MOS模拟集成电路的基本单元电路课件.ppt
第四章 MOS模拟集成电路的基本单元电路,MOS场效应管的特点,MOS单级放大电路,MOS功率输出单元电路,MOS开关电容电路,MOS场效应管的模型,MOS场效应管的三种基本放大电路,MOS管有源负载,MOS管电流源,MOS管差分放大电路,第一节 MOS场效应管的特点,（1）MOS场效应管是一种电压控制器件；iD受uGS的控制。（2）MOS场效应管是单极型器件，温度稳定性好，抗辐射能力强。（3）输入电阻极高，一般高达1091012。（4）MOS场效应管所占芯片面积小、功耗很小，且制造工艺简单，因此便于集成。（5）因MOS场效应管既有N沟道和P沟道器件之分，又有增强型和耗尽型之别，它们对偏压极性有不同要求。,（6）MOS场效应管跨导gm较低（约为双极型晶体管的1/40），所以为了提高增益，减小芯片面积，常采用有源负载。（7）MOS场效应管存在背栅效应（也称衬调效应），为了减小栅源电压对漏极电流的影响，要保证衬底与沟道间的PN结始终处于反偏。（8）MOS场效应管的不足之处除了跨导gm较低以外，还有其工艺一致性较差、输入失调电压大、工作频率偏低，低频噪声较大等。,MOS场效应管的特点,第二节 MOS场效应管的模型,1.简化的低频交流小信号模型,简化的低频小信号模型（duBS=0）,求全微分得,正弦信号下,考虑到MOS管的输入电阻极高，(RGS可认为无穷大）。,若源、衬极相连，uBS=0,则可得简化的低频小信号模型如图,第二节 MOS场效应管的模型,2.高频交流小信号模型,MOS管完整的交流小信号模型如图,如果MOS管的源极与衬底相连，uBS=0,则它的高频小信号模型可以简化，其简化模型如图所示。,简化高频小信号模型,低频情况下，极间电容均可视为开路，于是也可得到简化低频小信号模型,一 场效应管的偏置电路,（一）自给偏置电路,(1)UGS=0时,IS=ID,RS两端电压为：US=IS RS,(2)由于 IG=0;UG=0:UGS=-IS RS=-ID RS,由此构成直流偏压，称为自给偏压方式。这种偏压方式只适合耗尽型FET。,1.基本型自给偏置电路,基本型自给偏置电路,第三节 场效应管的基本放大电路,2.改进型自给偏置电路,上述电路中RS起直流反馈作用，RS大，Q稳定；但RS大Q点低。问题：Q点低不仅使A，且由于接近夹断，非线性失真加大。,(1)由R1、R2分压，给RG一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。,(2)对于耗尽型FET：UGS=UDDR2/(R1+R2)-ID RS,此时：RS大Q点不会低。,显然对于JFET,当|US|UG|时，放大器才具有正确的偏压。,改进型自给偏置电路,ID=IDSS1(UGS/UGS.off)2,（二）外加偏置电路,外加偏置电路,对增强型MOSFET:UGS=0时，ID=0，必须靠外加偏压,(1)外加偏压UGS=UDDR2/(R1+R2),RG很大以减小对输入电阻的影响。,(2)改进型外加偏压：,UGS=UDDR2/(R1+R2)-ID RS,对增强型MOSFET,须保证|UG|US|时，放大器才具有正确的偏压。,UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UGUS=UGIDRS ID=IDSS1(UGS/UGS.off)2 UDS=UDDID(Rd+RS),共源基本放大 电路的直流通道,根据图可写出下列方程：,由上式可以解出UGSQ、IDQ和UDSQ。,二、三种基本放大电路,（一）共源组态基本放大器,(1)直流分析,电压增益为,1.未接CS时:等效电路如图:,一般 rds RD RL RS;rds可忽略。,（一）共源组态基本放大器,二、三种基本放大电路,RL=RD/RL,放大器的输入电阻为,放大器的输出电阻为,Ri=RG+(R1/R2)RG,Ro=RD/rds RD,2.接入CS时:,AU-gm RL,Ri=RG+(R1/R2)RG,Ro=RD/rds RD,共漏放大器电路,电压增益为,其等效电路如图:,（二）共漏组态基本放大器,共漏放大器电路如图:,Ri=RG,输入电阻为,式中:RL=rds/Rs/RL Rs/RL,交流等效电路,求输出电阻,1.求输出电阻的等效电路如图所示,2.