模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)资料
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拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)
L 0
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 13
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
1 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
W ox L
取最大值，且大小为： nCox W ID (VGS VTH )2 2 L
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
重邮光电工程学院
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光1
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
1 2 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS ] 2 V' DS VGS VTH (Pinch off )
W ox L
ID
nCox W
2 L
(VGS VTH )2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 16
重邮光电工程学院
饱和区MOSFET的I/V特性
Active Region
重邮光电工程学院cmos西安交通大学出版社2003重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1自然界信号的处理adca自然界信号的数字化b增加放大器和滤波器以提高灵敏度重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽10110100组合二进制数据dac传送端多电平信号adc接收端确定所传送电平重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1无线接受机无线接收天线接收到的信号幅度只有几微伏和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声工作在高频并能抑制大的有害成分重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch110模拟设计困难的原因是什么1
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 13
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
1 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
W ox L
取最大值，且大小为： nCox W ID (VGS VTH )2 2 L
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
重邮光电工程学院
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光1
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
1 2 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS ] 2 V' DS VGS VTH (Pinch off )
W ox L
ID
nCox W
2 L
(VGS VTH )2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 16
重邮光电工程学院
饱和区MOSFET的I/V特性
Active Region
重邮光电工程学院cmos西安交通大学出版社2003重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1自然界信号的处理adca自然界信号的数字化b增加放大器和滤波器以提高灵敏度重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽10110100组合二进制数据dac传送端多电平信号adc接收端确定所传送电平重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1无线接受机无线接收天线接收到的信号幅度只有几微伏和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声工作在高频并能抑制大的有害成分重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch110模拟设计困难的原因是什么1
拉扎维教材模拟集成电路第三章课后习题答案中文版（纯手写）
拉扎维教材模拟集成电路第三章课后习题答案中⽂版（纯⼿写）
拉扎维教材第三章答案中⽂版（纯⼿写）
PART1
最近重新温习拉扎维，参考英⽂版答案顺便教材⼿动整理下教材课后习题，部分习题加⼊了⼀些⾃⼰的想法和备注。
欢迎各位学弟学妹下载，不过请不要照抄答案！因为没有扫描仪器，⽤⼿机照的相⽚。
这⼀部分是第三章作业的前⼀半的题⽬，也请⼤家尊重本⼈劳动成果，可以下载，但请不要随意下载后再上传，谢谢⼤家！
PART2
另外3.11题⽬可参考3.10
注明：如有错误之处欢迎指正。
在我的百度账号下留⾔即可：清风⼀鹤。
PART3
答案照⽚在下⾯
