模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(二)ppt课件.ppt
,模拟集成电路原理,第3章 单级放大器,董刚,微电子学院,1,2,上一讲,放大器基础知识,电阻做负载的共源级,增益有非线性，电阻精度差或面积大,A v = g m R D,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,3,上一讲二极管接法的MOS 管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）,Av = ,(W / L)1 1(W / L)2 1 + ,A v = , n (W / L ) 1 p (W / L ) 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,4,上一讲,电流源做负载的共源级,增益大,Av = gm ro1 | ro2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计, W ,5,上一讲深线性区MOS管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）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,RON 2 =,nC,ox L 2,1(VDD Vb | VTHP |),Av = gm RON2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,6,上一讲带源极负反馈的共源级Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度输出电阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro牺牲了增益A v = G m R D,= ,g m R D1 + g m R S西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,VX 1,Rout = =,7,如何求“从M1源端看进去的电阻”？,QV1 = VX , IX gmVX gmbVX = 0,IX gm + gmb,求从“？端看进去的电阻”，用同样方法,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,8,本讲,共漏级源跟随器,共栅级,共源共栅级,折叠共源共栅级,手算时器件模型和公式的选择,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,9,源跟随器大信号特性,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,10,源跟随器小信号特性增益,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Av =,=,1,1,1,11,源跟随器增益随Vin的变化Vout=1V时，=0.163, (当g m RS 足够大时),g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + ,g m RS,1+ (1 +,g mbg m,=) =,1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Av =,=,1,1,1,12,源跟随器增益的非线性Vout=1V时，=0.163, (当g m RS 足够大时),g m RS1 + ( g m + g mb ) RS1 + ,g m RS,1+ (1 +,g mbg m,=) =,1+ (1 + )g m RS2 2F +VSB,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,=,=,v,13,源跟随器提高增益的线性度,Av =,gmRS gm gm1+ (gm + gmb)RS 1 + (gm + gmb) gm + gmbRS,(当RS = 时),仍存在非线性，因为（）gmb随Vin的变化而改变。A = 1源随器通常有百分之几的非线性 1+西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,14,源跟随器提高增益的线性度采用PMOS管做源随管，消除体效应小信号等效电路,Av =,gm1(rO1 rO1)1+ gm1(rO1 rO1),提高了线性度输出电阻比NMOS管的大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,gmb,Av = 1,gm,1,15,源跟随器考虑rO和RL后的增益,1,| ro1 | ro2 | RL,| ro1 | ro2 | RL +,gmb,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,16,源跟随器小信号特性RinIin,Rin =,VinI in,低频下，Iin=0，因此，Rin=西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,(,),17,源跟随器小信号特性Rout,Rout,=,1g m + g mb,输出电阻小驱动低阻负载时的阻抗转换电路,VTH = VTH 0 + ,2F + VSB 2F,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,A v =,18,源跟随器PMOS管做源随管,采用PMOS管做源随管，能消除体效应,g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 提高了线性度,1 + g m 1 ( rO 1 rO 1 ) 源-衬寄生电容降低带宽,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,19,源跟随器PMOS管做源随管采用PMOS管做源随管，能消除体效应在相同W/L和ID情况下，比NMOS管的大,R out,=,1g m,rO 1 r O 2 ,1g m,R out , NMOS =,g m,1+ g mb,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,20,源跟随器摆幅问题,源跟随器会使信号直流电平产生VGS的平移，,降低信号摆幅,保证M1工作在饱和区,VX VGS1 VTH,保证M2、M3都工作在饱和区,V X (VGS 3 VTH ) + VGS 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,21,源跟随器主要应用电压缓冲器输入阻抗大，输出阻抗小。在高输出阻抗电路（如电流源负载的共源级）驱动低阻负载时，插入源随器做电压缓冲级，实现阻抗转换电压平移电路,VGS = VTH + VOV =,2ICOX,WL,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,22,本讲,共漏级源跟随器,共栅级,共源共栅级,折叠共源共栅级,手算时器件模型和公式的选择,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,23,共栅级简介,源端输入,直流耦合，交流耦合西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,饱,和,区,1,W,L,24,共栅级大信号特性,VbVTH线性区,截止区,饱和区时 Vout,= VDD n COX2,(Vb Vin VTH )2 R D,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,W,L,25,共栅级小信号特性增益,Vout,= VDD n COX2,(Vb Vin VTH )2 R D,求Vout / Vin，得：Av = g m (1 + ) RD从小信号等效电路可得到相同结果体效应使跨导增大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,RD,26,共栅级考虑rO和RS影响后的增益,根据基尔霍夫电流定律，列 Av =方程组可解得,(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RD,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,27,共栅级实例1求增益思路：利用戴维宁定理（等效电压源定理），把输入信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用已知的Av公式,Av =,(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RD,RD,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,28,共栅级实例1求增益,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1 1,29,共栅级实例1求增益,Vin ,eq =,rO1,1rO1g mb1+g mb1 g m1,Vin,Req = rO1,1g mb1,1g m1,将结果带入右式中即可,Av =,(gm + gmb )ro + 1ro + (gm + gmb )ro RS + RS + RD,RD,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,=, RP = RD RP,30,共栅级实例2求增益输入信号为电流信号 思路：用戴维宁定理，把输入电流信号转换为带内阻的电压源的形式；再利用实例1的结果,Vout VoutIin Vin, ( gm + gmb )ro + 1 ro + ( gm + gmb )ro RP + RP + RD 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Vin,31,共栅级小信号特性Rin从M1管源端看进去的电阻,求 ，得：Rin = 1/gm (1+)Iin,输入阻抗小,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,32,共栅级低Rin特性的应用,根据传输线理论：,对于50传输线，接收端匹配50电阻时，反射回来,的能量最小，功率传输效率最高,a结构电压增益为gm150; b结构为gm1RD,Rin = 1 / g m (1 + ), g m = 2nCOX (W / L) I D,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,+,33,共栅级考虑rO后的Rin求VX/IX得Rin,Rin =,RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,+,34,共栅级考虑rO后的Rin只有当RD较小时，Rin才会较小当RD很大时，Rin会很大RD无穷大时，Rin无穷大,Rin =,RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,35,共栅级小信号特性Rout,计算结果同带源极负反馈的共源级的Rout,Rout = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro | RD,输出电阻很大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,36,共栅级主要应用,输入信号为电流信号的情形,与共源级结合构成共源共栅级,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,37,本讲,共漏级源跟随器,共栅级,共源共栅级,折叠共源共栅级,手算时器件模型和公式的选择,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,38,共源共栅级简介,共源级,共栅级,有重要应用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,39,共源共栅级偏置要求要求M1和M2都饱和区V b V ov 1 + V GS,输入器件,共源共栅器件,V out V ov 1 + V ov 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,40,共源共栅级大信号特性,Vin大于VTH1后继续增大，则：ID增大，VGS2增大，VX减小，到一定值时M1或M2进入线性区，增益（Vout曲线斜率）减小,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,41,共源共栅级小信号特性增益=0时,A v = g m 1 R D,与M2管的跨导和体效应无关,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,42,共源共栅级小信号特性Rout,计算思路：,负反馈电阻为rO1的共源级；输入信号内阻为RS的共栅级,R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2,M2管将M1管的输出阻抗提高为原来的（gm2+gmb2）rO2,倍；有利于实现高增益,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,43,共源共栅级小信号特性Rout,增加共栅管的级数能进一步提高Rout：,Rout ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 ( g m 2 + g mb 2 )rO 2 rO1,代价是减小信号摆幅：,V out V ov 1 + V ov 2 + V ov 3,Rout = 1 + ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 从M2漏端看进去的电阻 + rO 3= 1 + ( g m 3 + g mb 3 )rO 3 1 + ( g m 2 + g mb 2 )rO 2 rO1 + rO 2 + rO 3,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,44,共源共栅级Rout的比较,rO,4rO,约为（gmrO ）rO,rO =,1 I D, ,1L,相同ID下，（c）的Rout最大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,45,共源共栅级做理想电流源,利用其高输出阻抗特性，实现接近理想特性的电流源,A v g m 1 R out,代价：输出摆幅减小,Voutswing = VDD Vov1Vov2 Vov3 Vov4,R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2 , 1 + ( g m 3 + g mb 3 ) rO 3 rO 4 + rO 3 ,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1, V out,mb 2 ) rO 2,共源共栅级屏蔽特性,X,X,Vout端有Vout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响, V X =,rO 11 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2, V out,( g m 2 + g 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,46,47,共源共栅级折叠式共源共栅,共源共栅级由共源级实现电压到电流的转换，然后电流作为输入送到共栅级构成共源共栅级时共源管和共栅管类型,可以不同,相同gm时，直,流偏置电流大,输入摆幅大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,48,共源共栅级折叠式共源共栅,输入摆幅大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,49,共源共栅级折叠式共源共栅,向上折叠,向下折叠,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,50,共源共栅级折叠式共源共栅,Folded,向上或向下折叠；小信号电流流向被改变,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,51,共源共栅级折叠式共源共栅,大信号特性,ID2变为0,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,52,共源共栅级折叠式共源共栅,输出阻抗,比非折叠共源共栅级小,R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 ( rO 1 rO 3 ) + rO 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,53,共源共栅级主要应用,优点,输出阻抗高高增益,屏蔽特性好,不足,输出摆幅受一定影响,折叠共源共栅级直流功耗大,应用,电流源,共源共栅OPA,折叠共源共栅OPA等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,54,本讲,共漏级源跟随器,共栅级,共源共栅级,折叠共源共栅级,手算时器件模型和公式的选择,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,55,手算时器件模型和公式的选择,器件模型复杂度不同，计算复杂度不同，结果的精度不同,电路小信号分析或设计过程,把复杂电路拆分成自己熟悉的子电路,用最简单器件模型分析子电路的小信号特性,节点为高阻抗节点时，才计入rO影响,再考虑体效应影响,直流偏置的估算,开始可以不考虑体效应和沟长调制效应,根据计算机仿真结果微调，以修正手算误差,通过计算机仿真结果来优化所设计电路,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,56,总结,共漏级源跟随器,共栅级,共源共栅级,折叠共源共栅级,手算时器件模型和公式的选择,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,57,作业,3.15(a)，3.23，3.27,分别应用本讲的三部分内容,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,
