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1、,模拟集成电路原理,第3章 单级放大器,1,2,上一讲,基本概念,简化模型开关 结构 符号,I/V特性 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,3,MOS饱和区时的小信号模型,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,ID,W,L,=,W,= nC (VGS VTH ), 饱和区时,ox,L,4,跨导gm,VGS对IDS的控制能力,IDS对VGS变化的灵敏度,gm = gm = 2nCox ID VGS VDS cons tan t 2ID VGS V TH 西电微电子学院董刚模拟集成电路
2、原理,5,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,6,信号放大,基本功能,为什么信号需要放大？,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，改善线性度、带宽、输入,/输出电阻、提高增益精度等,单级放大器,学习其分析方法,理解复杂电路的基础,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,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)变化幅度过大时会影响偏置 点
3、，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,8,放大器的性能参数,参数之间互相 制约，设计时 需要在这些参 数间折衷,AIC设计的 八边形法则,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,9,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,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,11,共源级电阻做负载,大信号分析,线性区时,深线性区时,Vout 2(Vin VTH ),西电微电
4、子学院董刚模拟集成电路原理,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的变化而变化，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,W,L,13,共源级电阻做负载 Av的最大化 Av = gm RD,Av = 2n Cox,W L,VRD ID,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VRD；输出摆幅减小 减小ID；RD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,14,共源级电阻做负载,考虑沟长调制效应,I D = 1/ rO,西电微电
5、子学院董刚模拟集成电路原理,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,16,共源级电流源做负载 能获得较大的增益 Av = g m ( ro | RD),Av = g m ro,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,=,17,共源级电流源做负载 本征增益,Av = g m ro gm =,2ID VGS VTH, rO =,1 ID,Av =,(VGS,2 2VA VTH ) VOV,VOV一般不能随工艺下降，要保证强 反型（100mV以上），一般取200mV 本征增益约50110,0.4m工艺时最小L的NMOS管 VA,NMOS=
6、11V， VA,PMOS=5.5V 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,L增大时可以更大 1/gmrO成立,18,共源级电阻做负载,实际应用情况,在CMOS工艺下，精确阻值的 电阻难加工,阻值小时增益小，阻值大时， 电阻的尺寸太大，还会降低输 出摆幅,一般用MOS管代替电阻做负载,二极管接法的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,19,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,20,共源级二极管接法的MOS 管做负载,二极管
7、接法的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,21,共源级二极管接法的MOS 管做负载,无体效应时的阻抗,I X = VX / rO + g mV1,二极管阻抗 = (1 / g m ) rO 1 / g m,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,Vx,=,22,共源级二极管接法的MOS 管做负载 有体效应时的阻抗,(gm + gmb)V x + = Ix ro,Vx 1 Ix gm + gmb,| ro ,1 gm + gmb,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,23,共源级二极管接法的MOS 管做负载 增益,Av = g m ( ro |
8、 RD) RD 忽略rO的影响,1 gm + gmb,Av = gm1,1 gm2 + gmb2,=,gm1 1 gm2 1 + ,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,1 gm1 1,=,24,共源级二极管接法的MOS 管做负载,增益的特点,Av =gm1,gm2 +gmb2 gm2 1+,g m =,2 n C ox,W L,I D,Av = ,(W / L)1 1 (W / L)2 1 + ,忽略随Vout的变化时，增益只于W/L有 关，与偏置电流、电压无关，线性度很好, =,2qsiNsub Cox,g mb = g m, 2 2 F + V SB,= g m,西电微电子学院董刚模拟集成
9、电路原理,W,1 W,W W,共源级二极管接法的MOS 管做负载,大信号特性 1 2, n COX ( )1 (Vin VTH 1 ) 2 L,= n COX ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) 2 2 L ( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) L L 若VTH2随 Vout变化很 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,的转换点 25,26,共源级二极管接法的MOS 管做负载 用PMOS管做负载时 PMOS管无体效应 忽略rO时,Av = ,n (W / L)1 p (W / L) 2,优点：增益只于
