：利用戴維寧定理（等效電壓源定理），把輸入(shr)信號轉(zhuǎn)換為帶內(nèi)阻的電壓源的形式；再利用已

12、知的Av公式Av =(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RDRD西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第25頁/共56頁第二十六頁，共56頁。28共柵級實例(shl)1求增益西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第26頁/共56頁第二十七頁，共56頁。1 129共柵級實例(shl)1求增益Vin ,eq =rO11rO1g mb1+g mb1 g m1VinReq = rO11g mb11g m1將結(jié)果(ji gu)帶入右式中即可Av =(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro

13、RS + RS + RDRD西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第27頁/共56頁第二十八頁，共56頁。= RP = RD RP30共柵級實例2求增益輸入信號(xnho)為電流信號(xnho) 思路：用戴維寧定理，把輸入電流信號轉(zhuǎn)換為帶內(nèi)阻的電壓源的形式；再利用實例1的結(jié)果Vout VoutIin Vin ( gm + gmb )ro + 1 ro + ( gm + gmb )ro RP + RP + RD 西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第28頁/共56頁第二十九頁，共56頁。Vin31共柵級小信號特性Rin從M1管源端看進去(jn q)的電阻求 ，得：Rin = 1/

14、gm (1+)Iin輸入阻抗(sh r z kn)小西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第29頁/共56頁第三十頁，共56頁。32共柵級低Rin特性(txng)的應用根據(jù)(gnj)傳輸線理論：對于50傳輸線，接收端匹配50電阻(dinz)時，反射回來的能量最小，功率傳輸效率最高a結(jié)構(gòu)電壓增益為結(jié)構(gòu)電壓增益為gm150; b結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為gm1RDRin = 1 / g m (1 + ), g m = 2nCOX (W / L) I D西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第30頁/共56頁第三十一頁，共56頁。+33共柵級考慮(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西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第31頁/共56頁第三十二頁，共56頁。+34共柵級考慮rO后的Rin只有(zhyu)當RD較小時，Rin才會較小當RD很大時，Rin會很大RD無窮大時，Rin無窮大Rin =RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第32頁/共56頁第三十三頁，共56頁。35共柵級小信號(xnho)特性Rout計算結(jié)

16、果同帶源極負反饋的共源級的RoutRout = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro | RD輸出電阻很大西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第33頁/共56頁第三十四頁，共56頁。36共柵級主要(zhyo)應用輸入信號為電流(dinli)信號的情形與共源級結(jié)合(jih)構(gòu)成共源共柵級西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第34頁/共56頁第三十五頁，共56頁。37本講共漏級源跟隨(n su)器共柵級共源共柵級折疊(zhdi)共源共柵級手算時器件(qjin)模型和公式的選擇西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第35頁/共56頁第三十六頁，共56頁。38共源共柵級簡介(jin

17、 ji)共源級共柵級有重要(zhngyo)應用西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第36頁/共56頁第三十七頁，共56頁。239共源共柵級偏置(pin zh)要求要求M1和M2都飽和區(qū)V b V ov 1 + V GS輸入(shr)器件共源共柵器件(qjin)V out V ov 1 + V ov 2西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第37頁/共56頁第三十八頁，共56頁。40共源共柵級大信號(xnho)特性Vin大于大于VTH1后繼續(xù)增大，則：后繼續(xù)增大，則：ID增大，增大，VGS2增增大，大，VX減小，到一定減小，到一定(ydng)值時值時M1或或M2進入線性進入線性區(qū)，增益（區(qū)，增

18、益（Vout曲線斜率）減小曲線斜率）減小西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第38頁/共56頁第三十九頁，共56頁。41共源共柵級小信號特性(txng)增益=0時A v = g m 1 R D與M2管的跨導和體效應(xioyng)無關(guān)西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第39頁/共56頁第四十頁，共56頁。42共源共柵級小信號(xnho)特性Rout計算(j sun)思路：負反饋電阻為rO1的共源級；輸入信號(xnho)內(nèi)阻為RS的共柵級R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2M2管將管將M1管的輸出阻抗提

19、高為原來的（管的輸出阻抗提高為原來的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于實現(xiàn)高增益西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第40頁/共56頁第四十一頁，共56頁。43共源共柵級小信號(xnho)特性Rout增加(zngji)共柵管的級數(shù)能進一步提高Rout：Rout ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 ( g m 2 + g mb 2 )rO 2 rO1代價(diji)是減小信號擺幅：V out V ov 1 + V ov 2 + V ov 3Rout = 1 + ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 從M2漏端看進去的電阻 + 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西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第41頁/共56頁第四十二頁，共56頁。44共源共柵級Rout的比較(bjio)rO4rO約為（gmrO ）rOrO =1 I D, 1L相同(xin tn)ID下，（c）的Rout最大西電微電子學院(xuyun)董剛模擬集成電路設(shè)計第42頁/共56頁第四十三頁，共56頁。45共源共柵級做理想(lxing)電流源利用其高輸出阻抗特性，實現(xiàn)(shxin)接近理想特性的電流源A v g m 1 R out代價(diji)：輸出擺幅減小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 西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第43頁/共56頁第四十四頁，共56頁。1 V outmb 2 ) rO 2共源共柵級屏蔽(pngb)特性XXVout端有端有Vout的電壓的電壓(diny)跳變時，表現(xiàn)在跳變時，表現(xiàn)在X點的電壓點的電壓(diny)跳變很跳變很小，屏蔽了輸出節(jié)點對輸入管的影響小，屏蔽了輸出節(jié)點對輸入管的影響 V X =rO 11 + ( g m 2 + g mb 2

22、 ) rO 2 rO 1 + rO 2 V out( g m 2 + g 西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計46第44頁/共56頁第四十五頁，共56頁。47共源共柵級折疊式共源共柵共源共柵級由共源級實現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，然后電流作為輸入送到共柵級構(gòu)成(guchng)共源共柵級時共源管和共柵管類型可以(ky)不同相同(xin tn)gm時，直流偏置電流大輸入擺幅大西電微電子學院董剛模擬集成電路設(shè)計第45頁/共56頁第四十六頁，共56頁。48共源共柵級折疊式共源共柵輸入(shr)擺幅大西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第46頁/共56頁第四十七頁，共56頁。49共源共柵級折疊式共源共柵向上(xingshng)折疊向下(xin xi)折疊西電微電子學院董剛模擬(mn)集成電路設(shè)計第47頁/共56頁第四十八頁，共56頁。50共源共柵級折疊式共源共柵Folded向上或向下折疊；小信號電流(dinli)流向被改變西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第48頁/共56頁第四十九頁，共56頁。51共源共柵級折疊式共源共柵大信號(xnho)特性ID2變?yōu)?西電微電子學院董剛模擬集成電路(jchng-dinl)設(shè)計第49頁/共56頁第五十頁，共56頁。52共源共柵級折疊式共源共柵輸出阻抗(sh ch