六門杭電期末考試卷及相關(guān)課件-模電第6章

集成電路設(shè)計原則MOSFET與BJT的比較集成電路中的偏置---電流源高頻響應(yīng)----通論有源負(fù)載共源和共射放大器CS與CE放大器的高頻響應(yīng)有源負(fù)載共柵和共基放大器cascode放大器源極(射極)接負(fù)載的CS和CE放大器源極跟隨器與射極跟隨器一些實用的晶體管對放大器改進型鏡像電流源電路概述6.1集成電路設(shè)計原則盡量只使用MOS管來實現(xiàn)電路盡可能多的功能。不能使用參數(shù)值大甚至中等大的晶體管，但可以使用恒流源。大電容（耦合電容和旁路電容）必須避免使用，但數(shù)值很小的電容幾pf的電容很容易實現(xiàn)。（4）不能使用太大或太小的電阻。幾百歐到幾千歐最合適。低壓工作(0.2v左右)可以減少功率損耗，但對電路設(shè)計

提出了許多雙極型集成電路提供了許多優(yōu)點,和CMOS電路的結(jié)合可帶來創(chuàng)新的成果。稱為

S電路。back6.2

MOSFET和BJT的比較1.典型參數(shù)比較MOS管Lmin為0.13um已經(jīng)

,BJT管基區(qū)寬度0.1um.2.重要特性比較:（1）工作條件MOS：vt兩者數(shù)值幾乎相當(dāng)。BJT:VBE(on)電流-電壓特性：平方關(guān)系和指數(shù)關(guān)系低頻混合

模型（4）低頻T模型（5）交流參數(shù)ro,gm,A0MOSFET和BJT的比較（6）高頻模型（7）傳輸頻率fT由理想電壓源供電的帶有負(fù)載電容CL的共源放大器的頻率響應(yīng)。假定晶體管工作在比fT值小得多的頻率上，故不考慮電容BACK6.3集成電路中的偏置---電流源恒流源在集成電路中的作用：提供直流偏置電流作為放大器的有源負(fù)載基本參數(shù)輸出電流IO輸出電阻rO6.3集成電路中的偏置---電流源1.MOSFET基本電流源

2'D12D11

WVGSREFLI

IR

VDD

I

kV

Vn

GS

tn

1Q1工作在飽和區(qū)，忽略溝長效應(yīng)假設(shè)Q2也工作在飽和區(qū)電流傳輸比(WIoIREF(1)工作條件：外電路保證Q2一定工作在飽和區(qū)

Q2作為恒流源輸出，必須工作在飽和區(qū)則Vo

VGS

vt

即即當(dāng)Vo低至Vov,也就是零點幾伏時，電流源仍能正常工作(2)考慮溝道長度效應(yīng)設(shè)Q1、Q2完全匹配，則IO=IREF，必有VO=VGS,當(dāng)VO>VGS時，IO會因rO2而增大。Vo

Vov(2)考慮溝道長度效應(yīng)oo

2oI

VA2

rR

00IV1W

/

LW

/

LOIV

V

V

2

I1

o GS

REFA2

2.MOS電流導(dǎo)向電路4451312(W

L)(W

L)5(W

L)(W

L)(W

L)3(W

L)2I

II

II

IREFREFQ5：電流源

Q2：電流吸收器3.BJT鏡像電流源I

1

o

IREF1

2IS

2

mIS1Im

0

IREF1

m

1β足夠大，且AE相等時，

IO=IREF注意：Q2必須工作在放大區(qū)若傳輸比為m，則可令A(yù)E2=mAE1,故IO=mIREF若β有限，且AE相等,則3.BJT鏡像電流源OORI

VA2mVV

VI

I1

O BE

O REF

m

1

A2

14.一個簡單的BJT電流源o O

2REFIREFoOREFIR

VCC

VBE

(on)I

VVBE

1

VOR

rI

I

VA

VA1

(2

/

)

A

5.電流導(dǎo)向電路I1

IREFI2

IREFI3

2IREFI4

3IREFREFRVEE

VCC

VEB1

VBE

2I若β足夠大，且AE相同，則有6.鏡像電流電路性能改進兩個需要改進的性能參數(shù)（P557）(1)鏡像電流源電流傳輸比的精度(2)電流源的輸出電阻改進的鏡像電流源電路Cascode

