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1、CMOS模拟集成电路设总复习,P-Si,P型Si衬底(Semiconductor),栅极(Gate）,金属(Metal)Al层,氧化物(Oxide)SiO2层,器件结构,MOS器件原理,P-Si,N+,N+,VGS 0时,在栅极下面的二氧化硅中将产生一个指向P型衬底、且垂直衬底表面的电场。电场排斥空穴，吸引电子到半导体表面。,反型层,VGS越大吸引到半导体表面的电子就越多，当VGS VT时，吸引到栅极附近P型硅表面的电子积累形成N型反型薄层。器件表面的导电类型从原来的P型反型到现在的N型，导电沟道形成。,MOSFET的工作原理导通过程,继续增大VGS可使形成的反型层增宽(N型导电沟道)，将源区
2、和漏区连接起来。VGS越大,反型层越宽,源漏间的导电能力越强。,P-Si,N+,N+,反型层,将开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压VT,也称为阈值电压。,开启电压VT是增强型MOSFET的重要参数，其大小主要取决于SiO2层的厚度以及衬底掺杂浓度。,MOSFET的工作原理导通过程,器件导通以后，此时在漏源之间加上电压VDS便会产生漏极电流 ID,随着VDS的增加ID增加。,由于沟道存在电位梯度,栅极靠近源极的电位为VGS,而栅极靠近漏极的电位则为VGDVGSVDS，靠近漏极的电场较弱，使沟道形状成楔形。当VDSVGSVT 时，导电沟道被夹断。沟道夹断后，源漏之间等效为一个很大的电阻，电
3、流不会随着VDS增加，达到饱和。,P-Si,N+,N+,VDS,VGS,ID,MOSFET的工作原理饱和过程,MOSFET的工作原理输入、输出特性曲线,VGS(V),VT,ID,0,VDS=10V,VGS=8V,7V,6V,5V,4V,VGS=VT,输入特性曲线,输出特性曲线,MOS管的大信号模型,MOS管的电流电压关系（以NMOS为例）：,器件表面迁移率载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度（cm2/Vs）,单位面积栅氧化物电容（F/cm2）,器件的宽长比,跨导参数,MOS管的大信号模型,饱和区电流（以NMOS为例）：,线性区电流（以NM
4、OS为例）：,PMOS的饱和区和线性区电流表达式？,MOS管的小信号模型,小信号模型,输出电阻,跨导,增益,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,电流镜,1.电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）,2.从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系,电流镜,例.下图所示电路中，假设M1和M2的宽长比为40/1,M3和M4的宽长比为120/1,，IREF=0.1mA,试确定VX的值和Vb的允许范围（忽略衬偏效应）。,解：,M1饱和：,例题,M2饱和：,获得稳定的输出电流要求所有管子
5、饱和，则此时,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,带隙基准源,三极管的基极发射极电压VBE是负温度系数。,两个三极管工作在不同的电流密度下，其基极发射极电压的差值 是正温度系数。,带隙基准源基本不受电源和温度的影响,带隙基准源电路结构,带隙基准源,例.首先推导下图所示电路输出基准电压Vout的表达式，接下来确定n和(W/L)5使得基准电压在室温下具有零温度系数,已知M1M4的宽长比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且Q3和Q1相同。,解：假设(W/L)5=m(W/L)1,只要满足右式
6、的所有m，n均可,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,反相器,高增益放大电路的结构,差分输入级,共源共栅放大级,输出级,反相器是所有放大器中最基本的电路,1.有源负载反相器2.电流源负载反相器3.CMOS反相器,有源负载反相器,有源负载反相器,电流源负载反相器,电流源负载反相器,CMOS反相器,CMOS反相器,CMOS反相器的频率响应,反相器极点频率近似计算方法：,1.频率响应的极点约等于节点到地的电容和电阻乘积的倒数。2.电路中的每一个节点对传输函数贡献一个极点。,有源负载反相器的频率响应,例.假
7、设下图所示电路中M1的宽长比为2um/1um，M2的宽长比为1um/1um,Cgd1=0.5fF,Cbd1=10fF,Cbd2=10fF,Cgs2=2fF,CL=1pF,漏电流ID=100uA，求小信号增益和-3dB频率。,解：,-3dB角频率约等于主极点频率：,-3dB频率,反相器,例.下图所示电路假设M1和M2都工作在饱和区，求需要加多大的偏置电压VGG可使流过M1和M2的电流为100uA；此时输入电压vin的直流值为多少；放大器的小信号电压增益为多少。,解：M2工作在饱和区,M1工作在饱和区,增益：,例.假设下图所示电路中M1的宽长比为1um/1um，M2的宽长比为2um/1um,Cgd
8、1=0.5fF,Cgd2=0.5fF,Cbd1=10fF,Cbd2=10fF,CL=1pF,漏电流ID=300uA，电源电压5V，求小信号增益和-3dB频率。,解：,-3dB频率：,-3dB角频率：,CMOS反相器的频率响应,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,差分放大器,AVD：差模增益AVC：共模增益AVD/AVC：共模抑制比VICMR：共模输入电压范围,理想差放,差模输入电压,共模输入电压,差动工作方式优点：抑制共模噪声增大了可得到的最大电压摆幅偏置电路相对简单线性对相对高,电流镜负载差分放大
