第12章模擬集成電路基礎(半導體集成電路共14章)講解課件

半導體集成電路學校：西安理工大學院系：自動化學院電子工程系專業(yè)：電子、微電時間：秋季學期2022/12/19半導體學校：西安理工大學2022/12/181第12章模擬電路基礎2022/12/19第12章模擬電路基礎2022/12/182自然界信號的處理大自然計算機世界ADC010111101CPUDSPADC010111101濾波器2022/12/19自然界信號的處理大自然計算機世界ADC010CPUDSPA3數(shù)字通信有損耗電纜VinVoutt2022/12/19數(shù)字通信有損耗電纜VinVoutt2022/12/184內(nèi)容提要MOSFET的小信號模型模擬電路中的基本單元單極放大器差分對放大器電流源運算放大器2022/12/19內(nèi)容提要MOSFET的小信號模型2022/12/1851.不考慮溝道長度調(diào)制效應和體效應一、MOSFET的小信號模型（飽和區(qū)）VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGMOS管的大信號特性MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）2022/12/191.不考慮溝道長度調(diào)制效應和體效應一、MOSFET的小信號62.考慮溝道長度調(diào)制效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）2022/12/192.考慮溝道長度調(diào)制效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）2073.考慮襯底偏置效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）襯底偏壓VBS<0時，閾值電壓增大2022/12/193.考慮襯底偏置效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）襯底偏壓82022/12/192022/12/189MOS反相器二、單級放大器VinVout?VIN?VOUT輸入阻抗、輸出阻抗、增益在放大電路中，一般將MOS管控制在飽和區(qū)2022/12/19MOS反相器二、單級放大器VinVout?VIN?VOUT101.截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)(a)電阻負載大信號分析2022/12/191.截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)(a)電阻負載大信號分析2022/1211共源極放大器（小信號分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/12/19共源極放大器（小信號分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/12結(jié)論電阻作為負載元件的缺點：高增益要求大阻值電阻值存在很大偏差，不易控制有源負載放大器使用有源器件（MOS或二極管）作負載元件二極管型負載元件電流源型負載元件2022/12/19結(jié)論電阻作為負載元件的缺點：有源負載放大器2022/12/113二極管負載（Vbs=V1=-Vx）等效電阻:柵漏相接，工作在飽和區(qū)(相當于忽略溝道長度調(diào)制效應）2022/12/19二極管負載（Vbs=V1=-Vx）等效電阻:柵漏相接，工作在14(b)二極管負載共源放大器大信號特性2022/12/19(b)二極管負載共源放大器大信號特性2022/12/1815輸出電壓擺幅：Vout（min）=Vin-VT1=VovVout（max）=VDD-VT2過驅(qū)動電壓放大倍數(shù)存在非線性根據(jù)電流相等導出2022/12/19輸出電壓擺幅：Vout（min）=Vin-VT1=Vov過驅(qū)16改進：消除M2襯底調(diào)制效應措施二極管連接的PMOS作負載特殊工藝：將M2（NMOS）放在單獨的阱中輸入輸出高線性度高增益要求“強”的輸入器件和“弱”的負載器件，電壓擺幅小2022/12/19改進：消除M2襯底調(diào)制效應措施輸入輸出高線性度高增益要求“強17（高增益）(c)電流源負載共源放大器共源放大器特點：1.輸入阻抗高，輸入與輸出反相2.有源負載可以獲得高增益2022/12/19（高增益）(c)電流源負載共源放大器共源放大器特點：1.輸182.Vb2022/12/192.Vb2022/12/1819（V1=Vbs=-Vin)(忽略溝道長度調(diào)制效應）特點：輸入阻抗低，輸出阻抗高，可作電流源輸入與輸出同相，高頻特性好，無電容Miller效應2022/12/19（V1=Vbs=-Vin)(忽略溝道長度調(diào)制效應）特點：輸入203.2022/12/193.2022/12/1821作為作業(yè)給出求:RO、av值的過程高輸入阻抗、低輸出阻抗增益接近于1，可作緩沖器可作為電平級移電路和阻抗變換器2022/12/19作為作業(yè)給出求:RO、av值的過程高輸入阻抗、低輸出阻抗20224.2022/12/194.2022/12/1823特點：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的柵漏電容的影響，有利于展寬頻帶；輸出電阻變大，但電壓擺幅減小。