求输出电阻:,Ugs=-Uot,Iot=Uot/Rs-gm Ugs=Uot(1/Rs+gm),根据输出电阻的定义：,Ro=Uot/Iot=1/(1/Rs+gm)=Rs/（1/gm）,与射极输出器类似:输出阻抗低电压增益近似为1,（二）共漏组态基本放大器,（三）共栅组态基本放大器,其等效电路如图:,共栅放大器电路如图:,与共基放大器类似:输入阻抗低输出阻抗高电压增益高,共栅放大器典型电路,所以，电压增益为:,式中:RL=RD/RL,共栅放大器等效电路,由电路方程：,输入电阻为:,Ri=Ui/Id1/gm,当rds RL,gm rds 1时：,所以：Ri R1/（1/gm）,输出电阻为:,Ro rds/RD RD,由,Ro,MOS管三种组态基本放大电路的基本特性,（一）增强型（单管）有源负载,将D、G短接（N沟道），电路如图：,R0,R0,等效电路如图：,显然：适当减小gm(或)可提高R0。,第四节 MOS管恒流源负载,（二）耗尽型（单管）有源负载：,将G、S短接（n沟道），电路如图:,R0,R0,等效电路如图,显然，与增强型MOS有源负载相比，它具有更高的R0,G,S间电压为 0,此时G,S间没有电流源,第五节 MOS管电流源,一、MOS 电流源,（一）、MOS镜像电流源（电路如图）,T1、T2均工作在恒流区,若T1、T2结构对称：则沟道的宽长比=1。得：Io=IR 成镜像关系,因为UGS1=UGS2,UGS,th1=UGS,th2,IG=0,所以,（二）、具有多路输出的几何比例电流源,若T1、T2结构不对称：则I02与IR成比例，比例系数为沟道的宽长比之比。设T1、T2、T3管的沟道宽长比分别为ST1、ST2、ST3，则有:,（电路如图）由（一）可知:,同时也有,第六节 MOS单级放大电路,有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：,1.E/E型NMOS放大器：放大管和负载管均为N沟道增强型（E型）的共源放大器。,2.E/D型NMOS放大器：放大管用增强型（E型），负载管 用耗尽型（D型），两管均为N沟的共源放大器。,3.CMOS有源负载放大器：是由增强型NMOS管（放大），和 增强型PMOS（有源负载）组成的放大器。,4.CMOS互补放大电路：采用极性不同（P、N沟道）的两只MOS管构成互补电路。,（一）、E/E型NMOS放大器,电路如图：（T1为放大管,T2为负载管）,（RO2=1/(gm2+gmb2)为T2管的等效电阻）。,电压增益:,此时衬底接地不考虑衬底效应,等效电路：,特点：1.由于ST1、ST2受工艺限制不能随意增加，AUE只能达到5-10倍（较小）。2.输入电阻很高，一般可达1010,输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds/RO2,（二）、E/D型NMOS放大器,1.电路如图:(T1为放大管，T2为负载管),2.等效电路如图:（RO2=1/gmb2为T2管的等效电阻）,电压增益:,输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds/Ro2,特点：1.增益高，因2为0.1左右，故AUD比AUE高一个数量级。（常用）,2.输入电阻为T1的栅源绝缘电阻，很高，一般可达10103.输出电阻比E/E型放大器高。,E/E型,（三）、CMOS放大器,电路如图:(B、S短接即UBS=0;UGS=0),等效电路如图:(T2管的等效负载Ro2=rds),电压增益：AU=-gm1(rds1/rds2),优点：1.增益高，g ds比gm或gmb小12个数量级，故在 同样工作电流条件下，AU远高于AUE、AUD-几百倍乃至上千倍）。,2.功耗小，在恒流区,输入电阻：Ri1010,输出电阻：,缺点：输出电阻比E/E型和E/D型高，负载能力较E/E型和E/D型差。,可见，在恒流区，ID越小，AU越高。所以，CMOS放大器可在较低的电流下工作，有利于降低功耗。,（四）、CMOS互补放大器,电路如图：,等效电路如图：,电压增益：,输入电阻：Ri1010,输出电阻：,增益高,，是CMOS有源负载放大器的2倍。,缺点：,级联时电平匹配困难，因此一般作输出级。