MOS

鏡像電流源帶基級電流補償?shù)腂JT鏡像電流源Wilson鏡像電流源Wilson

MOS鏡像電流源Wildar電流源BACK6.4高頻響應(yīng)----通論高頻增益函數(shù)確定3dB頻率fHa

通過定義求解b主極點法c

開路時間常數(shù)法定理1.高頻增益的函數(shù)直接耦合低通濾波器低頻段沒有增益損失

增益保持在中頻值A(chǔ)M，直到頻率下降到零，

也就是直流狀態(tài)增益函數(shù)A(s)

AM

FH

(s)ωP1

,ωP2

,….ωPn是正數(shù)，表示n個實數(shù)極點的頻率ωZ1

,ωZ2

,….ωZn可正可負(fù)，也可以無窮大，表示n個實數(shù)傳輸零點的頻率Pn(1

s

P1

)

(1

s

P

2

).....(1

s

)(s)

(1

s

Z1

)(1

s

Z

2

).....(1

s

Zn

)HFBACK2.確定3dB頻率(1)根據(jù)定義確定假設(shè)ωP1<ωP2

<….<ωPn

和ωZ1

<ωZ2<….<ωZnA(H

)

AM

3dB2HA(

)

AM1

1

1

12

222Z

2Z1P

2P1H

1

(

....)

2(

....)BACK式(6.36)(2)主極點法如果最低頻率的極點與最近極點或零點之間的距離至少大于兩個二倍頻程（即相差4倍時），這個點就被稱為主極點，因此這個3dB頻率就由主極點決定， 則FH(s)近似為單極點函數(shù)H

P1AM1

s

/

P1A(s)

BACK(3)開路時間常數(shù)法進行估算其中使用條件：若零點不是主極點，而極點中的一個(比如P1)為主極點，則有12Hn1

a

s

a

s2

a

snF

(s)

1

2

n

1

b

s

b

s2

b

sn1p1

p

2

b

11

1Hi

ioibC

R

(3)開路時間常數(shù)i為了確定每個電容Ci

的作用a

令其它所有電容為零b

令其它所有信號源為零c

求出從Ci

看進去的電阻Rio對電路中的所有電容都重復(fù)這一過程i

ioC

RH

1開路時間常數(shù)法舉例這是一個場效應(yīng)管放大器的高頻等效電路這個構(gòu)造是共源極

VOMm

L(g R

)

10.8V

/VsiginsigRinAVR

R

①求中頻增益②求Cgs的并聯(lián)電阻Rgs

Rsig

||

Rin

gs

Cgs

Rgs

80.8ns③求Cgd的并聯(lián)電阻

Vgs

VgsxIRin

RsigVgs

Ix

(Rin

||

Rsig

)

Ix

RG點的節(jié)點方程為D點的節(jié)點方程：

R

RL

gm

RLR

1.16M

L

VxIx

gmVgs

Vgs

VxgdxR

RI則

1160ns

gd

Cgd

Rgd1

128.3kHzHgsgd2

(

)

f

開路時間常數(shù)法有一個很重要的優(yōu)點，它能電路設(shè)計 哪個電容在決定放大器的頻率響應(yīng)時起決定作用。BACK(4)定理阻抗Z可由兩個阻抗代替Z1連接節(jié)點1和地Z2連接極點2和地

等效電路僅僅當(dāng)電路的其余部分保持不變的時有效。否則V1和V2的比值可能發(fā)生變化。用

定理替換掉反饋或橋接電阻后，對

于負(fù)的K的值，得到的是輸入端的

一個較小的電阻[減小因子為（1-K）]。如果反饋元件是一個電容，則它的值需要乘以（1-K）才能得到輸入端的等效電容。反饋電容增大（1-K）倍的現(xiàn)象被稱為倍增或

效應(yīng)BACK6.5有源負(fù)載共源和共射放大器共源電路電流源作為一個有源負(fù)載源極接地直流分析直接在電路圖上完成小信號模型分析Avo

gmroRi

RO

rOA0

m2.共源放大器的CMOS實現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點:Q1放大管，Q2負(fù)載管