放大倍數(shù)與共源極相近2022/12/19特點：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的柵漏電容的影響，有利24三、差分對放大器2022/12/19三、差分對放大器2022/12/1825三、差分對放大器為什么使用差分對?2022/12/19三、差分對放大器為什么使用差分對?2022/12/1826為什么使用差分對?三、差分對放大器消除電源干擾2022/12/19為什么使用差分對?三、差分對放大器消除電源干擾2022/1227消除時鐘干擾2022/12/19消除時鐘干擾2022/12/1828消除時鐘干擾2022/12/19消除時鐘干擾2022/12/1829消除時鐘干擾信號以差分的方式傳輸時鐘以差分的方式傳輸2022/12/19消除時鐘干擾信號以差分的方式傳輸時鐘以差分的方式傳輸2022301.基本差分對2022/12/191.基本差分對2022/12/1831電流源驅(qū)動的基本差分對尾電流源差分對的輸入輸出特性VDD-RDISS思考：管子的寬長比及尾電流的大小如何影響差分對的輸入輸出特性曲線？2022/12/19電流源驅(qū)動的基本差分對尾電流源差分對的輸入輸出特性VDD-R32尾電流源差分對的兩個重要特性輸出端的最大電平和最小電平是完全確定的，與輸入共模電平無關小信號增益當Vin1=Vin2時達到最大，且隨著|Vin1-Vin2|的增大而減小VDD~VDD-RDISS2022/12/19尾電流源差分對的兩個重要特性輸出端的最大電平和最小電平是完33常用差分對的輸入輸出特性2022/12/19常用差分對的輸入輸出特性2022/12/1834差分對增益半邊等效電路增益：同共源極電路（忽略溝道長度調(diào)制效應）VDD-RDISS2022/12/19差分對增益半邊等效電路增益：同共源極電路（忽略溝道長度調(diào)制效35四、恒流源電路用途：偏置電路有源負載基本形式：鏡像電流源（電流鏡）電流源的關鍵指標：輸出電阻、電容等穩(wěn)定性：對電源、工藝、溫度的依賴性2022/12/19四、恒流源電路用途：偏置電路基本形式：鏡像電流源（電流鏡）電36電流源電流IOUT嚴重依賴電源，溫度和工藝?。。?022/12/19電流源電流IOUT嚴重依賴電源，溫度和工藝?。。?022/137鏡像電流源（電流鏡）假設已經(jīng)存在一個精確的電流源IREF2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）假設已經(jīng)存在一個精確的電流源IREF2038VGS1＝f－1（IREF）如果忽略溝道長度調(diào)制效應鏡像電流源（電流鏡）cont.2022/12/19VGS1＝f－1（IREF）如果忽略溝道長度調(diào)制效應鏡像電流39例題1:如果圖中的所有晶體管都工作在飽和區(qū).求M4的漏電流.解:根據(jù)公式有:同時,|ID3|=|ID2|2022/12/19例題1:如果圖中的所有晶體管都工作在飽和區(qū).求M4的漏電流.40對基本電流鏡的仿真（W＝1.2U）2022/12/19對基本電流鏡的仿真（W＝1.2U）2022/12/1841對基本電流鏡的仿真（W＝50U）2022/12/19對基本電流鏡的仿真（W＝50U）2022/12/1842考慮到溝道調(diào)制效應VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠VDS22022/12/19考慮到溝道調(diào)制效應VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠43鏡像電流源（電流鏡）cont.

--------共源共柵電流鏡選擇Vb,使得VY＝VX，即Vb-VGS3＝VXVb=VGS3+VX若(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1則VGS0＝VGS3，VY＝VXVGS0+VX=VGS3+VYIOUT=IREF2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）cont.選擇Vb,使得若(W/L)3/44損失了電壓余度2022/12/19損失了電壓余度2022/12/1845鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡M2飽和的條件:Vb-VTH2<=VX(=VGS1)M1飽和的條件:VGS1-VTH1<=VA(=Vb-VGS2)2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡M2飽和的46鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡VGS2=VGS4如果:Vb=VGS2+(VGS1-VTH1)=VGS4+（VGS3-VTH3),則當M1和M3保持相等的漏源電壓時,共源共柵電流鏡M3--M4消耗的電壓余度最小(兩個管子的過驅(qū)動電壓之和).我們稱之為“低壓共源共柵結(jié)構”。2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡VGS2=47理想電流源Iout對電源VDD很敏感?。【_電流源（電流基準）的產(chǎn)生電阻2022/12/19理想電流源Iout對電源VDD很敏感??！精確電流源（電流基準48精確電流源（電流基準）的產(chǎn)生cont.與電源無關的偏置簡單電路Iout＝KIREF電流值可以是任意值！2022/12/19精確電流源（電流基準）的產(chǎn)生cont.與電源無關的偏置簡單電49為確定電流增加電阻RS（M2存在體效應）消除體效應的替代電路IOUT與VDD無關2022/12/19為確定電流增加電阻RS消除體效應的替代電路IOUT與VDD無50PTAT：proportionaltoabsolutetemperature原理：Vout＝IPTATR2+VBEIPTAT與溫度成正比,VBE與溫度成反比（負溫度系數(shù)）兩者抵消，Vout與溫度無關書上P248原理與此類似基準電壓源電路（與溫度無關）2022/12/19PTAT：proportionaltoabsolute51運算放大器M1管上的柵壓有一個微小的增加,使得ID1增加,ID2減小,