10、尺寸有关，线性度好 缺点1：大增益需要极大的器件尺寸 若要求Av=10，则n=2p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,W W,2,=,27,共源级二极管接法的MOS 管做负载 缺点2：输出摆幅小 Vout VDD VTH 2 若要求Av=-10，当VGS1-VTH1=200mV， VTH=0.7V时，VSG2=2.7V。 若VDD=3.3V，则Vout不能大于0.6V，否 则不能保证Av=-10 n ( )1 (VGS 1 VTH 1 ) p ( ) 2 (VGS 2 VTH 2 ) 2 L L,| VGS2 VTH
11、2 | (VGS1 VTH1),n (W / L)1 p (W / L)2,= Av,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,r,1,),28,共源级二极管接法的MOS 管做负载 考虑rO后的增益,Av = g m ( O1 | RD),RD =,1 gm2,/ rO2,Av = g m1 ( g m 2,rO1 rO 2,如何获得单级更高增益？ 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,29,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,1 L,1 1,30,共源级电
12、流源做负载 Av = gm ro1 | ro2 当ro2远大于ro1时,Av = gmro1 = 2 n Cox ID , ,W 1 L 1 I D,ro =, I D I D,在漏电流一定时，单增大L可增 大增益，但同时会增大寄生电容 单纯地增大ID会减小增益, (1 + VDS ), VDS = L / L L L,1 ,=,VDS L L, L,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,31,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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, W ,32,共源级深
13、线性区MOS管做负载 Vb要足够低，使M2工作在深线性区,RON 2 =,nC,ox L 2,1 (VDD Vb | VTHP |),Av = gm RON2 优点： 输出摆幅大（可以为VDD） 缺点： 要得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变化 影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,33,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,34,共源级带源极负反馈,负反馈电阻,如何改善非线性？,方法之一是前面用二极 管接法
14、MOS管做负载,方法之二是引入用 Av = n (W / L)1,源极负反馈电阻 p (W / L)2,增益随Vin的变化而变化，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,35,共源级带源极负反馈 等效跨导Gm,Vout = I D RD,I D = f (VGS ),Av =,Vout Vin,= RD,I D Vin,定义等效跨导G m =,I D Vin,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,VGS,Vin,m,S,f,VGS,gm,Gm =,= ,36,共源级带源极负反馈 等效跨导Gm和增益 VGS = Vin I D RS,= 1 RS I D = f (VGS
15、 ),I D G = (1 R I D ) f Vin Vin VGS = (1 RS Gm ) = (1 RS Gm ) g m 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,1 + gm RS A v = G m R D g m R D 1 + g m R S,37,共源级带源极负反馈 等效跨导Gm和增益,Gm =,gm 1 + gm RS,A v = G m R D,= ,g m R D 1 + g m R S,随着RS增大， Gm和增益都变为gm的弱函数, 提高了线性度；但以牺牲增益为代价 当RS1/gm时，Gm1/RS 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,=,38,共源级带源极负反馈 考虑gm
16、b和rO的等效跨导Gm和增益,Gm =,I out g m ro Vin RS + 1 + ( g m + g mb ) RS ro,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,39,共源级带源极负反馈,跨导Gm和增益的比较,Gm =,gm 1 + gm RS,A v = G m R D,= ,g m R D 1 + g m R S,当RS=0时,当RS0时,Vin较小时，1/gmRS，Gmgm ； Vin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,40,共源级带源极负反馈,Av =,gm RD 1+ gm RS,= ,RD 1/ gm + RS,Av=“在漏极节点看到的电阻”/“在源
17、极 通路上看到的电阻” 可以极大地简化更复杂电路的分析 西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,41,共源级带源极负反馈 输出电阻 ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro ROUT = ro ro 1 + ( gm + gmb )RS ,输出电阻增大了很多,Av = Gm RD | ro ,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,Iout gmr,Gm = =,共源级带源极负反馈 考虑体效应和沟长调制效应后的增益 Vin RS +1+(gm + gmb)RS ro,Gm,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,输出电阻,42,43,本讲,放大器基础知识,共源级电阻做负载,共源级二极管接法的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,44,作业,3.3 , 3.24,习题设计的特别好，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,