,特点：,四种常用MOS单级放大器性能比较,第七节 MOS管差分放大电路,MOS管差分放大电路的基本形式：,1.E/E型NMOS差放电路,2.E/D型NMOS差放电路,3.CMOS差放电路,CMOS差放电路,E/D型NMOS差放电路,E/E型NMOS差放电路,MOS管差分放大电路的分析,利用分析双极型差分放大电路相类似的方法半边电路法,以E/D型NMOS差放电路为例,E/D型NMOS差放电路,双端输出差模电压增益：,单端输出差模电压增益：,单端输出共模电压增益：,共摸抑制比:,第八节 CMOS管功率放大电路,CMOS互补功率放大电路如图：,对比双极型甲乙类功放电路说明其工作原理。,T1、T2为互补源极跟随器；T3、T4的栅源电压UGS为T1、T2提供直流偏压，使T1、T2两管工作在甲乙类状态；T5与T6组成CMOS推动电路，T5是放大管，T6是T5的有源负载。,第九节 MOS模拟开关及开关电容电路,在模拟集成电路中，MOS管可做为：1.增益器件；2.有源负载；3.模拟开关(接近于理想开关),做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性：1.器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。2.控制端G与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之 间无直流电流。,从开关应用角度讲，NMOS优于PMOS，所以通常选用NMOS管做模拟开关。,一、单管 MOS传输门模拟开关,1.增强型单管MOS模拟开关电路,UGUGS,th时管子截止（Roff）。,UGUGS,th时管子导通（Ron0）。可近似等效为理想开关（如图）,（1）极间电容Cgs、Cgd、Csb、Cdb存在（2）Roff,Ron 0,(2)UGS Ron，但Cgs、Cgd串扰，所以应适当选择UGS,Ron，但极间电容，所以应适当选择,结论:(1),实际应用时，MOS管并非理想开关。实际等效电路如图,保证MOS模拟开关正常工作的条件,MOS开关的正常工作受限于与开关连接的电容值，时间常数是限制开关工作速度的重要因素。,保证开关工作的条件为：,开关工作频率 时钟控制频率,二、开关电容电路（简称SC电路）,开关电容电路的组成：由MOS模拟开关和MOS电容组成。,开关电容电路的功能：,当开关电容在集成电路中代替电阻时，又称为SC等效电阻电路。,SC等效电阻电路，分为,（1）并联型SC等效电阻电路，,（2）串联型SC等效电阻电路，,在时钟信号的控制下完成电荷的存储和转移。,（一）并联型SC等效电阻电路,（2）工作原理,当UG为高电平时，T1导通、T2截止，C接到U1得到充电电荷Q1=CU1,当UG为高电平时，T1截止、T2导通，C接到U2，C端电荷Q2=CU2,因此，在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为,Q=Q1-Q2=C(U1-U2),并联型SC等效电阻电路如图,（1）要求：同频、反相、等幅 且不重叠。波形如图,在周期TC内，从U1流向U2的平均电流为：,等效电阻为：,注意：要用上式给出的等效电阻R代替常规电阻值，必须满足以下条件：,1.采样频率fC远大于信号的最高频率fS。2.U1、U2 不受开关闭合的影响。,工作原理,在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为：,Q=Q1-Q2=C(U1-U2),显见，与并联型SC等效电阻电路的Q相同。所以，等效电阻也为：,（一）串联型SC等效电阻电路,串联型SC等效电阻电路如图,当UG为高电平时，T1导通、T2截止，C接到U1得到充电电荷Q1=C(U1-U2),当UG为高电平时，T1截止、T2导通，C接到U2，C端电荷Q2=0,本章小结,1.MOS集成电路的分类（NMOS、PNOS、CMOS、CMOS互补）,2.MOS器件作为有源负载（单管增强型、单管耗尽型、镜像电流源）,3.MOS器件作为开关的条件（开关工作频率时钟控制频率）,4.MOS管作为放大器件，构成放大器：,(1)E/E NMOS放大器,(2)E/D NMOS放大器,(3)CMOS放大器,(4)CMOS互补放大器,5.开关电容电路,SC等效电阻电路（串联型、并联型）,