Q2、Q3構(gòu)成電流源，為

Q1提供偏置電流時，假設(shè)Q2、Q3匹配，又Q3一定工作在飽和區(qū)，則只要Q1和Q2工作在飽和區(qū)即可REFI

VA2ro

2CMOS共源放大器的傳輸特性曲線Ⅰ:Q1截止，vo=VDDⅡ:Q1飽和，Q2變阻A點是Q2變阻與飽和的分界VOA

VDDⅢ:Q1、Q2都飽和

Ⅳ:Q1變阻，Q2飽和VOB

VIB

Vtn

VOV1CMOS共源放大器的交流特性m1

o1ro

2o

2

o1

gm1

(ro1

//

ro

2

)oLRLvvo

Rr

r

(g

r

)

RA

ACMOS共源放大器小結(jié)可實現(xiàn)15~100倍的電壓增益；輸入電阻很大；輸出電阻也很大；該電路不受襯底效應(yīng)的影響；該電路通常是大規(guī)模放大電路的一部分，利用負(fù)反饋來保證電路確實工作在區(qū)域Ⅲ內(nèi)。3.共射放大器a有源負(fù)載共射放大器b直接在電路圖上完成小信號模型分析Ri

Avo

gmroROBACK6.6

CS與CE放大器的高頻響應(yīng)以CS為例分析，CE類似，求fH利用

定理進行分析利用開路時間常數(shù)法進行分析CS放大器高頻等效電路模型Vsig、Rsig：表示的是RL：實際負(fù)載和有源負(fù)載CL：漏極與地之間的總電容等效后得到的信號源確定3dB頻率的兩種方法用定理用開路時間常數(shù)法gsCin

Cgd

C

(1

g

R

'

)m

L

CL

RCL

H

Cgs

Rgs

Cgd

Rgd1.用定理進行分析用 定理獲得等效電路，忽略CL和Cgd產(chǎn)生的負(fù)載電流成分該模型在Rsig相對較大、CL相對較小時比較精確高頻響應(yīng)由Rsig

和Cin確定的極點決定利用

定理進行分析可以把橋電容Cgd用連接節(jié)點G和地，D和地的兩個電容所替代由一個零點和兩個極點的放大器要轉(zhuǎn)化成只有一個極點的系統(tǒng)3dB上限頻率僅由這個極點決定siginHm

Lgsgdin2C

Rf

C

C

C1'

)(1

g

R2.利用開路時間常數(shù)法進行分析Rgs

Rsig'R

R

(1

g

R

'

)

Rgd

sig

m

L

L'LCLR

R12

CL

RCL

H

Cgs

Rgs

Cgd

Rgd

Cgs

Rsigm

L

LL

LHH

f

Cgd

[Rsig

(1

gR

)

R

]

C

R關(guān)于CS電路高頻特性的精確分析在節(jié)點D上，由KCL得到Vgs~VO的關(guān)系在節(jié)點G上，由KCL得到Vgs~Vsig的關(guān)系確定得到式(6.60)得到一個零點式(6.61)，兩個極點式(6.66)、(6.67)3.Rsig較小的情況由式(6.60)可得1HL2

(Cgd

L

C

)R

f

CS放大器單位增益頻率為ft

|

AM

|

fH

gmL2

(CgdL

C )R

小結(jié):高頻增益不再受限于信號源電阻和輸入電容限制高頻增益的因素出現(xiàn)在放大器輸出端為了提高3dB頻率

應(yīng)當(dāng)減少從G(B)

和D(C)端看進去的等效電阻4.CE放大器公式的改寫高頻等效電路圖運用

定理得到的等效電路電路的求解套用共源電路的求解對公式改寫B(tài)ACK6.7有源負(fù)載共柵和共基放大器電路特點信號S極入，D極出。NMOS的襯底極必須接在電路的最低電位，故S與B未相連，因此必須考慮襯底效應(yīng)電流源I提供偏置電流共柵放大電路中的襯底效應(yīng)可簡單的由(gm+gmb)替代場效應(yīng)管的gm來等效Rs表示信號源內(nèi)阻隱性地使用（b）中T模型直接在電路圖上完成的小信號分析這電路不是單向的①求輸入阻抗ii

ioii

i

iroi

(gm

gmb

)viroo

i

roiro

RLinmmb

o1

(g

g

)r

R

注意RL的出現(xiàn)，包括電流源I的輸出電阻和其他可能連接的負(fù)載電阻。I.若ro

，則Rin

1/(gmII.

通常RLro，則Rin2

/(gm

gmb

)Lo

i

iIII.