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓。
CMOS模拟集成电路设计-单级放大器(一)
模拟CMOS集成电路设计
第 3 章 单级放大器（一）
分离器件构成的音频放大器
2
用CMOS集成电路实现的音频放大器
二者有哪些区别？
3
4
3.1 共源级放大器
电阻做负载的共源级放大器
大信号分析
cutoff active triode
MOS管工作在饱和区时
5
线性区时
6
小信号分析
用小信号模型求解小信号增益
30
Av
gm RD 1 gm RS
RD 1/ gm RS
Av = “在漏极节点看到的电阻”/ “在源
极通路上看到的电阻”
这是一个经验结果，仅适合带源级负反馈的共源级 的分析，但是这个结论可以极大地简化电路的分析。
31
1 从MOS源极看到的阻抗约等于 gm gmb
证明如下：
漏端的电阻被大大衰减了，这 个特性被称为阻抗变换特性
W L
(VIN
VTH
)
跨导随着Vin的变化而变化，引入非线性
如果RS较大， Av
1/
RD gm RS
RD RS
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。
25
考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为
计算的复杂性大大增加… 我们需要建立一种直观的联系来分析问题
思考：
随着放大倍数的 提高，输入电压 范围越来越小， 我们真的能保证 输入信号在这么 小的范围内吗？
反馈
22
电流增大，增益怎么变化？
| Av | gmro
2nCox
ID
W
第 3 章 单级放大器（一）
分离器件构成的音频放大器
2
用CMOS集成电路实现的音频放大器
二者有哪些区别？
3
4
3.1 共源级放大器
电阻做负载的共源级放大器
大信号分析
cutoff active triode
MOS管工作在饱和区时
5
线性区时
6
小信号分析
用小信号模型求解小信号增益
30
Av
gm RD 1 gm RS
RD 1/ gm RS
Av = “在漏极节点看到的电阻”/ “在源
极通路上看到的电阻”
这是一个经验结果，仅适合带源级负反馈的共源级 的分析，但是这个结论可以极大地简化电路的分析。
31
1 从MOS源极看到的阻抗约等于 gm gmb
证明如下：
漏端的电阻被大大衰减了，这 个特性被称为阻抗变换特性
W L
(VIN
VTH
)
跨导随着Vin的变化而变化，引入非线性
如果RS较大， Av
1/
RD gm RS
RD RS
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。
25
考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为
计算的复杂性大大增加… 我们需要建立一种直观的联系来分析问题
思考：
随着放大倍数的 提高，输入电压 范围越来越小， 我们真的能保证 输入信号在这么 小的范围内吗？
反馈
22
电流增大，增益怎么变化？
| Av | gmro
2nCox
ID
W
拉扎维模拟CMOS集成电路设计 前十章全部课件
重邮光电工程学院
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！ *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
重邮光电工程学院
MOS器件符号
MOS管等效于一个开关!
重邮光电工程学院
MOS器件的阈值电压VTN（P）
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
)v(x) 1 2
1 VDS2 2
v(x)
]
2
)]vDS 0
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I/V特性的推导(4)
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 VDS2 ] 2
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID nCox W (VGS VTH )2
。
t ≈ 50A, C
ox
ox
t ≈ 0.02 m, C
ox ox
6.9 fF/ m 2 1.75fF/ m 2
t ≈ 0.1 m, C 0.35fF/ m 2
ox
ox
重邮光电工程学院
MOS器件电容
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 45
重邮光电工程学院
减小MOS器件电容的版图结构
对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw 对于图b: CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw CSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw= = WECj +2(W+2E)Cjsw
CMOS模拟集成电路设计拉扎维课件
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
模拟CMOS集成电路设计-第3章-单级放大器.
使用近似公式； I D 1 2 n Cox W LVin VTH 2
Av g m RD RD I D Av
g m RD Av 1 RD I D
再根据 ro
1 I D
结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。
g rR Av m 0 D gm (ro // RD ) r0 RD
Vout VDD RD 1 W n C ox Vin VTH 2 L
2
共源级电路