ID3、ID4增加。輸出電壓的放大由ID2的減小及ID4的放大決定2022/12/19運算放大器M1管上的柵壓有一個微小的增加,使得ID1增加,52兩級運算放大器2022/12/19兩級運算放大器2022/12/1853作業(yè)1.求共漏極電路的Ri、RO、av值2.要使Iout=8IREF，設計圖中晶體管的尺寸。已知(W/L)1=1um/0.5um，（W/L)2=2um/0.5um。2022/12/19作業(yè)1.求共漏極電路的Ri、RO、av值2.要使Iout=854半導體集成電路學校：西安理工大學院系：自動化學院電子工程系專業(yè)：電子、微電時間：秋季學期2022/12/19半導體學校：西安理工大學2022/12/1855第12章模擬電路基礎2022/12/19第12章模擬電路基礎2022/12/1856自然界信號的處理大自然計算機世界ADC010111101CPUDSPADC010111101濾波器2022/12/19自然界信號的處理大自然計算機世界ADC010CPUDSPA57數(shù)字通信有損耗電纜VinVoutt2022/12/19數(shù)字通信有損耗電纜VinVoutt2022/12/1858內(nèi)容提要MOSFET的小信號模型模擬電路中的基本單元單極放大器差分對放大器電流源運算放大器2022/12/19內(nèi)容提要MOSFET的小信號模型2022/12/18591.不考慮溝道長度調(diào)制效應和體效應一、MOSFET的小信號模型（飽和區(qū)）VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGMOS管的大信號特性MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）2022/12/191.不考慮溝道長度調(diào)制效應和體效應一、MOSFET的小信號602.考慮溝道長度調(diào)制效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）2022/12/192.考慮溝道長度調(diào)制效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）20613.考慮襯底偏置效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）襯底偏壓VBS<0時，閾值電壓增大2022/12/193.考慮襯底偏置效應MOS管的小信號模型（飽和區(qū)）襯底偏壓622022/12/192022/12/1863MOS反相器二、單級放大器VinVout?VIN?VOUT輸入阻抗、輸出阻抗、增益在放大電路中，一般將MOS管控制在飽和區(qū)2022/12/19MOS反相器二、單級放大器VinVout?VIN?VOUT641.截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)(a)電阻負載大信號分析2022/12/191.截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)(a)電阻負載大信號分析2022/1265共源極放大器（小信號分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/12/19共源極放大器（小信號分析）Ri∞Ro=RD||ro2022/66結(jié)論電阻作為負載元件的缺點：高增益要求大阻值電阻值存在很大偏差，不易控制有源負載放大器使用有源器件（MOS或二極管）作負載元件二極管型負載元件電流源型負載元件2022/12/19結(jié)論電阻作為負載元件的缺點：有源負載放大器2022/12/167二極管負載（Vbs=V1=-Vx）等效電阻:柵漏相接，工作在飽和區(qū)(相當于忽略溝道長度調(diào)制效應）2022/12/19二極管負載（Vbs=V1=-Vx）等效電阻:柵漏相接，工作在68(b)二極管負載共源放大器大信號特性2022/12/19(b)二極管負載共源放大器大信號特性2022/12/1869輸出電壓擺幅：Vout（min）=Vin-VT1=VovVout（max）=VDD-VT2過驅(qū)動電壓放大倍數(shù)存在非線性根據(jù)電流相等導出2022/12/19輸出電壓擺幅：Vout（min）=Vin-VT1=Vov過驅(qū)70改進：消除M2襯底調(diào)制效應措施二極管連接的PMOS作負載特殊工藝：將M2（NMOS）放在單獨的阱中輸入輸出高線性度高增益要求“強”的輸入器件和“弱”的負載器件，電壓擺幅小2022/12/19改進：消除M2襯底調(diào)制效應措施輸入輸出高線性度高增益要求“強71（高增益）(c)電流源負載共源放大器共源放大器特點：1.輸入阻抗高，輸入與輸出反相2.有源負載可以獲得高增益2022/12/19（高增益）(c)電流源負載共源放大器共源放大器特點：1.