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1、,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,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 IDVGS VDS cons tan t2IDVGS V TH西电微电子学院董刚模拟集成电
2、路原理,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，需用大信
3、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 ),西电微电子学院董刚模拟集成电路原
4、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,WL,VRDID,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,西电微电子学院董刚模拟集成电路原理,15,共源级电阻做
5、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 =,2IDVGS VTH, rO =,1ID,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=11V， VA,PMOS=5.5V西电微电子学院董刚模拟集成电路
6、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,
7、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 + = Ixro,Vx 1Ix gm + gmb,| ro ,1gm + 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 | RD) RD 忽略rO的影响,1gm + gmb,Av = gm1,1gm2 + gmb2
8、,=,gm1 1gm2 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,WL,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, =,2qsiNsubCox,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,W,1 W,W W,共源级二极管接法的MOS 管做负载,大信号特性 12, n COX ( )1
9、(Vin VTH 1 ) 2L,= n COX ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) 22 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)1p (W / L) 2,优点：增益只于尺寸有关，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
10、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 ) 2L L,| VGS2 VTH2 |(VGS1 VTH1),n (W / L)1p (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MO
11、S 管做负载考虑rO后的增益,Av = g m ( O1 | RD),RD =,1gm2,/ 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,共源级电流源做负载Av = gm ro1 | ro2当ro2远大于ro1时,Av = gmro1 = 2 n Cox ID ,W 1L 1 I D,ro =,I D I D,在漏电
12、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 / LL L,1,=,VDS LL, 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
13、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
14、等效跨导Gm,Vout = I D RD,I D = f (VGS ),Av =,VoutVin,= RD,I DVin,定义等效跨导G m =,I DVin,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 RSI D = f (VGS ),I D G = (1 R I D ) fVin 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 RSA v = G m R Dg m R D1 + g m
15、R S,37,共源级带源极负反馈等效跨导Gm和增益,Gm =,gm1 + gm RS,A v = G m R D,= ,g m R D1 + 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gmb和rO的等效跨导Gm和增益,Gm =,I out g m roVin 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 =,gm1 + gm RS,A v =
16、G m R D,= ,g m R D1 + 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 RD1+ gm RS,= ,RD1/ gm + RS,Av=“在漏极节点看到的电阻”/“在源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,
