模拟集成电路设计单级放大器(一)

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上一讲基本概念简化模型－开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理3MOS饱和区时的小信号模型西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理IDWL=W=nC(VGSVTH),饱和区时oxL4跨导gmVGS对IDS的控制能力IDS对VGS变化的灵敏度gm=gm=2nCoxIDVGSVDSconstant2IDVGSVTH西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理5本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理6信号放大基本功能为什么信号需要放大？信号太小，不能驱动负载降低后续噪声影响用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入/输出电阻、提高增益精度等单级放大器学习其分析方法理解复杂电路的基础西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理7放大器基础知识输入输出关系在一定信号范围内可用非线性函数表示在取值范围足够小时a0是直流偏置点，a1是小信号增益当x(t)变化幅度过大时会影响偏置点，需用大信号分析；会影响线性度西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理8放大器的性能参数参数之间互相制约，设计时需要在这些参数间折衷AIC设计的八边形法则西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理9本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理10共源级—电阻做负载大信号分析饱和区时转换点Vin1线性区时西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理11共源级—电阻做负载大信号分析线性区时深线性区时Vout2(VinVTH)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理12共源级—电阻做负载小信号分析饱和区时大信号关系式小信号增益与小信号等效电路结果一致增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理WL13共源级—电阻做负载Av的最大化Av=mRDAv=2nCoxWLVRDIDgm=nCox(VGSVTH)增大W/L；寄生电容增大，带宽减小增大VRD；输出摆幅减小减小ID；RD会很大，输出节点时间常数增大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理14共源级—电阻做负载考虑沟长调制效应ID=1/rO西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理15共源级—电阻做负载考虑沟长调制效应西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理16共源级—电流源做负载能获得较大的增益Av=gm(ro||RD)Av=gmro本征增益本征增益为多大？西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理=17共源级—电流源做负载本征增益Av=gmrogm=2IDVGSVTH,rO=1IDAv=(VGS22VAVTH)VOVVOV一般不能随工艺下降，要保证强反型（100mV以上），一般取200mV本征增益约50~1100.4μm工艺时最小L的NMOS管VA,NMOS=11V，VA,PMOS=5.5V西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理L增大时可以更大1/gmrO成立18共源级—电阻做负载实际应用情况在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工阻值小时增益小，阻值大时，电阻的尺寸太大，还会降低输出摆幅一般用MOS管代替电阻做负载二极管接法的MOS管、电流源、线性区MOS管西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理19本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理20共源级—二极管接法的MOS管做负载二极管接法的MOS管做为小信号电阻来用西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理21共源级—二极管接法的MOS管做负载无体效应时的阻抗IX=VX/rO+gmV1二极管阻抗=(1/gm)rO1/gm西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理Vx=22共源级—二极管接法的MOS管做负载有体效应时的阻抗(gm+gmb)Vx+=IxroVx1Ixgm+gmb||ro1gm+gmb二极管阻抗比无体效应时小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理23共源级—二极管接法的MOS管做负载增益Av=gm(ro||RD)RD忽略rO的影响1gm+gmbAv=gm11gm2+gmb2=gm11gm21+西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理1gm11=24共源级—二极管接法的MOS管做负载增益的特点Av=m1gm2+mb2gm21+gm=2nCoxWLIDAv=(W/L)11(W/L)21+忽略η随Vout的变化时，增益只于W/L有关，与偏置电流、电压无关，线性度很好=2qsiNsubCoxgmb=gm22F+VSB=gm西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理W1共源级—二极管接法的MOS管做负载大信号特性12nCOX()1(VinVTH1)2L=nCOX()2(VDDVoutVTH2)22L()1(VinVTH1)=()2(VDDVoutVTH2)LL若VTH2随Vout变化很小，则有很好线性度进入线性区西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理的转换点2526共源级—二极管接法的MOS管做负载用PMOS管做负载时PMOS管无体效应忽略rO时Av=n(W/L)1p(W/L)2优点：增益只于尺寸有关，线性度好缺点1：大增益需要极大的器件尺寸若要求Av=10，则μn=2μp时，（W/L）1=50（W/L）2（W/L）过大会使寄生电容较大，影响带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理WW2=27共源级—二极管接法的MOS管做负载缺点2：输出摆幅小VoutVDDVTH2若要求Av=-10，当VGS1-VTH1=200mV，VTH=0.7V时，VSG2=2.7V。若VDD=3.3V，则Vout不能大于0.6V，否则不能保证Av=-10n()1(VGS1VTH1)p()2(VGS2VTH2)2LL|VGS2VTH2|(VGS1VTH1)n(W/L)1p(W/L)2=Av西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理r1)28共源级—二极管接法的MOS管做负载考虑rO后的增益Av=gm(O1||RD)RD=1gm2//rO2Av=gm1(gm2rO1rO2如何获得单级更高增益？西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理29本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理1L1130共源级—电流源做负载Av=mro1||ro2当ro2远大于ro1时Av=mro1=2nCoxIDW1L1IDro=IDID在漏电流一定时，单增大L可增大增益，但同时会增大寄生电容单纯地增大ID会减小增益(1+VDS),VDS=L/LL'L1=VDSLLL西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理31本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理W32共源级－深线性区MOS管做负载Vb要足够低，使M2工作在深线性区RON2=nCoxL21(VDDVb|VTHP|)Av=mRON2优点：输出摆幅大（可以为VDD）缺点：要得到精准的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比较难西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理33本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理34共源级－带源极负反馈负反馈电阻如何改善非线性？方法之一是前面用二极管接法MOS管做负载方法之二是引入用Av=n(W/L)1源极负反馈电阻p(W/L)2增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理35共源级－带源极负反馈等效跨导GmVout=IDRDID=f(VGS)Av=VoutVin=RDIDVin定义等效跨导Gm=IDVin西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理VGSVinmSfVGSgmGm==36共源级－带源极负反馈等效跨导Gm和增益VGS=VinIDRS=1RSID=f(VGS)IDG=(1RID)fVinVinVGS=(1RSGm)=(1RSGm)gm西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理1+gmRSAv=GmRDgmRD1+gmRS37共源级－带源极负反馈等效跨导Gm和增益Gm=gm1+gmRSAv=GmRD=gmRD1+gmRS随着RS增大，Gm和增益都变为gm的弱函数,提高了线性度；但以牺牲增益为代价当RS1/gm时，GmS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理=38共源级－带源极负反馈考虑gmb和rO的等效跨导Gm和增益Gm=IoutgmroVinRS+[1+(gm+gmb)RS]ro西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理39共源级－带源极负反馈跨导Gm和增益的比较Gm=gm1+gmRSAv=GmRD=gmRD1+gmRS当RS=0时当RS时Vin较小时，1/gmRS，Gmm；Vin增小时，负反馈效应显现西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理40共源级－带源极负反馈Av=mRD1+gmRS=RD1/gm+RSAv=“在漏极节点看到的电阻”/“在源极通路上看到的电阻”可以极大地简化更复杂电路的分析西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理41共源级－带源极负反馈输出电阻ROUT=[1+(gm+gmb)ro]RS+roROUT=ro'ro[1+(gm+gmb)RS]输出电阻增大了很多Av=mRD||ro'西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理IoutgmrGm==共源级－带源极负反馈考虑体效应和沟长调制效应后的增益VinRS+[1+(gm+gmb)RS]roGm西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理输出电阻4243本讲放大器基础知识共源级—电阻做负载共源级—二极管接法的MOS管做负载共源级—电流源做负载共源级－深线性区MOS管做负载共源级－带源极负反馈西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理44作业3.3,3.24习题设计的特别好，每道题都值得一做西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理