模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(二)

模拟集成电路原理第3章单级放大器董刚[e-mail]微电子学院12上一讲放大器基础知识电阻做负载的共源级增益有非线性，电阻精度差或面积大Av=gmRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计3上一讲二极管接法的MOS管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av=(W/L)11(W/L)21+Av=n(W/L)1p(W/L)2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计4上一讲电流源做负载的共源级增益大Av=mro1||ro2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计W5上一讲深线性区MOS管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难RON2=nCoxL21(VDDVb|VTHP|)Av=mRON2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计6上一讲带源极负反馈的共源级Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度输出电阻大ROUT=[1+(gm+gmb)ro]RS+ro牺牲了增益Av=GmRD=gmRD1+gmRS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计VX1Rout==7如何求“从M1源端看进去的电阻”？QV1=VX,IXgmVXgmbVX=0IXgm+gmb求从“？端看进去的电阻”，用同样方法西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计8本讲共漏级－源跟随器共栅级共源共栅级折叠共源共栅级手算时器件模型和公式的选择西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计9源跟随器－大信号特性西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计10源跟随器－小信号特性－增益西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计Av==11111源跟随器－增益随Vin的变化Vout=1V时，=(当gmRS足够大时)gmRS1+(gm+gmb)RS1+gmRS1+(1+gmbgm=)=1+(1+)gmRS22F+VSB西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计Av==11112源跟随器－增益的非线性Vout=1V时，=(当gmRS足够大时)gmRS1+(gm+gmb)RS1+gmRS1+(1+gmbgm=)=1+(1+)gmRS22F+VSB西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计==v13源跟随器－提高增益的线性度Av=gmRSgmgm1+(gm+gmb)RS1+(gm+gmb)gm+gmbRS(当RS=时)仍存在非线性，因为（η）gmb随Vin的变化而改变。A=1源随器通常有百分之几的非线性1+西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计14源跟随器－提高增益的线性度采用PMOS管做源随管，消除体效应小信号等效电路Av=gm1(rO1rO1)1+gm1(rO1rO1)提高了线性度输出电阻比NMOS管的大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计gmbAv=1gm115源跟随器－考虑rO和RL后的增益1||ro1||ro2||RL||ro1||ro2||RL+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计16源跟随器－小信号特性－RinIinRin=VinIin低频下，Iin=0，因此，Rin=∞西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计()17源跟随器－小信号特性－RoutRout=1gm+gmb输出电阻小驱动低阻负载时的阻抗转换电路VTH=VTH0+2F+VSB2F西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计Av=18源跟随器－PMOS管做源随管采用PMOS管做源随管，能消除体效应gm1(rO1rO1)提高了线性度1+gm1(rO1rO1)源-衬寄生电容降低带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计19源跟随器－PMOS管做源随管采用PMOS管做源随管，能消除体效应在相同W/L和ID情况下，比NMOS管的大Rout=1gmrO1rO21gmRout,NMOS=gm1+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计20源跟随器－摆幅问题源跟随器会使信号直流电平产生VGS的平移，降低信号摆幅保证M1工作在饱和区VXVGS1VTH保证M2、M3都工作在饱和区VX(VGS3VTH)+VGS2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计21源跟随器－主要应用电压缓冲器输入阻抗大，输出阻抗小。在高输出阻抗电路（如电流源负载的共源级）驱动低阻负载时，插入源随器做电压缓冲级，实现阻抗转换电压平移电路VGS=VTH+VOV=2ICOXWL西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22本讲共漏级－源跟随器共栅级共源共栅级折叠共源共栅级手算时器件模型和公式的选择西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计23共栅级－简介源端输入直流耦合，交流耦合西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计饱和区1WL24共栅级－大信号特性Vb－VTH线性区截止区饱和区时Vout=VDDnCOX2(VbVinVTH)2RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1WL25共栅级－小信号特性－增益Vout=VDDnCOX2(VbVinVTH)2RD求Vout/Vin，得：Av=gm(1+)RD从小信号等效电路可得到相同结果体效应使跨导增大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计RD26共栅级－考虑rO和RS影响后的增益根据基尔霍夫电流定律，列Av=方程组可解得(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计27共栅级－实例1－求增益思路：利用戴维宁定理（等效电压源定理），把输入信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用已知的Av公式Av=(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RDRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计28共栅级－实例1－求增益西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1129共栅级－实例1－求增益Vin,eq=rO11rO1gmb1+gmb1gm1VinReq=rO11gmb11gm1将结果带入右式中即可Av=(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRS+RS+RDRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=RP=RDRP30共栅级－实例2－求增益输入信号为电流信号思路：用戴维宁定理，把输入电流信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用实例1的结果VoutVoutIinVin(gm+gmb)ro+1ro+(gm+gmb)roRP+RP+RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计Vin31共栅级－小信号特性－Rin从M1管源端看进去的电阻求，得：Rin=1/[gm(1+)]Iin输入阻抗小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计32共栅级－低Rin特性的应用根据传输线理论：对于50Ω传输线，接收端匹配50电阻时，反射回来的能量最小，功率传输效率最高a结构电压增益为gm1×50Ω;b结构为gm1×RDRin=1/[gm(1+)],gm=2nCOX(W/L)ID西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计+33共栅级－考虑rO后的Rin求VX/IX得RinRin=RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计+34共栅级－考虑rO后的Rin只有当RD较小时，Rin才会较小当RD很大时，Rin会很大RD无穷大时，Rin无穷大Rin=RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计35共栅级－小信号特性－Rout计算结果同带源极负反馈的共源级的RoutRout={[1+(gm+gmb)ro]RS+ro}||RD输出电阻很大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计36共栅级－主要应用输入信号为电流信号的情形与共源级结合构成共源共栅级西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计37本讲共漏级－源跟随器共栅级共源共栅级折叠共源共栅级手算时器件模型和公式的选择西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计38共源共栅级－简介共源级共栅级有重要应用西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计239共源共栅级－偏置要求要求M1和M2都饱和区VbVov1+VGS输入器件共源共栅器件VoutVov1+Vov2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计40共源共栅级－大信号特性Vin大于VTH1后继续增大，则：ID增大，VGS2增大，VX减小，到一定值时M1或M2进入线性区，增益（Vout曲线斜率）减小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计41共源共栅级－小信号特性－增益=时Av=gm1RD与M2管的跨导和体效应无关西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计42共源共栅级－小信号特性－Rout计算思路：负反馈电阻为rO1的共源级；输入信号内阻为RS的共栅级Rout=[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2M2管将M1管的输出阻抗提高为原来的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于实现高增益西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计43共源共栅级－小信号特性－Rout增加共栅管的级数能进一步提高Rout：Rout(gm3+gmb3)rO3(gm2+gmb2)rO2rO1代价是减小信号摆幅：VoutVov1+Vov2+Vov3Rout=[1+(gm3+gmb3)rO3]{从M2漏端看进去的电阻}+rO3=[1+(gm3+gmb3)rO3]{[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2}+rO3西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计44共源共栅级－Rout的比较rO4rO约为（gmrO）rOrO=1ID,1L相同ID下，（c）的Rout最大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计45共源共栅级－做理想电流源利用其高输出阻抗特性，实现接近理想特性的电流源Avgm1Rout代价：输出摆幅减小Voutswing=VDDVov1Vov2Vov3Vov4Rout={[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2}{[1+(gm3+gmb3)rO3]rO4+rO3}西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1Voutmb2)rO2共源共栅级－屏蔽特性XXVout端有ΔVout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响VX=rO1[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2Vout(gm2+g西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计4647共源共栅级－折叠式共源共栅共源共栅级由共源级实现电压到电流的转换，然后电流作为输入送到共栅级构成共源共栅级时共源管和共栅管类型可以不同相同gm时，直流偏置电流大输入摆幅大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计48共源共栅级－折叠式共源共栅输入摆幅大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计49共源共栅级－折叠式共源共栅向上折叠向下折叠西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计50共源共栅级－折叠式共源共栅Folded向上或向下折叠；小信号电流流向被改变西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计51共源共栅级－折叠式共源共栅大信号特性ID2变为0西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计52共源共栅级－折叠式共源共栅输出阻抗比非折叠共源共栅级小Rout=[1+(gm2+gmb2)rO2](rO1rO3)+rO2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计53共源共栅级－主要应用优点输出阻抗高高增益屏蔽特性好不足输出摆幅受一定影响折叠共源共栅级直流功耗大应用电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA等西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计54本讲共漏级－源跟随器共栅级共源共栅级折叠共源共栅级手算时器件模型和公式的选择西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计55手算时器件模型和公式的选择器件模型复杂度不同，计算复杂度不同，结果的精度不同电路小信号分析或设计过程把复杂电路拆分成自己熟悉的子电路用最简单器件模型分析子电路的小信号特性节点为高阻抗节点时，才计入rO影响再考虑体效应影响直流偏置的估算开始可以不考虑体效应和沟长调制效应根据计算机仿真结果微调，以修正手算误差