若R

，則

i

i

0,R

②求電壓增益

ii

RL

RLviiinRLm

mb

o

[1

(g

g

)r

]o

Lv

v

RA

vor

R若RL

，則Avo

1(gm

gmb

)rovsigsinLvo

sii

RLRLvo

RG

vo

Gvo

Avov

ii

(Rs

Rin)

R

RRL

A

ro

A

R01

RL

ro

RLvommbR注意到：inAg

g

A求輸出電阻電路③求輸出阻抗v

ixvx

[ix

(gm

gmb

)v]ro

v

vxoutx

Ri

ro

{1

(gm

gmb

)ro

]Rs

ro

Avo

RsCG組態(tài)的阻抗轉(zhuǎn)換性質(zhì)1isoutRsvo

RG

G輸入阻抗Rin開路電壓增益1

(gm

gmb

)ro

gm

mb

o

v

1

(gm

gmb)ro

Rs

(1

gm

Rs

)ro輸出阻抗Rout

ro④

高頻響應(yīng)每個電容都有一端接地，因此，不受倍增效應(yīng)的影響，相對于CS電流，CG電路的fH高很多。采用開路時間常數(shù)

法估算fH確定Rgs和Rgd的電路兩個極點由兩個電容產(chǎn)生兩個極點頻率通常都比

CS放大器的主極點頻率高很多

Rs

/

/

RinRgs

RL

/

/

RoutRgd1Hgs

gsgdLgd

C

R2

C

R

Cf

2.有源負(fù)載CB放大器有源負(fù)載共基放大器ino1

re

(1

i

i

iR0(RL

/(1

)

ro

)in

eAR

r

RL注意：輸入阻抗與β和負(fù)載有關(guān)隱含使用BJT的T模型直接在電路圖上完成小信號模型分析輸出端開路時的小信號分析Avo

1

gm

oRi

分析CB電路來確定Rout其中，R

R

||

re

e

Rout

rom

o

e

(1

g r

)R

R

(1

g R

)re

m

e

oRoutvo

e

ro

A

RCB放大器的輸入和輸出電阻有源負(fù)載CB放大器的參數(shù)輸入阻抗開路電壓增益輸出阻抗m

oRLero

RLRin

eg

r

r

o

L

rr

R

(

1)voutR

r

(1

g r

)R

'o m

o

e

ro

(1

gm

Re

//

r

)3.CG(CB)

和CS(CE)的比較CG(CB)和CS(CE)的開路電壓增益幾乎相等更小的輸入電阻和更大的輸出電阻CG(CB)放大器不適合做電流放大器但適合做電流跟隨器由于缺少

效應(yīng)其具有更優(yōu)越的高頻響應(yīng)Cascode

放大器是CG(CB)放大電路的重要應(yīng)用BACK6.8Cascode放大器關(guān)于Cascode放大器將一個共柵（共基)放大器與一個共源（共發(fā)射極）放大器級聯(lián)當(dāng)做單級放大器與共源（共發(fā)射極）相比，cascode放大器可以實現(xiàn)更寬的帶寬，但直流增益卻沒有損失；或者是cascode放大器可以獲得更大的增益，但保持其增益帶寬積不變。（這是兩個情況）1.MOS管Cascode放大器第一級是CS放大器，第二級是CG放大器電流源偏置a)小信號模型等效電路利用這個電路可以進行各種輸入輸出阻抗的小信號模型分析畫出等效電路電路是單向化的Rin

Ri

Rout

Ro

ro2

[1

(gm2

gmb2

)ro2

]ro1

ro2

Avo2ro1

(gm2ro2

)

o1b)輸出端開路的cascode電路小信號模型等效電路若RL

,則Rin2

Av1

Avo1

gm1ro1

Avo

Av1

Avo2

gm1ro1[1

(gm2

gmb2

)ro2

]

A

A

(g r

)20RL

A0roRLvLout01

02

m

oRLvo

RA

A

A

2

R短路互導(dǎo)增益為Gm

（a）和（b）cascode放大器的兩種輸出等效電路（c）用來確定CS級Q1電壓增益的等效電路01mmbAv1

gm

[ro

||

(g

gA

RL

)]c)MOS管cascode電路參數(shù)輸入電阻開路電壓增益inR

A(2vCascode使開路電壓增益從Ao

增加到Ao2輸出電阻Rout

A0ro12.MOS管cascode的高頻響應(yīng)畫出了晶體管

各個電容的cascode電路

Rsig

[Cgs1

Cgd1

(1

gm1Rd1

)]Rd1

(Cgd1

Cdb1

Cgs

2

)

