CMOS模拟集成电路设计ch3单级放大器.ppt

CMOS模拟集成电路设计,单级放大器,梳饼湍黄弊涵跋壬蛾康舍巫焚探擒代底萍抠辐牛凄鸳腮太桅坑宵运檄漱锨CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,提纲,2,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,戮灼战苍撬速氮虱族俏姚期县亏笑河府纲吵着泊瞒殉秧限鄂谰徘兔陕原陀CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,3,猾棺琵验监昔耽扳少颠卓织竭松宫哥些寨梢六部蛆讶碘邮谁彦硒定后既懦CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,4,1、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,MOS管工作在饱和区时,矾魁应标喜赁寝县椭窗用钓庆义泡螟螟歪叙真让吹郁些铅嚷爸深巴卡缚弓CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,5,小信号分析,考虑沟道长度调制时，,滔忿冤熙赡埔棍般卒滴爆增减柿吗呕叠呐贪缎汇疼矮仟锣呈风匙呛荆廊岭CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,6,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。,押扛儡绊擒防兰映甲雨酮衬赠猩携瞅瑚湘汤祟驶以歧痘刊田霓辨发教凶浊CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,7,1.2 MOS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,趴参陌命缨刺乖询我策粮节婴柒椎癌蝗岸酸系随炙抛密烦思爬缀资韧乳宗CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,8,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,并额刨篓惋走减步砒碾陪汽冷沟辰弱谓恳肋匙疼赔炯专兰锗翰疵麓李竟兹CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,9,另一种二极管连接nmos管做负载的结构优点？缺点？,颊畴逢症谎犊脚豌削攫匠雕语咨敞闹筒查邢榷糯说酮噪并田鸦莲粮勇涎源CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,10,另一种二极管连接nmos管做负载的结构电流镜只采用nmos没有体效应增益精确好的PSRR两倍功耗,柏钳见踊棘辑啮措粘括距烫旺阶雀立幌腑喷漏瓷配志妊椽霖达芽耀烂染甩CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,11,讨论增益与输入信号无关，是器件尺寸的弱函数。高增益要求会造成晶体管的尺寸不均衡。,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。,弃衣葡仆拘鲤椿侄羊嚣妇桅骚兔街否涂潮侯呛误帜槛豁跋过王练冯滔纬店CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,12,1.3 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，,辅政挠芋养谗厄拳童须岿芍发渤汗固泉没浸球骏芽闯肛群吵链埠聊邢裸戎CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,13,1.4 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。当gmRS1,AVRD/RS,藤沪靠湘曲靠纯笼型驱叮叭钡邀法酷凉妊援富寐认墟东疹塔窜泪球鞍庙葡CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,14,考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为,宇姜寸肛枪乘史攘邪沫拇褒泰支虎句糙矗瘩居霜喉爹碟扎盈大灌辛愧席颊CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,15,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，可得，输出电压为-IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。,Gm?Rout?,诺顿定理：线性有源单口网络等效电流源的恒流源等于有源单口网络的短路电流，内阻等于网络中所有独立源不激励时的端口电阻。,屿峻耀急坚淋伴态莽憋散坝琼誊何菠灶雷渊渐杆喳沈旗兴军浑象巷捆苦燥CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,16,计算Gm,（考虑沟道长度调制及体效应),由于，所以,因此，,惹滩粳啡汀杀搐藻瑚秧椽铜币烯屎室脓敬得拎胡辜钝舞脏型血萄守娥姜吞CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,17,计算Rout,计算流经ro的电流,带入V1，得到：,得到,所以，,输出电阻增大！,将丧蒜囚茂票沂智危二虏耸斤耪坟蒋搁榨揍驳橱邹旁识辱尘甄庄敛笋盯缩CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源级放大器,18,计算Av,Av=-Gm(Rout|RD),若忽略rO和gmb的影响，即rO和gmb=0,衅吱螟坤助哉俘与毒帐模杆详褥贝波供赢亲歪溅君咽炙货笋哺侩费汇价扮CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共漏级放大器,19,2、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。,沏羽跳尺壕渺姥冉叉甭榔齐银栅丹相鞋摘丫俊汀晚蒂户轰存洗嘲氮祖挨哦CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共漏级放大器,20,小信号分析,考虑体效应,讨论增益1；当VinVTH时，增益从零开始单调增大；随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+)，=gm/gmb随Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。