9、器,大信号分析输入共模范围ICMR求ICMR方法：令vID=0,改变vIC直到有一个管子退出饱和区。,最小输入共模电压：,最大输入共模电压：,电流镜负载差分放大器,差分放大器的增益,差分放大器的输出电阻,小信号分析增益、输出电阻、-3dB带宽,差分放大器的-3dB带宽,电流镜负载差分放大器,例.设计电流镜负载差分放大器以满足以下指标：（1）差模增益100V/V；（2）-1.5VICMR2V；（3）Pdiss1mW已知VDD=2.5V;VSS=-2.5V，假设尾电流为100uA，所有管子L=1um。,1.最大共模输入电压约束条件：,电流镜负载差分放大器,2.小信号增益约束条件：,3.最小共模输入
10、电压约束条件：,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,共源共栅放大器,共源共栅放大器的大信号分析所有管子饱和的输出电压范围,1.所有管子饱和时的输出电压最大值VOMAXSAT,2.所有管子饱和时的输出电压最小值VOMINSAT,共源共栅放大器,共源共栅放大器的小信号分析 输出电阻、增益、-3dB带宽,1.输出电阻,2.小信号增益,3.-3dB带宽,高增益和高输出电阻的共源共栅放大器,大信号分析所有管子饱和的输出电压范围,1.所有管子饱和时的输出电压最大值VOMAXSAT,2.所有管子饱和时的输出电压最
11、小值VOMINSAT,1.输出电阻,2.小信号电压增益,高增益和高输出电阻的共源共栅放大器,共源共栅放大器的小信号分析 输出电阻、增益、-3dB带宽,3.-3dB带宽,例.采用表3.1-2的参数对比下图两个共源共栅放大器的增益和输出电阻的大小。假设漏电流均为200uA，所有管子的W/L=2um/1um。,共源共栅放大器,解：左图所示简单共源共栅放大器,右图所示共源共栅放大器,例.求下图电路的小信号电压增益和输出电阻。设每个管子的直流电流为100uA，所有管子工作在饱和区且宽长比均为10um/1um。,共源共栅放大器,解：,1.输出电阻为,2.增益为,计算可得,1.MOS器件原理2.电流镜3.带
12、隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,输出放大器,输出放大器的主要目的是有效地将信号提供给负载，负载主要由电阻（通常为501000欧姆）、电容（通常为51000pF）或者二者并联构成。,负载大的含义,电阻小,电容大,无论哪种情况都需要放大器提供大的输出电流,高增益放大电路的结构,差分输入级,共源共栅放大级,输出级,电流漏负载源极跟随器,电流漏负载源极跟随器大信号分析,1.输出电压最大值,衬底偏置效应（设）,2.输出电压最小值,阈值损失和衬底偏置效应导致输出摆幅小,电流漏负载源极跟随器小信号分析,电流漏负载源极跟随器,1.输出电阻,2.
13、电压增益,3.-3dB带宽,输出电阻和增益小，带宽大,推挽形式的源极跟随器大信号分析,输出电压摆幅,推挽源极跟随器的输出摆幅小。,推挽形式的源极跟随器,1.输出高低电平均存在阈值损失；2.衬底偏置效应导致VTP2VTP0,VTN1VTN0；,推挽形式的源极跟随器小信号分析,推挽形式的源极跟随器,1.输出电阻,2.电压增益,3.-3dB带宽,输出电阻和增益小，带宽大,1.MOS器件原理2.电流镜3.带隙基准4.反相器（三种类型）5.差分放大器6.共源共栅放大器7.输出放大器8.运算放大器,知识点,运算放大器的性能指标,1.开环差模电压增益2.共模抑制比3.开环输入电阻4.开环输出电阻05.开环带
14、宽6.没有温漂,运算放大器OP AMP(Operational AMPlifier),虚断路,虚短路,理想运算放大器的特点：,运算放大器的性能指标,运算放大器的性能指标,增益(Av),小信号带宽：-3dB带宽；单位增益带宽。,输出摆幅(Output Swing),输入共模范围(ICMR),建立时间（settling time）,共模抑制比(CMRR),摆率(SR),相位裕度（Phase Margin）,电源抑制比(PSRR),噪声和失调,版图面积,两级运放设计实例,约束条件电源电压工艺温度,增益(Av)小信号带宽（主要指GB）相位裕度,输出摆幅(Output Swing)输入共模范围(ICMR
15、)转换速率(SR),功耗负载电容,设计指标,两级运放设计实例,增益(Av),单位增益带宽,相位裕度（大于60）,如果采用调零补偿，需仔细设计次极点和左半平面零点。,两级运放设计实例,输入共模范围(ICMR),转换速率(SR),输出摆幅,电流源负载反相器的输出摆幅较大，设计时一般可不考虑。,功耗,两级运放设计实例,例.两级运算放大器结构如图所示，要求增益5000V/V，单位增益带宽GB=5MHz，相位裕度不小于60，SR=10V/uS，输入共模范围-12V，输出摆幅-22V，功耗小于2mW，试设计该放大器各管子的宽长比。已知VDD=-VSS=2.5V，所有管子沟道长度为1um，负载电容10pF。,解：首先设计第一级（1）相位裕度60要求,取最小值,（2）SR=10V/uS,两级运放设计实例,（3）ICMR要求：,（4）GB要求：,注意,（5）ICMR要求：,两级运放设计实例,（6）PM=60要求,至此放大器第一级的设计基本完成,由对称性,注意到M5和M7的宽长比之比为尾电流和M7漏电流之比：,放大器第二级设计基本完成,两级运放设计实例,（8）验证输出摆幅，增益和功耗：,满足设计要求,注意实际的运放设计是非常灵活的，这里只给出了参考方法，当验证时遇到不满足设计指标的情况，要学会调整设计参数。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,
