3哈尔滨工业大学CMOS模拟集成电路设计_ch3

王永生HarbinInstituteofTechnologyMicroelectronicsCenterCMOS模拟集成电路设计单级放大器HITMicroelectronics王永生提纲2020/7/112提纲1、共源级放大器2、共漏级放大器（源跟随器）3、共栅级放大器4、共源共栅级放大器HITMicroelectronics王永生2020/7/113HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1141、共源级放大器1.1电阻做负载的共源级放大器大信号分析cutoffactivetriodeMOS管工作在饱和区时HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/115小信号分析考虑沟道长度调制时，HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/116讨论增益对信号电平的依赖关系导致了非线性增大W/L、或增大VRD、或减小ID，都可以提高Av。但是，较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较高的VRD会限制最大电压摆幅。若VRD保持常数，减小ID，则必须增大RD，导致更大的输出节点时间常数。HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1171.2MOS二极管连接做负载的共源级MOS二极管连接二极管连接的阻抗为二极管连接的阻抗为考虑体效应时HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/118增益NMOS二极管连接做负载其中没有体效应PMOS二极管连接做负载HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/119讨论增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。高增益要求会造成集体管的尺寸不均衡。例：为了达到10倍增益，，则(W/L)1=50(W/L)2在这个例子中，M2的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电压摆幅。允许的输出电压摆幅减小。HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/11101.3电流源负载的共源级放大器讨论获得更大的增益M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。长沟器件可以产生高的电压增益。同时增加W、L将引入更大的节点电容。↑ID→AV↓考虑沟道长度调制，DDDVIIIA1)(1211HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/11111.4带源级负反馈的共源级放大器小信号直接分析方法这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应讨论增加源级负反馈电阻，使增益是gm的弱函数，实现线性的提高。线性化的获得是以牺牲增益为代价的。HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1112考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1113小信号等效分析辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，输出电压为-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。Gm?Rout?HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1114计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)由于，所以因此，HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1115计算Rout流经ro的电流：得到所以，HITMicroelectronics王永生共源级放大器2020/7/1116计算AvAv=-Gm(Rout||RD)HITMicroelectronics王永生共漏级放大器2020/7/11172、共漏级放大器（源跟随器）大信号分析当VinVTH时，M1处于截止状态，Vout等于零；Vin增大并超过VTH，M1导通进入饱和区；Vin进一步增大，Vout跟随Vin的变化，且两者之差为VGS。HITMicroelectronics王永生共漏级放大器2020/7/1118小信号分析考虑体效应讨论增益1；当Vin≈VTH时，增益从零开始单调增大；随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)，η随Vout增大而减小，所以Av趋近1。HITMicroelectronics王永生共漏级放大器2020/7/1119采用电流源的源跟随器戴维南等效小信号分析HITMicroelectronics王永生共漏级放大器2020/7/1120考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，HITMicroelectronics王永生共漏级放大器2020/7/1121讨论即使源跟随器采用理想电流来偏置，输入输出特性仍呈现一些非线性。将衬底和源连接在一起，就可以消除由体效应带来的非线性。对于N阱工艺，可采用PMOS来实现。源跟随器使信号直流电平产生VGS的移动，会消耗电压余度。HITMicroelectronics王永生共栅级放大器2020/7/11223、共栅级放大器大信号分析（Vin从某一个大值开始减少）当Vin≥Vb－VTH时，M1处于关断状态，Vout＝VDD当Vin较小时，且M1处于饱和区，当Vin即一步减小，Vout也逐步减小，最终M1进入线性区，此时，HITMicroelectronics王永生共栅级放大器2020/7/1123由大信号分析得到小信号增益当M1处于饱和区时讨论：增益是正值；体效应使共栅极的等效跨导变大了；共栅极放大器的输入阻抗较小。因此，而得到，HITMicroelectronics王永生共栅级放大器2020/7/1124小信号分析（考虑晶体管的输出电阻及信号的阻抗）增益HITMicroelectronics王永生共栅级放大器2020/7/1125输入阻抗有，因为若则，HITMicroelectronics王永生共栅级放大器2020/7/1126输出阻抗与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一致。因此，输出电阻，DOsOmbmoutRrRrggR||}])(1{[HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/11274、共源共栅级放大器偏置条件使M1，M2都处于饱和区，大信号分析Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚阈值导通）Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降，Vx下降。如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。（与器件尺寸、RD及Vb有关）HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1128小信号分析增益两个集体管均工作在饱和区；若λ＝0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅极电路，所以，Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin•当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。Av=Vout/Vin=-gm1RD而V1=Vin，所以HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1129输出阻抗（考虑两管的沟道长度调制效应）电路可以看成带负反馈rO1的共源级，因此，HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1130讨论精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。Rout≈（gm2＋gmb2）rO1rO2，可见M2将M1的输出电阻提高了（gm2＋gmb2）rO2倍。具有屏蔽特性。屏蔽输入器件，不受输出结点影响。根据线性电路电压增益等于-GmRout，增大Rout可以提高增益。例子：粗略计算，，得到HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1131讨论（续）可用来构成恒定电流源。高的输出阻抗提供一个接近理想的电流源。采用PMOS的共源共栅结构，电流源的表现的输出阻抗为因此，而Gm≈gm1，所以，电压增益近似等于消耗较大的电压余度，采用共源共栅电流源的共源共栅放大器的最大输出摆幅HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1132折叠式共源共栅放大器所谓“折叠”针对小信号电流。小信号分析与共源共栅放大器一致。为了获得相当的性能，折叠式共源共栅放大器的总偏置电流应该比共源共栅放大器的大。HITMicroelectronics王永生共源共栅级放大器2020/7/1133大信号分析如果VinVDD-|VTH1|，M1截止，电流I1全部通过M2，有Vout=VDD-I1RD如果VinVDD-|VTH1|，M1开启处于饱和区，随着Vin↓，ID2↓，当ID1=I1时，ID2＝0，有当Vin下降到Vin1以下，ID1趋向大于I1，迫使M1进入线性区使ID1=I1。HITMicroelectronics王永生2020/7/1134小结小信号增益输出电阻输入电阻摆幅线性度共源级电阻负载∞－－二极管负载忽略λ忽略λ∞小较好带源级负反馈忽略λγ∞－好共漏极（电流源负载）忽略λ忽略λ∞小差共栅极忽略λ－－共源共栅级（电流源负载）∞小－outmRg)||(ODrR22mbmmggg221mbmggsmDmRgRg1DsOsmbmRRrRgg||}])(1{[直流或低频下！1mbmmgggmbmgg1DmbmRgg)(OmbmODrggrR)(1DOsOmbmRrRrgg||}])(1{[12221)(OOmbmmrrggg1222)(OOmbmrrggHITMicroelectronics王永生2020/7/1135小结电路仿真是必不可少的！不要让计算机替你去思考！