当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 Vin 比 Vout高出 VTH 即在下图中的A点，在A点满足：
Vin1 vTH VDD RD 1 W n C ox Vin1 VTH 2 L
1.1.2 采用二极管连接的负载
• 在CMOS工艺中，制造一个有精确阻值和物理尺寸的电阻 是很困难的 。所以常常要求用一个MOS管来代替图3.3 (a) 中的RD。
VX IX
Vx g m g mb VX I X rO
=
1 g m g mb rO
1
=
1 1 rO g m g mb g m g mb
单级放大器
李凯文 2015021743
在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大器是最基本的功能块 。
将描述四种放大器： 共源放大器； 共栅放大器； 源极跟随器； 共源共栅放大器。
先从最简化的模型着手，逐渐地在考虑沟长调制和体效应这样的二级效应。
1.1 共源级
• 采用电阻负载的共源级（少，因为工艺上 电阻不好制作） • 带二极管接法负载的共源级（缺点是增益 不大） • 采用电流源负载的共源级 • 工作在线性区的MOS为负载的共源级（少， 线性电阻影响因素很多，无法确定） • 带源级负反馈的共源级
Av g m RD RD I D Av
g m RD Av 1 RD I D
再根据 ro
1 I D
结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。
g rR Av m 0 D gm (ro // RD ) r0 RD
Vout VDD RD 1 W n C ox Vin VTH 2 L
2
共源级电路
当Vin继续增大，Vout继续减小，这时 还处在饱和区，直到 Vin 比 Vout高出 VTH 即在下图中的A点，在A点满足：
Vin1 vTH VDD RD 1 W n C ox Vin1 VTH 2 L
1.1.2 采用二极管连接的负载
• 在CMOS工艺中，制造一个有精确阻值和物理尺寸的电阻 是很困难的 。所以常常要求用一个MOS管来代替图3.3 (a) 中的RD。
VX IX
Vx g m g mb VX I X rO
=
1 g m g mb rO
1
=
1 1 rO g m g mb g m g mb
单级放大器
李凯文 2015021743
在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大器是最基本的功能块 。
将描述四种放大器： 共源放大器； 共栅放大器； 源极跟随器； 共源共栅放大器。
先从最简化的模型着手，逐渐地在考虑沟长调制和体效应这样的二级效应。
1.1 共源级
• 采用电阻负载的共源级（少，因为工艺上 电阻不好制作） • 带二极管接法负载的共源级（缺点是增益 不大） • 采用电流源负载的共源级 • 工作在线性区的MOS为负载的共源级（少， 线性电阻影响因素很多，无法确定） • 带源级负反馈的共源级
中文版拉扎维cmos模拟答案第三章.doc
第三章3.3(a)阳=*扁=2皿=0,\ JL/ J I U.Dr. = —= -------- ----- = 100,"I XI D 0.1x10-3Rq % ||硫=10幻I2S 半Q,g/ni =72xl.34225xl0-4xl00xl0-3 =5.1812X W3,A，= s m]• Rout = —8.6353, (b) Mi工作在线性区的边缘时，吮产么-跖=崂s-"；二％-九二3-%+0.7 = 3.7-%D, R[)2X10—3 2X10—3W_:3J~V GS=1X1.34225X10-4X100(K5-0.7)2 2x03 2 ' 仔、 ).M=1.137V・•・此时，I m =1x1.34225x10—4x100(1.137 —0.7)2=1.28151x10—3A 2= V2xl.34225xl0-4xl00xl.28151xl0'3 =5.8653X10'3,r. = ------------- --------- =7.8X103Q,0.1x1.28151x10-3A，=—知](妇 || 厘)=—5.8653X10—3(7.8X103 || 2xl03) = 9.33 74V Dsat = 3 — 2x 1.2815 x 10一3 = 0.4369V (c)M】进入线性区50mV 时，V/. = V’M -50x10-3 =0.4369 — 50x10—3 =O.3869KV -V 3-0 3869 °I D = & v’s = 3 U F = 1.3065 x 10-3,R D2X103【D = LCoxy 2 "V TH)V DS T0.306921.3065x 10-3 = 1.34225x 10-4x 100 (V GS-0.7)0.3869-=>V^.S. = 1.145V,dV GS= ^^ = &C°x:.g ini = 1.34225x 10-4 x 1 OOx0.3869 = 5.1942x 10-3,R -1 , - W= .〃Cox —I L人11 2835X103Q=> R on1.34225 x 1 (T4 x 100 (1.145 - 0.7 - 0.3869)'〜'=-5.1942X10-3(1.2835X103||2X103)=-43.15(a)设Vm=0时M1工作在饱和区。
CMOS模拟集成电路设计 拉扎维课件
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
26
王永生
2009-1-16
27
Байду номын сангаас
小结
用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证 （verification）；
种类
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
