模拟cmos集成电路设计拉扎维第3章单级放大器一名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,模拟集成电路原理,第3章 单级放大器,董刚,gdong,微电子学院,1,第1页,2,上一讲,基本概念,简化模型开关,结构,符号,I/V特征,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,第2页,3,MOS饱和区时小信号模型,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第3页,I,D,W,L,=,W,=,n,C,(,V,GS,V,TH),饱和区时,ox,L,4,跨导g,m,V,GS,对I,DS,控制能力,I,DS,对V,GS,改变灵敏,度,g,m,=,g,m,=,2,n,C,ox,I,D,V,GS VDS cons,tan,t,2I,D,V,GS,V,TH,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第4页,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,第5页,6,信号放大,基本功效,为何信号需要放大？,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，改进线性度、带宽、输入,/输出电阻、提升增益精度等,单级放大器,学习其分析方法,了解复杂电路基础,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第6页,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)改变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,第7页,8,放大器性能参数,参数之间相互,制约，设计时,需要在这些参,数间折衷,AIC设计,八边形法则,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第8页,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,第9页,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,第10页,11,共源级电阻做负载,大信号分析,线性区时,深线性区时,V,out,2(,V,in,V,TH,),西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第11页,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改变而改变，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,第12页,W,L,13,共源级电阻做负载,A,v,最大化,Av,=g,m,R,D,A,v,=,2,n,C,ox,W,L,V,RD,I,D,g,m,=,n,C,ox,(,V,GS,V,TH,),增大W/L；寄生电容增大，带宽减小,增大V,RD,；输出摆幅减小,减小I,D,；R,D,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,第13页,14,共源级电阻做负载,考虑沟长调制效应,I,D,=,1/,r,O,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第14页,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,第15页,16,共源级电流源做负载,能取得较大增益,A,v,=,g,m,(,r,o,|,R,D,),A,v,=g,m,r,o,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,第16页,=,17,共源级电流源做负载,本征增益,A,v,=,g,m,r,o,g,m,=,2,I,D,V,GS,V,TH,r,O,=,1,I,D,A,v,=,(,V,GS,2 2,V,A,V,TH,),V,OV,V,OV,普通不能随工艺下降，要确保强,反型（100mV以上），普通取200mV,本征增益约50110,0.4m工艺时最小LNMOS管,V,A,NMOS,=11V，V,A,PMOS,=5.5V,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,L增大时能够更大,1/g,m,r,O,成立,第17页,18,共源级电阻做负载实际应用情况,在CMOS工艺下，准确阻值,电阻难加工,阻值小时增益小，阻值大时，,电阻尺寸太大，还会降低输,出摆幅,普通用MOS管代替电阻做负载,二极管接法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,第18页,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,第19页,20,共源级二极管接法MOS 管做负载,二极管接法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,第20页,21,共源级二极管接法MOS 管做负载无体效应时阻抗,I,X,=,V,X,/,r,O,+,g,m,V,1,二极管阻抗,=,(1/,g,m,),r,O,1/,g,m,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第21页,V,x,=,22,共源级二极管接法MOS 管做负载,有体效应时阻抗,(g,m,+,g,mb,)V,x,+=,I,x,r,o,V,x,1,I,x,g,m,+,g,mb,|,r,o,1,g,m,+,g,mb,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,第22页,23,共源级二极管接法MOS 管做负载,增益,A,v,=,g,m,(,r,o,|,R,D,),R,D,忽略r,O,影响,1,g,m,+,g,mb,A,v,=,g,m1,1,g,m2,+,g,mb2,=,g,m1,1,g,m2,1,+,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第23页,1,g,m1,1,=,24,共源级二极管接法MOS 管做负载,增益特点,A,v,=g,m1,g,m2,+g,mb2,g,m2,1+,g,m,=,2,n,C,ox,W,L,I,D,A,v,=,(W/,L),1,1,(W/,L),2,1,+,忽略随V,out,改变时，增益只于W/L有,关，与偏置电流、电压无关，线性度很好,=,2,q,si,N,sub,C,ox,g,mb,=,g,m,2 2,F,+,V,SB,=,g,m,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第24页,W,1,W,W W,共源级二极管接法MOS 管做负载,大信号特征,1,2,n,C,OX,(),1,(,V,in,V,TH,1,),2,L,=,n,C,OX,(),2,(,V,DD,V,out,V,TH,2,),2,2,L,(),1,(,V,in,V,TH,1,),=,(),2,(,V,DD,V,out,V,TH,2,),L L,若V,TH2,随,V,out,改变很,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,转换点,25,第25页,26,共源级二极管接法MOS 管做负载,用PMOS管做负载时,PMOS管无体效应,忽略r,O,时,A,v,=,n,(,W,/,L,),1,p,W,/,L,),2,优点：增益只于尺寸相关，线性度好,缺点1：大增益需要极大器件尺寸,若要求A,v,=10，则,n,=2,p,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,第26页,W W,2,=,27,共源级二极管接法MOS 管做负载,缺点2：输出摆幅小,V,out,1/g,m,时，G,m,1/R,S,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第37页,=,38,共源级带源极负反馈,考虑g,mb,和r,O,等效跨导G,m,和增益,G,m,=,I,out,g,m,r,o,V,in,R,S,+,1,+,(,g,m,+,g,mb,),R,S,r,o,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第38页,39,共源级带源极负反馈,跨导G,m,和增益,比较,G,m,=,g,m,1,+,g,m,R,S,A,v,=,G,m,R,D,=,g,m,R,D,1,+,g,m,R,S,当R,S,=0时,当R,S,0时,V,in,较小时，1/g,m,R,S,，G,m,g,m,；,V,in,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,第39页,40,共源级带源极负反馈,A,v,=,g,m,R,D,1+,g,m,R,S,=,R,D,1/,g,m,+,R,S,A,v,=“在漏极节点看到电阻”/“在源极,通路上看到电阻”,能够极大地简化更复杂电路分析,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第40页,41,共源级带源极负反馈,输出电阻,R,OUT,=,1,+,(,g,m,+,g,mb,),r,o,R,S,+,r,o,R,OUT,=,r,o,r,o,1,+,(,g,m,+,g,mb,),R,S,输出电阻增大了很多,A,v,=G,m,R,D,|,r,o,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,第41页,I,out,g,m,r,G,m,=,共源级带源极负反馈,考虑体效应和沟长调制效应后增益,V,in,R,S,+,1,+,(,g,m,+,g,mb,),R,S,r,o,Gm,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,输出电阻,42,第42页,43,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,第43页,44,作业,3.3,3.24,习题设计尤其好，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,第44页,