3哈尔滨工业大学CMOS模拟集成电路设计.pptx

王永生Harbin Institute of TechnologyMicroelectronics CenterCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计单级放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生提纲2024/4/8 周一2提纲提纲n n1、共源级放大器n n2、共漏级放大器（源跟随器）n n3、共栅级放大器n n4、共源共栅级放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生2024/4/8 周一3HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一41、共源级放大器、共源级放大器n n1.1 电阻做负载的共源级放大器n n大信号分析大信号分析cutoffactivetrioden nMOSMOS管工作在饱和区时管工作在饱和区时HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一5n n小信号分析小信号分析n n考虑沟道长度调制时，考虑沟道长度调制时，HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一6n n讨论讨论n n增益对信号电平的依赖关系导致了非线性增益对信号电平的依赖关系导致了非线性n n增大增大W/LW/L、或增大、或增大V VRDRD、或减小、或减小I IDD，都可以提高，都可以提高A Av v。但是，但是，n n较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。n n较高的较高的V VRDRD会限制最大电压摆幅。会限制最大电压摆幅。n n若若V VRDRD保持常数，减小保持常数，减小I IDD，则必须增大，则必须增大R RDD，导致更大的，导致更大的输出节点时间常数。输出节点时间常数。HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一7n n1.2 MOS二极管连接做负载的共源级n nMOSMOS二极管连接二极管连接二极管连接的阻抗为二极管连接的阻抗为n n考虑体效应时考虑体效应时HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一8n n增益增益n nNMOSNMOS二极管连接做负载二极管连接做负载其中没有体效应n nPMOSPMOS二极管连接做负载二极管连接做负载HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一9n n讨论讨论n n增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。n n高增益要求会造成集体管的尺寸不均衡。高增益要求会造成集体管的尺寸不均衡。例：为了达到例：为了达到1010倍增益，倍增益，则，则(W/L)(W/L)1 1=50(W/L)=50(W/L)2 2在这个例子中，在这个例子中，MM2 2的过驱动电压应该是的过驱动电压应该是MM1 1的过驱动电压的的过驱动电压的1010倍。倍。若若V VGS1GS1-V-VTH1TH1=200mV=200mV，|V|VTH2TH2|=0.7V|=0.7V，|V|VGS2GS2|=2.7V|=2.7V，严重制约输出电压，严重制约输出电压摆幅。摆幅。n n允许的输出电压摆幅减小。允许的输出电压摆幅减小。HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一10n n1.3 电流源负载的共源级放大器n n讨论讨论n n获得更大的增益获得更大的增益n nMM2 2的输出阻抗与所要求的的输出阻抗与所要求的MM2 2的最小的最小|V|VDSDS|之间联系之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。较弱，因此对输出摆幅的限制较小。n n长沟器件可以产生高的电压增益。长沟器件可以产生高的电压增益。n n同时增加同时增加WW、L L将引入更大的节点电容。将引入更大的节点电容。n n I IDD A AV V 考虑沟道长度调制，HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一11n n1.4 带源级负反馈的共源级放大器n n小信号直接分析方法这里，没有考虑体效应这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应和沟道长度调制效应n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。HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一12n n考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为信号模型为HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一13n n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?HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一14n n计算计算GGmm（考虑沟道长度调制及体效应（考虑沟道长度调制及体效应)由于 ，所以因此，HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一15n n计算计算R Routout流经ro的电流：得到所以，HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共源级放大器2024/4/8 周一16n n计算计算A Av vAv=-Gm(Rout|RD)HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共漏级放大器2024/4/8 周一172、共漏级放大器（源跟随器）、共漏级放大器（源跟随器）n n大信号分析当当V VininVVTHTH时，时，MM1 1处于截止状态，处于截止状态，V Voutout等于零；等于零；V Vinin增大并超过增大并超过V VTHTH，MM1 1导通进入饱导通进入饱和区；和区；V Vinin进一步增大，进一步增大，V Voutout跟随跟随V Vinin的变化，的变化，且两者之差为且两者之差为V VGSGS。HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生共漏级放大器2024/4/8 周一18n n小信号分析考虑体效应n n讨论讨论n n增益增益1VVDDDD-|V-|VTH1TH1|，MM1 1截止，电流截止，电流I I1 1全部通过全部通过MM2 2，有，有V Voutout=V=VDDDD-I-I1 1R RDDn n如果如果V VininVVDDDD-|V-|VTH1TH1|，M1M1开启处于饱和区，开启处于饱和区，n n随着随着V Vinin ，I ID2D2，当，当I ID1D1=I=I1 1时，时，I ID2D20 0，有，有n n当当V Vinin下降到下降到V Vin1in1以下，以下，I ID1D1趋向大于趋向大于I I1 1，迫使，迫使MM1 1进入线性区使进入线性区使I ID1D1=I=I1 1。HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生2024/4/8 周一34小结小结小信号增益小信号增益输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻摆幅摆幅线性度线性度共共源源级级电阻负载电阻负载 二极管二极管负载负载忽略忽略 忽略忽略 小小较好较好带源级带源级负反馈负反馈忽略忽略 好好共漏极共漏极（电流源负载）（电流源负载）忽略忽略 忽略忽略 小小差差共栅极共栅极忽略忽略 共源共栅级共源共栅级（电流源负载）（电流源负载）小小直流或低频下！HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生2024/4/8 周一35小结小结电路仿真是必不可少的！电路仿真是必不可少的！不要让计算机替你去思考！不要让计算机替你去思考！