HIT Microelectronics
23
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行DC分析
* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
.endHIT Microelectronics
26
王永生
2009-1-16
27
Байду номын сангаас
小结
用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证 （verification）；
种类
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
HIT Microelectronics
23
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行DC分析
* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
拉扎维配套ppt_3
单 放大器 Ch. 3 # 10
重邮光电工程学院
电阻负载共源级的I 电阻负载共源级的 D(Vin)、gm（Vin） 、 ）
VinA VinA-VT VinA-VT M1在饱和区 gm=β(Vgs-VT) A M1在线性区 gm=βVDS 临界饱和点A 临界饱和点
问题： 问题：图（b）中临界饱和点（A）gm最大，设为静态工作 ）中临界饱和点（ ） 最大， 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？ 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？
对于图(c) 对于图
VX RD +r0 RD 1 = ≈ + IX 1+(gm +gmb )r0 (gm +gmb )r0 gm +gmb
单级放大器 Ch. 3 # 16
重邮光电工程学院
MOS二极管连接负载的共源极 二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
NMOS负载时，λ≠0，γ≠0 负载时， 负载时 ，
单级放大器 Ch. 3 # 3
重邮光电工程学院
模拟设计的小信号概念(2) 模拟设计的小信号概念
W id ≈ k n ' (VGS − VTH )v gs = g m v gs L
单级放大器 Ch. 3 # 4
重邮光电工程学院
模拟设计的小信号概念(3) 模拟设计的小信号概念
MOS管总电流为 管总电流为: 管总电流为 1 W 1 W 2 iD = ID + id = k n ' (v GS − VTH ) = k n ' (VGS + v gs − VTH )2 = 2 L 2 L 1 W W 1 W 2 2 = k n ' (VGS − VTH ) + k n ' (VGS − VTH )v gs + k n ' v gs 2 L L 2 L MOS管的交流电流分量为 管的交流电流分量为: 管的交流电流分量为
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电阻负载共源级的I 电阻负载共源级的 D(Vin)、gm（Vin） 、 ）
VinA VinA-VT VinA-VT M1在饱和区 gm=β(Vgs-VT) A M1在线性区 gm=βVDS 临界饱和点A 临界饱和点
问题： 问题：图（b）中临界饱和点（A）gm最大，设为静态工作 ）中临界饱和点（ ） 最大， 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？ 点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？
对于图(c) 对于图
VX RD +r0 RD 1 = ≈ + IX 1+(gm +gmb )r0 (gm +gmb )r0 gm +gmb
单级放大器 Ch. 3 # 16
重邮光电工程学院
MOS二极管连接负载的共源极 二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
NMOS负载时，λ≠0，γ≠0 负载时， 负载时 ，
单级放大器 Ch. 3 # 3
重邮光电工程学院
模拟设计的小信号概念(2) 模拟设计的小信号概念
W id ≈ k n ' (VGS − VTH )v gs = g m v gs L
单级放大器 Ch. 3 # 4
重邮光电工程学院
模拟设计的小信号概念(3) 模拟设计的小信号概念
MOS管总电流为 管总电流为: 管总电流为 1 W 1 W 2 iD = ID + id = k n ' (v GS − VTH ) = k n ' (VGS + v gs − VTH )2 = 2 L 2 L 1 W W 1 W 2 2 = k n ' (VGS − VTH ) + k n ' (VGS − VTH )v gs + k n ' v gs 2 L L 2 L MOS管的交流电流分量为 管的交流电流分量为: 管的交流电流分量为
模拟CMOS集成电路设计单级放大器
第8页/共55页
共源MOSFET的单管增益
北大微电子：模拟集成电路原理
Vgs V1 Vin
Rout
Vout I out
|Vin 0
Vin
0时，Iout
Vout ro
Rout ro 单管增益
Vout Vin
gmro
Amplifiers Ch.3 # 8
第9页/共55页
共源级—电阻做负载（1）
考虑体效应
因为V1 VX，Vbs VX，
所以I X
gmV1 gmbVbs
VX ro
gm gmb VX
VX ro
Rout
VX IX
1
gm
gmb
1 ro
,若
gm gmb
ro 1，则Rout
1 gm gmb
