CMOS模擬電路基本單元(課件3)

CMOS模擬集成電路根本單元〔一〕西安電子科技大學(xué)朱樟明西安電子科技大學(xué)1CMOS模擬集成電路根本單元一、模擬開(kāi)關(guān)二、有源電阻三、電流源和電流沉四、電流鏡五、CMOS根本放大器西安電子科技大學(xué)2一、模擬開(kāi)關(guān)西安電子科技大學(xué)模擬開(kāi)關(guān)在模擬集成電路設(shè)計(jì)中具有非常重要的作用；分為NMOS模擬開(kāi)關(guān)和CMOS模擬開(kāi)關(guān)；對(duì)于NMOS模擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)控制信號(hào)C的電壓為電源電壓時(shí)，要求Vout≈Vin，即要求NMOS晶體管工作在深度線性區(qū)。

3NMOS模擬開(kāi)關(guān)非理想模型西安電子科技大學(xué)VOS表示模擬開(kāi)關(guān)的失調(diào)電壓，表示開(kāi)關(guān)導(dǎo)通且電流為零時(shí)，端點(diǎn)A和B之間存在的電壓。IOFF表示開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)流過(guò)的漏電流。CA、CB、CAB和CBC分別表示開(kāi)關(guān)端點(diǎn)對(duì)地的寄生電容，對(duì)模擬信號(hào)采樣保持電路性能有較大的影響。

NMOS模擬開(kāi)關(guān)的非理想模型即三端網(wǎng)絡(luò)，端口A和B為開(kāi)關(guān)的輸入輸出端，C為電壓控制端。理想情況下，RON為零，而ROFF為無(wú)窮大。為了降低總諧波失真，RON與控制電壓的關(guān)系應(yīng)為線性關(guān)系。4NMOS模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電壓-電流特性〔1〕西安電子科技大學(xué)當(dāng)NMOS模擬開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其溝道電流為

0<VDS<VGS-VT導(dǎo)通電阻為

當(dāng)NMOS模擬開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，即VGS<VT，如VDS≈0，那么iDS=IOFF=0；如VDS>0，那么ROFF≈1/iDSλ=1/IOFFλ≈∞。5NMOS模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電壓-電流特性〔2〕西安電子科技大學(xué)W＝L＝3μm

VGS一定時(shí)，溝道電流隨著VDS增加而線性增加；當(dāng)VDS一定時(shí)，溝道電流隨著VGS增加而增加。

多種寬長(zhǎng)比NMOS模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與VGS之間的關(guān)系，當(dāng)VGS一定時(shí)，導(dǎo)通電阻隨著W/L的增加而減??；當(dāng)W/L一定時(shí)，導(dǎo)通電阻隨著VGS增加而減小。

6NMOS模擬開(kāi)關(guān)的非理想效應(yīng)及解決方法西安電子科技大學(xué)動(dòng)態(tài)范圍小和時(shí)鐘饋通效應(yīng);時(shí)鐘饋通效應(yīng)主要是NMOS寄生電容所造成的，當(dāng)控制信號(hào)發(fā)生較高頻率的變化時(shí)，寄生電容CGS和CGD使NMOS的柵極分別和源/漏極耦合，產(chǎn)生輸出失調(diào)；CMOS模擬開(kāi)關(guān)是比較理想的技術(shù)，能有效提高開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)范圍，減小時(shí)鐘饋通效應(yīng)；7二、有源電阻西安電子科技大學(xué)CMOS模擬集成電路會(huì)采用大量的電阻，一般采用阱、擴(kuò)散和多晶〔Poly〕實(shí)現(xiàn)精確的電阻值。在負(fù)載等應(yīng)用中，其電阻值不需要很精確，只要求保證其值的量級(jí)，所以可以采用MOS器件實(shí)現(xiàn)電阻，并能保證非常小的幅員面積。8有源電阻分壓電路及并聯(lián)電阻西安電子科技大學(xué)9三、電流源和電流沉西安電子科技大學(xué)電流沉與電流源電路是兩端元件，其電流值受柵電壓控制，和加在MOS兩端的電壓無(wú)關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，電流沉的負(fù)端電壓接VSS，而電流源的正端電壓接Vdd。MOS工作在飽和區(qū)。

10電流源電流源的源漏電壓應(yīng)大于VMIN才能正常工作

西安電子科技大學(xué)需要改進(jìn)之一：增加小信號(hào)輸出電阻，使輸出電流更加穩(wěn)定；需要改進(jìn)之二：減小VMIN的值，使得電流沉或電流源能在較寬的輸出電壓范圍V內(nèi)工作。目前增加輸出電阻的最有效方法之一是采用Cascode結(jié)構(gòu)。11電流源輸出電阻提高技術(shù)西安電子科技大學(xué)12電流源輸出電阻提高技術(shù)——Cascode技術(shù)西安電子科技大學(xué)13四、電流鏡〔電流放大器〕西安電子科技大學(xué)根本原理：如果兩個(gè)NMOS〔PMOS〕的柵源電壓相同，那么溝道電流也相同。14NMOS根本電流鏡電路及特性西安電子科技大學(xué)〔1〕輸出輸入電流比值是MOS晶體管尺寸的比例關(guān)系，完全由集成電路設(shè)計(jì)人員控制；〔2〕當(dāng)NMOS處于飽和態(tài)工作時(shí)，輸出電流是隨著VDS2的增加而近似線性增加的，而不是完全等于輸入電流15MOS電流鏡的非理想效應(yīng)西安電子科技大學(xué)MOS晶體管幾何尺寸不匹配。集成電路光刻工藝、腐蝕及橫向擴(kuò)散所引入的誤差會(huì)是晶體管的幾何尺寸不匹配，直接影響電流鏡的比例電流關(guān)系。MOS晶體管閾值電壓不匹配。在集成電路工藝中，MOS晶體管的柵氧化層存在線性梯度誤差和隨機(jī)誤差，使得相同尺寸的MOS晶體管閾值電壓存在不匹配，影響電流鏡的比例電流關(guān)系。溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。特別是亞微米及深亞微米電流鏡的短溝道調(diào)制效應(yīng)16Wilson電流鏡