Cgd

2

)(RL

||

Rout

)(CL

H當(dāng)Rsig=0時，cascode對增益和帶寬的影響。Cascode級聯(lián)使得電流增益增大了Ao倍，卻可保持單位增益頻率不變。注意，要獲得較高電壓增益，負(fù)載電阻必須增大Ao

倍3.BJT管cascodeBJT管cascode放大器它和MOS管cascode放大器很相似a)小信號模型注意忽略rxb)輸出端開路的cascode電路（a）用開路電壓增益

Avo

表示的cascode等

效電路（b）用總短路互導(dǎo)Gm

gm表示的等效電路（c）用來確定CE級Q1增益的等效電路c)BJT管cascode高頻響應(yīng)注意，除了BJT的電容C

and

C以外，圖中還包括每個晶體和襯底之間的電容CcsBACK6.9源極(射極)接負(fù)反饋的CS和CE放大器一、源極接反饋電阻Rs的CS放大器小信號分析電路輸出端開路的電路用來求Avo等效輸出電路用Gm表示的另一種形式的等效輸出電路1.源極接負(fù)反饋的CS放大器電路參數(shù)輸入電阻輸出電阻短路互導(dǎo)Rin

smb

g

)R

]mooutR

r

[1

(gmb

smgm固有電壓增益Avo

gmro阻抗Rs對Avo沒有影響m

g

)R1

(gG

2.性能改進Rs減少了放大器的互導(dǎo)并通過相同的途徑增加了放大器的輸出阻抗這個因素是負(fù)反饋引起的提高了放大器的線性范圍smbm[1

(g

g

)R

]

gmb

)Rsvi

1

(gmvgs13.高頻響應(yīng)等效電路確定由

Cgd視入的電阻Rgd4.頻率響應(yīng)的一些參數(shù)1

gm

gmb

RsRgs

roLRgd

Rsig

1m

L

CL

RCL

H

Cgs

Rgs

Cgd

Rgd

Cgd

Rgd1

1Hgd

gd2

C

Rgd

sig

M2

C

R

Af

gdR

G

R'

R

A

Rm

L

sig

M

sig二、射極接電阻的CE放大器與CS放大器中的源極負(fù)反饋相比，射極負(fù)反饋對CE放大器來說更有用，這是因為射極負(fù)反饋增大了共射放大器的輸入電阻ro的出現(xiàn)降低了

Re對增加Rin的影響這是因為ro分走了一部分本應(yīng)流過

Re的電流L

oin

ee

1

R

rR

(1

)r

(1

)R1輸出電阻Ro和CB電路的Rout相同Ro

ro

(1

gm

Re

)射極接電阻的CE放大器的總結(jié)有源負(fù)載CE放大器的射極加入一個相對較小的電阻Re有效跨導(dǎo)減小了(1+gm

Re)倍使輸出電阻增大了相同的倍數(shù)削弱了

效應(yīng)，從而相應(yīng)地增加了放大器的帶寬輸入電阻Rin擴大了一定的倍數(shù)，這個取決于Re射極負(fù)反饋電阻Re增加了放大器的線性范圍BACK6.10

源極跟隨器和射極跟隨器一個集成電路源極跟隨器恒流源I用一個NMOS鏡像電流源實現(xiàn)RL包括了負(fù)載電阻和電流源I的輸出電阻a.源極跟隨器的小信號等效電路模型b.簡化了的等效電路c.交流性能開路電壓增益輸出電阻11

rogmvA(1

)gm//

rombm1

g1Ro

g2.源極跟隨器的頻率響應(yīng)等效電路a.簡化了的等效電路b.確定由Cgs視入的電阻

Rgsc.性能特點兩個零點零點將位于s平面的負(fù)實軸上零點頻率非常接近于單位增益的頻率Z

2

TgssZ1

Cs

gmZ

2電容Cgd的時間常數(shù)電容CL的時間常數(shù)

gd'm

L1

g

Rsig

LgsR

R

Rgd

Cgd

Rsig

Rgs

Cgs'Rgd電容Cgs的時間常數(shù)

gsR

C

CL

RCL