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 16
Amplifiers Ch.3 # 13
第14页/共55页
二极管接法的MOSFET
北大微电子：模拟集成电路原理
Rout
1 gm
1 ro
1 gm
(gmro 1)
Amplifiers Ch.3 # 14
第15页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（1）
Rup Rdown
忽略体效应
北大微电子：模拟集成电路原理
gm1 gm1 1
gm2 gmb2
gm2 1
Amplifiers Ch.3 # 17
第18页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（4）
gm
Cox
W L
VGS VTH
2
I
D
Cox
共源MOSFET的单管增益
北大微电子：模拟集成电路原理
Vgs V1 Vin
Rout
Vout I out
|Vin 0
Vin
0时，Iout
Vout ro
Rout ro 单管增益
Vout Vin
gmro
Amplifiers Ch.3 # 8
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共源级—电阻做负载（1）
考虑体效应
因为V1 VX，Vbs VX，
所以I X
gmV1 gmbVbs
VX ro
gm gmb VX
VX ro
Rout
VX IX
1
gm
gmb
1 ro
,若
gm gmb
ro 1，则Rout
1 gm gmb
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 16
Amplifiers Ch.3 # 13
第14页/共55页
二极管接法的MOSFET
北大微电子：模拟集成电路原理
Rout
1 gm
1 ro
1 gm
(gmro 1)
Amplifiers Ch.3 # 14
第15页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（1）
Rup Rdown
忽略体效应
北大微电子：模拟集成电路原理
gm1 gm1 1
gm2 gmb2
gm2 1
Amplifiers Ch.3 # 17
第18页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（4）
gm
Cox
W L
VGS VTH
2
I
D
Cox
拉扎维模拟CMOS集成电路设计第三章作业答案详解完整版教程解析 (2)
拉扎维模拟CMOS集成电路设计第三章作业答案详解完整版教程解析第一题题目：请解释拉扎维模拟CMOS集成电路设计的主要目标。
拉扎维模拟CMOS集成电路设计的主要目标是通过集成电路设计技术来实现高性能、低功耗、低噪声、高稳定性的模拟电路。
具体目标包括：1.高性能：通过优化电路结构和参数，提高电路的增益、带宽和速度，以满足高性能模拟信号处理需求。
2.低功耗：采用低功耗设计技术，减少功耗和电源电压，提高电路的能效比，延长电池寿命。
3.低噪声：通过降低噪声源和优化电路设计，减少电路的噪声，并提高信号与噪声比，以提高电路的信号处理能力。
4.高稳定性：通过减小电路参数的变化范围、提高电路对温度、工艺和电源电压的抵抗能力，提高电路的稳定性和可靠性。
综合上述目标，拉扎维模拟CMOS集成电路设计致力于设计出符合实际需求，并具有良好性能、可靠性和可实施性的模拟电路。
第二题题目：什么是负载效应？在拉扎维模拟CMOS集成电路中如何考虑负载效应？负载效应是指当负载改变时，电路的工作条件和性能表现发生变化的现象。
在拉扎维模拟CMOS集成电路中，考虑负载效应是非常重要的。
拉扎维模拟CMOS集成电路中，电路的输入和输出之间会存在阻抗差异，从而导致在连接电路之间引入额外的电容和电阻负载。
这些负载对电路的工作状态产生影响，可能导致增益降低、频率响应偏移、功耗增加等问题。
为了考虑负载效应，在拉扎维模拟CMOS集成电路设计中，需要进行以下步骤：1.电路参数分析：通过计算和仿真，分析电路的输入和输出阻抗，确定电路的负载情况。
2.负载效应补偿：根据负载效应分析结果，采取一系列补偿措施来消除或减小负载效应对电路性能的影响。
例如，可以通过优化电路的结构或参数来改变电路的负载特性，使其更符合设计要求。
3.电路稳定性分析：在设计过程中，还需要对电路的稳定性进行分析。
如果负载效应较大，可能会导致电路的振荡或不稳定现象。
通过稳定性分析，可以预测和避免这些问题的发生。
拉扎维模拟CMOS集成电路设计前十章全部课件
汽车触发气囊的加速度检测原理图
重邮光电工程学院
模拟设计困难的原因是什么（1）？
A. 模拟设计涉及到在速度、功耗、增 益、精度、电源电压等多种因素间 进行折衷，而数字电路只需在速度 和功耗之间折衷。
B. 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰 比数字电路要敏感得多。
C. 器件的二级效应对模拟电路的影响 比数字电路要严重得多。
I/V特性的推导(3)
ID WCox[VGS V(x) VTH ]v
对于半导体：
ID WCox[VGS V (x) VTH ]n dV(x)
dx
L
VDS
IDdx WCoxn[VGS V(x) VTH]dV
(ID为常数)
x 0
V
[iD
ID
0
x]0L [nCoxW ((vGS VTH
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(2)
沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移
I Qd v
动速度 (m/s)
Qd WCox(VGS VTH )
Qd(x) WCox(VGS V
(x) VTH )
Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电 容
WCox：MOSFET单 位长度的总电容
重邮光电工程学院
, (unchanged)
重邮光电工程学院
MOS管跨导gm不同表示法比较
跨导gm
1
2
3
上式中:
ID I0 exp
重邮光电工程学院
亚阈值导电特性
VGS
kT
(ζ>1,是一个非理想因子)
q
重邮光电工程学院
MOS器件版图
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 43
重邮光电工程学院
CMOS模拟集成电路设计 拉扎维课件
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
10
阈值电压（VTH）定义
NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬 底的多子浓度时的栅压。
ΦMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
26
王永生
2009-1-16
27
小结
用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证 （verification）；
MOS SPICE模型
22
基本的SPICE仿真
时间独立性
时间独立
时间（频率）依赖
线 线性 小信号，Rin, Av, Rout 小信号频率－频
性
(.TF)
率，零极点响应 （.AC）
非线 DC工作点，DC分析
性
ID＝f(VD, VG, VS, VB)
(.OP, .DC)
大信号瞬态响应 Slew Rate （.TRAN）
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
10
阈值电压（VTH）定义
NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬 底的多子浓度时的栅压。
ΦMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
26
王永生
2009-1-16
27
小结
用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证 （verification）；
MOS SPICE模型
22
基本的SPICE仿真
时间独立性
时间独立
时间（频率）依赖
线 线性 小信号，Rin, Av, Rout 小信号频率－频
性
(.TF)
率，零极点响应 （.AC）
非线 DC工作点，DC分析
性
ID＝f(VD, VG, VS, VB)
(.OP, .DC)
大信号瞬态响应 Slew Rate （.TRAN）
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)资料
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
18
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
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
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
n (W / L)1 Av = p (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
考虑rO后的增益
r O1 Av = g m (
1 || RD) RD = // rO2 gm2
1 rO1 rO 2 g m2
Av = g m1 (
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
)
28
如何获得单级更高增益？
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
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm =
ID VGS VDS cons tan t
W ox L
gm = 2nC
W ox D L
I
= nC
2ID (VGS VTH ), 饱和区时 = VGS V TH
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
18
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
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
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
n (W / L)1 Av = p (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
考虑rO后的增益
r O1 Av = g m (
1 || RD) RD = // rO2 gm2
1 rO1 rO 2 g m2
Av = g m1 (
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
)
28
如何获得单级更高增益？
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
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm =
ID VGS VDS cons tan t
W ox L
gm = 2nC
W ox D L
I
= nC
2ID (VGS VTH ), 饱和区时 = VGS V TH
CMOS模拟集成电路设计单级放大器.