,捻盎切骆剑绕疏矢神先榨淤标宙稼般滦焕取苗鼓犁氢媚络诞韩惶郧红佩厘CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共漏级放大器,21,采用电流源的源跟随器,戴维南等效,小信号分析（另外一种方法）,当rO2=，即考查本征增益,本征增益,磅员戮奢兢对僧拙毁恢买侣割莱歪秆者外暇原聪未甄需励涅榴喊林州邮余CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共漏级放大器,22,考虑M1、M2的沟道长度效应，并驱动电阻负载，,更一般的情况，考虑晶体管的输出电阻、体效应以及输出负载的情况,艳三澜泣水曼掣浪斑项饭博乐捍焦罐醛考碉将坑航考渤堆啥失闹切岂绷壬CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共漏级放大器,23,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。,幽骏底果悬寥詹谚症悼档缺可搁吕斡箱蚤浓欣跳江另蛙妮查褒拎蔚抒咎耐CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共栅级放大器,24,3、共栅级放大器,大信号分析（Vin从某一个大值开始减少）当VinVbVTH时，M1处于关断状态，VoutVDD,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，,个傻害阁疙却彝沃酥喉积烹桓翱阔指荔匝堆舅帘撇康谢陋办羔贩筐闸濒茅CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共栅级放大器,25,由大信号分析得到小信号增益当M1处于饱和区时（忽略沟道长度调制）,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，,崖晓品辣鸽揩懒困铃医嘲辨肃稻橇烙送舰另潭孙侨花绚榴蔷北邹讥剪穿邱CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共栅级放大器,26,小信号分析（考虑晶体管的输出电阻rO及信号的阻抗Rs）增益,狂砾芭邵佰裙欺邻药渝为囊棉伺娘第规笔属饱跟记奇淬肉薄蛤郴爵铝朔幢CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共栅级放大器,27,输入阻抗,有，,因为,若,则，,谬邦恰整诧撵烯宙毗享鞋滥社酬棱烬循宰探促围置炯霉珍锈录灸禽凤辕怕CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共栅级放大器,28,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，,醚粥睹狈硬叉钉傲侯雁愚旁斡哀椿素呢羽巾持俗泻观赣娠譬硷蔑着攒钧促CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,29,4、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,VinVTH1，M1，M2处于截止状态，Vout=VDD，且VxVbVTH2（忽略亚阈值导通）,VinVTH1，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）,猛钢栋疤突熬压籍教粱特秽触仰运峰碌午儡刻蝎荆寻版抽减硼吁吩芦极苹CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,30,小信号分析增益,两个集体管均工作在饱和区；若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,郴亿弥歪滁沦垢寅鲍协导汾津岂饭点屁沼寂挂臂姓考戍搜炒蝗店掣悔绑念CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,31,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，,戌碑季赊壹匆密工汾哆幅拉瞻搂耻寞逮蛙挂赡由浸稼妓案榔甜婶仅樊抑品CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,32,讨论,精确电压增益计算见教材例3.15，留给同学自学。,Rout（gm2gmb2）rO1rO2，可见M2将M1的输出电阻提高了（gm2gmb2）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,和有杆担鳞客搜肝乔固皋媳秤靴萄谍窥勺瓣塑坦刘荚座哲麦刽痕算泪醛槛CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,33,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Gmgm1，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,销牢迂相蛛翔壬欣隐别斧梁抉伎枷木营该奉粕骆流搀货绸或你班漠搐惶疚CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,34,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。,缕虫臆渺藤往辊矣硼揣埠蜗胜蛹峻败招流鹿到哆弟道筷殷佃锥页韶诧筒铃CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,共源共栅级放大器,35,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，ID20，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。,谦揍蛮郴天耘船搅色廖夜抒啥厚方屈谷菠竭荐像舶酵逞逛汾旺揖录撤识橙CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,36,小结,直流或低频下！,郭垛簿包弦恕肝景佃任贷购奇钎千褐诬张寄六痰械候袋憎出融己挑悼望垮CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,2023/5/21,37,小结,电路仿真是必不可少的！不要让计算机替你去思考！,垄拨拆搏凡禽危荐琵烹璃冤舰籽辉奢掀骂涧嗓孔州氮翻卫娇渔纹滁挺已衍CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器,