當(dāng)NMOS處于飽和態(tài)工作時(shí)，輸出電流是隨著VDS2的增加而近似線性增加的，而不完全等于輸入電流。解決方法是Wilson或Cascode電流鏡；Wilson電流鏡利用電流負(fù)反響增加其輸出電阻；如果輸出電流增加，那么通過(guò)M2的電流也增加，而且由于M1和M2的鏡像關(guān)系使輸入電流也增加如果輸入電流保持不變，當(dāng)輸出電流增加時(shí)，M3的柵電壓減小，抑制輸出電流增加，所以保持了輸出電流的恒定性西安電子科技大學(xué)17CascodeNMOS電流鏡18五、CMOS根本放大器放大器是集成電路的最根本單元電路之一；

用于提高模擬電路的驅(qū)動(dòng)能力，也可以應(yīng)用于于反響系統(tǒng)；根本CMOS模擬放大器，包括共源、共柵、共漏及Cascade放大器；掌握CMOS根本模擬放大器的電路結(jié)構(gòu)、小信號(hào)模型、增益及輸出電阻簡(jiǎn)化公式19CMOS共源放大器〔1〕共源放大器是將MOS晶體管的柵源電壓變化轉(zhuǎn)換成小信號(hào)漏極電流，小信號(hào)漏電流流過(guò)負(fù)載電阻產(chǎn)生輸出電壓。

20CMOS共源放大器〔2〕21CMOS共源放大器〔3〕由于NMOS在線性區(qū)的跨導(dǎo)會(huì)下降，所以我們必須保證NMOS工作在飽和區(qū)

增加NMOS的W/L或減小源漏電流或增大RD的壓降都可以提高共源放大器的小信號(hào)增益；常采用有源負(fù)載或電流源作為負(fù)載，以增加等效電阻值，增加輸出電壓擺幅22CMOS共漏放大器〔1〕對(duì)于共源放大器來(lái)說(shuō)，要獲得高電壓增益，必須提高負(fù)載電阻;如果共源放大器驅(qū)動(dòng)底阻抗負(fù)載工作時(shí)，為了減小信號(hào)電平的損失，必須在共源放大器后級(jí)引入緩沖器，一般采用共漏放大器作為緩沖器，所以共漏放大器又稱為源極跟隨器。共漏放大器利用柵極接收輸入信號(hào)，利用源極驅(qū)動(dòng)負(fù)載，使源極輸出電壓跟隨柵極電壓。

23CMOS共漏放大器〔2〕當(dāng)Vin<VTN時(shí)，NMOSM1截止，輸出電壓Vout等于零;隨著輸入電壓的增大并超過(guò)VTN，M1由導(dǎo)通進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，Vout開(kāi)始隨著輸入電壓的增加而增加;進(jìn)一步增大Vin，Vout將跟隨Vin變化，輸入和輸出電壓之間差值為VGS

共漏放大器的輸入－輸出特性可以表示為

24CMOS共柵放大器〔1〕在共源放大器和共漏放大器電路中，輸入信號(hào)都是加在MOS晶體管的柵極，根據(jù)MOS晶體管的特性，將輸入信號(hào)加在源極也是可以實(shí)現(xiàn)放大功能的，而共柵放大器就是利用這個(gè)特性所實(shí)現(xiàn)的當(dāng)輸入電壓Vin較大時(shí)，即Vin≥Vb-VTH時(shí)，NMOS晶體管M1處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓Vout等于VDD

25CMOS共柵放大器〔2〕當(dāng)Vin<Vb-VTH時(shí)，M1開(kāi)始進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，其源漏電流為進(jìn)一步減小Vin，Vout逐漸減小，M1開(kāi)始進(jìn)入線性區(qū)，即如果M1工作在飽和區(qū)，那么輸出電壓為

26CMOS共源共柵放大器〔1〕共柵放大器將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電流，而共源放大器那么將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電壓如將共源放大器和共柵放大器級(jí)聯(lián)使用那么組成共源共柵放大器，即級(jí)聯(lián)三極管〔Cascode〕放大器NMOSM1產(chǎn)生與輸入電壓Vin成正比的小信號(hào)漏電流，M2將漏電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vout，所以M1為輸入器件，M2為共源共柵器件。

27CMOS共源共柵放大器〔2〕為了保證輸入器件M1工作在飽和區(qū)，必須滿足VX≥Vin－VTH1假設(shè)M1和M2都處于飽和區(qū)，那么VX主要由偏置電壓Vb決定：VX＝Vb－VGS2，所以必須保證Vb－VGS2≥Vin－VTH1，即Vb≥Vin－VTH1＋VGS2為了保證共源共柵器件M2工作在飽和區(qū)，必須滿足Vout≥Vb－VTH2，為了保證M1和M2都處于飽和區(qū)，那么必須滿足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，但是M2的增加會(huì)使放大器的輸出電壓擺幅減小28CMOS共源共柵放大器〔3〕當(dāng)Vin<VTH1時(shí)，M1和M2處于截止?fàn)顟B(tài)，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；當(dāng)Vin≥VTH1時(shí)，M1將輸入電壓轉(zhuǎn)換成漏電流，并使輸出電壓Vout下降，但漏電流的增加使M2的柵源電壓VGS2也隨著增加，從而導(dǎo)致VX下降;當(dāng)Vin繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：(1)VX降