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
共源共栅级放大器 31
2019/4/20
• 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。
2019/4/20 共源共栅级放大器 32
– 大信号分析
• 如果Vin>VDD-|VTH1|，M1截止，电流I1全部通过M2， 有Vout=VDD-I1RD • 如果Vin<VDD-|VTH1|，M1开启处于饱和区， • 随着Vin ↓ ，ID2↓，当ID1=I1时，ID2＝0，有 • 当Vin下降到Vin1以下，ID1趋向大于I1，迫使M1进入线性区 2019/4/20 33 共源共栅级放大器 使ID1=I1。
2019/4/20 36
2019/4/20 共源级放大器 10
• 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。
2019/4/20 共源级放大器 11
– 考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小 信号模型为
2019/4/20
共源级放大器
12
• 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，输出电压为IoutRout，定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。
CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器(一)-PPT精品文档
16
输出电阻？
您能直观观察出来吗？
17
二极管连接的其他用途：电压偏置
18
同样大小的交流小信号电阻，用饱和区MOS管实现不仅 容易，而且消耗的电压余度要小得多
电流源负载的共源级放大器 广泛的使用在CMOS集成电路中
2019/2/22
共源级放大器
19
1.3 电流源负载的共源级放大器
讨论
1 1 A 2 I V D ( ) I I 1 1 D D
Gm ? Rout?
2019/2/22
共源级放大器
24
计算Gm（考虑沟道长度调制及体效应)
由于
，所以
因此，
2019/2/22
共源级放大器
25
计算Rout
流经ro的电流： 得到 所以，
R r ' r [ 1 ( g g ) R ] OUT o o m mb S
2019/2/22
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↑
20
输出摆幅
2019/2/22
共源级放大器
21
1.4 带源级负反馈的共源级放大器
小信号直接分析方法
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
2019/2/22
9
练习
Av的最大化
A g R v m D
A v 2 C
W RD n ox L D
V I
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
相关主题
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当RS>>1/gm时，GmS
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理 37
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 ro Vin RS + [1 + ( g m + g mb ) RS ]ro
38
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
共源级－带源极负反馈
7
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
8
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
gm Gm = 1 + gm RS
A v = G mR D =
f
g mR D 1 + g mR S
36
共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm和增益
gm Gm = 1 + gm R S
A v = G mR D = g mR D 1 + g mR 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
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
有体效应时的阻抗
Vx 1 1 Vx = || ro (gm + gmb)V x + = Ix Ix gm + gmb gm + gmb ro
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 22
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
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
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
n (W / L)1 Av = p (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
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
6
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
35
共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm和增益
VGS = Vin I D RS
VGS I D ) f = 1 RS I D Gm = (1 R S Vin Vin Vin VGS I D = f (VGS )
= (1 RS Gm ) VGS = (1 RS Gm ) g m
2 n C ox
W L
ID
Av = (W / L)1 1 (W / L)2 1 +
忽略η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
=gm
24
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
29
共源级—电流源做负载
Av = m ro1 || ro2
当ro2远大于ro1时
Av = mro1 = 2 n C I
ox D
W
L
1
1
I D
ro =
1
I D
L ID
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理 32
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
33
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
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号特性 1
W n COX ( )1 (Vin VTH 1 ) 2 2 L 1 W = n COX ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) 2 2 L W W ( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) L L
4
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
5
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
增益
1 Av = g m ( ro || RD) RD gm + gmb
忽略rO的影响
1 gm1 1 Av = gm1 = gm2 + gmb2 gm2 1 +
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23
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益的特点
Av =m1
gm =
1 gm1 1 = gm2 +mb2 gm2 1+
考虑rO后的增益
r O1 Av = g m (
1 || RD) RD = // rO2 gm2
1 rO1 rO 2 g m2
Av = g m1 (
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)
28
如何获得单级更高增益？
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
增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性
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34
共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm
Vout = I D RD
I D = f (VGS )
Vout I D Av = = RD Vin Vin I D 定义等效跨导G m = Vin
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
模拟集成电路原理
第3章 单级放大器
董刚 gdong@
微电子学院
1
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
2
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
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm =
ID VGS VDS cons tan t
W ox L
gm = 2nC
W ox D L
I
= nC
2ID (VGS VTH ), 饱和区时 = VGS V TH
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
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
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18
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
VOV一般不能随工艺下降，要保证强 反型（100mV以上），一般取200mV
0.4μm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－模拟集成电路原理
本征增益约50~110 L增大时可以更大 1/gm<<rO成立
17
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
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 13