輸722.Vb2022/12/192.Vb2022/12/1873（V1=Vbs=-Vin)(忽略溝道長度調(diào)制效應）特點：輸入阻抗低，輸出阻抗高，可作電流源輸入與輸出同相，高頻特性好，無電容Miller效應2022/12/19（V1=Vbs=-Vin)(忽略溝道長度調(diào)制效應）特點：輸入743.2022/12/193.2022/12/1875作為作業(yè)給出求:RO、av值的過程高輸入阻抗、低輸出阻抗增益接近于1，可作緩沖器可作為電平級移電路和阻抗變換器2022/12/19作為作業(yè)給出求:RO、av值的過程高輸入阻抗、低輸出阻抗20764.2022/12/194.2022/12/1877特點：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的柵漏電容的影響，有利于展寬頻帶；輸出電阻變大，但電壓擺幅減小。放大倍數(shù)與共源極相近2022/12/19特點：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的柵漏電容的影響，有利78三、差分對放大器2022/12/19三、差分對放大器2022/12/1879三、差分對放大器為什么使用差分對?2022/12/19三、差分對放大器為什么使用差分對?2022/12/1880為什么使用差分對?三、差分對放大器消除電源干擾2022/12/19為什么使用差分對?三、差分對放大器消除電源干擾2022/1281消除時鐘干擾2022/12/19消除時鐘干擾2022/12/1882消除時鐘干擾2022/12/19消除時鐘干擾2022/12/1883消除時鐘干擾信號以差分的方式傳輸時鐘以差分的方式傳輸2022/12/19消除時鐘干擾信號以差分的方式傳輸時鐘以差分的方式傳輸2022841.基本差分對2022/12/191.基本差分對2022/12/1885電流源驅(qū)動的基本差分對尾電流源差分對的輸入輸出特性VDD-RDISS思考：管子的寬長比及尾電流的大小如何影響差分對的輸入輸出特性曲線？2022/12/19電流源驅(qū)動的基本差分對尾電流源差分對的輸入輸出特性VDD-R86尾電流源差分對的兩個重要特性輸出端的最大電平和最小電平是完全確定的，與輸入共模電平無關小信號增益當Vin1=Vin2時達到最大，且隨著|Vin1-Vin2|的增大而減小VDD~VDD-RDISS2022/12/19尾電流源差分對的兩個重要特性輸出端的最大電平和最小電平是完87常用差分對的輸入輸出特性2022/12/19常用差分對的輸入輸出特性2022/12/1888差分對增益半邊等效電路增益：同共源極電路（忽略溝道長度調(diào)制效應）VDD-RDISS2022/12/19差分對增益半邊等效電路增益：同共源極電路（忽略溝道長度調(diào)制效89四、恒流源電路用途：偏置電路有源負載基本形式：鏡像電流源（電流鏡）電流源的關鍵指標：輸出電阻、電容等穩(wěn)定性：對電源、工藝、溫度的依賴性2022/12/19四、恒流源電路用途：偏置電路基本形式：鏡像電流源（電流鏡）電90電流源電流IOUT嚴重依賴電源，溫度和工藝！?。?022/12/19電流源電流IOUT嚴重依賴電源，溫度和工藝?。。?022/191鏡像電流源（電流鏡）假設已經(jīng)存在一個精確的電流源IREF2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）假設已經(jīng)存在一個精確的電流源IREF2092VGS1＝f－1（IREF）如果忽略溝道長度調(diào)制效應鏡像電流源（電流鏡）cont.2022/12/19VGS1＝f－1（IREF）如果忽略溝道長度調(diào)制效應鏡像電流93例題1:如果圖中的所有晶體管都工作在飽和區(qū).求M4的漏電流.解:根據(jù)公式有:同時,|ID3|=|ID2|2022/12/19例題1:如果圖中的所有晶體管都工作在飽和區(qū).求M4的漏電流.94對基本電流鏡的仿真（W＝1.2U）2022/12/19對基本電流鏡的仿真（W＝1.2U）2022/12/1895對基本電流鏡的仿真（W＝50U）2022/12/19對基本電流鏡的仿真（W＝50U）2022/12/1896考慮到溝道調(diào)制效應VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠VDS22022/12/19考慮到溝道調(diào)制效應VDS1=VGS1=VGS2VDS1≠97鏡像電流源（電流鏡）cont.

--------共源共柵電流鏡選擇Vb,使得VY＝VX，即Vb-VGS3＝VXVb=VGS3+VX若(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1則VGS0＝VGS3，VY＝VXVGS0+VX=VGS3+VYIOUT=IREF2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）cont.選擇Vb,使得若(W/L)3/98損失了電壓余度2022/12/19損失了電壓余度2022/12/1899鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡M2飽和的條件:Vb-VTH2<=VX(=VGS1)M1飽和的條件:VGS1-VTH1<=VA(=Vb-VGS2)2022/12/19鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡M2飽和的100鏡像電流源（電流鏡）cont.改進的共源共柵電流鏡VG