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
14
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
15
共源级—电流源做负载
能获得较大的增益
9
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
10
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－模拟集成电路原理
11
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
跨导Gm和增益的比较
gm Gm = 1 + gm RS
A v = G mR D = g mR D 1 + g mR S
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理 37
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 ro Vin RS + [1 + ( g m + g mb ) RS ]ro
38
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
共源级－带源极负反馈
7
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
8
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
gm Gm = 1 + gm RS
A v = G mR D =
f
g mR D 1 + g mR S
36
共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm和增益
gm Gm = 1 + gm R S
A v = G mR D = g mR D 1 + g mR 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
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
有体效应时的阻抗
Vx 1 1 Vx = || ro (gm + gmb)V x + = Ix Ix gm + gmb gm + gmb ro
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 22
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
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
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
n (W / L)1 Av = p (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
单级放大器
学习其分析方法 理解复杂电路的基础
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6
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，需用大信号分析；会影响线 性度
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共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm和增益
VGS = Vin I D RS
VGS I D ) f = 1 RS I D Gm = (1 R S Vin Vin Vin VGS I D = f (VGS )
= (1 RS Gm ) VGS = (1 RS Gm ) g m
2 n C ox
W L
ID
Av = (W / L)1 1 (W / L)2 1 +
忽略η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
=gm
24
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29
共源级—电流源做负载
Av = m ro1 || ro2
当ro2远大于ro1时
Av = mro1 = 2 n C I
ox D
W
L
1
1
I D
ro =
1
I D
L ID
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
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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
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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
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号特性 1
W n COX ( )1 (Vin VTH 1 ) 2 2 L 1 W = n COX ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) 2 2 L W W ( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 ) L L
4
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
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5
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
增益
1 Av = g m ( ro || RD) RD gm + gmb
忽略rO的影响
1 gm1 1 Av = gm1 = gm2 + gmb2 gm2 1 +
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共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益的特点
Av =m1
gm =
1 gm1 1 = gm2 +mb2 gm2 1+
考虑rO后的增益
r O1 Av = g m (
1 || RD) RD = // rO2 gm2
1 rO1 rO 2 g m2
Av = g m1 (
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)
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如何获得单级更高增益？
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
增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性
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共源级－带源极负反馈
等效跨导Gm
Vout = I D RD
I D = f (VGS )
Vout I D Av = = RD Vin Vin I D 定义等效跨导G m = Vin
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模拟集成电路原理
第3章 单级放大器
董刚 gdong@
微电子学院
1
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
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2
MOS饱和区时的小信号模型
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3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm =
ID VGS VDS cons tan t
W ox L
gm = 2nC
W ox D L
I
= nC
2ID (VGS VTH ), 饱和区时 = VGS V TH
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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
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18
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
VOV一般不能随工艺下降，要保证强 反型（100mV以上），一般取200mV
0.4μm工艺时最小L的NMOS管 VA,NMOS=11V， VA,PMOS=5.5V
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本征增益约50~110 L增大时可以更大 1/gm<<rO成立
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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
减小ID；RD会很大，输出节点时间常数增大
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共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
I D = 1/ rO
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共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
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共源级—电流源做负载
能获得较大的增益
9
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
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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 )
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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
跨导Gm和增益的比较
gm Gm = 1 + gm RS
A v = G mR D = g mR D 1 + g mR S