模拟CMOS集成电路设计复习提纲

R out
, cl
R out 1 A0
V out A 0 V in 1 A 0
Summary # 40
西电微电子：模拟集成电路设计
电流-电压反馈
Iout Gm Vin 1GmRF
• 前馈网络Gm：V-I；反馈网络RF：I-V • 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 • 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 • 也称串联-串联反馈 • Gm：前馈网络增益，导纳的量纲 • RF：反馈网络增益，电阻的量纲 • Gm×RF：无量纲
g m ro
Summary # 10
二极管接法的MOSFET
R out
1 gm
1 ro
1 gm
(g m ro 1 )
Summary # 11
带电阻负载的共源级
Rup Rdown
Rup R D
R down ro
R out R up || R down ( R D || ro )
V out V in
– 共源级： – 共源共栅级： – 折叠共源共栅级
Summary # 28
西电微电子：模拟集成电路设计
关于噪声
注意：书上关于噪声的
v
2：噪声谱密度
n
，其量纲
i
2：噪声谱密度，其量
n
纲
更确切的描述应该是
d
v
2 n
、d
i
2 n
df df
描述
为 V 2 Hz 为 A 2 Hz
Summary # 29
西电微电子：模拟集成电路设计
Summary # 34
西电微电子：模拟集成电路设计
第八章 反馈
• 反馈概述
– 降低增益灵敏度 – 扩展带宽 – 环路增益、开环增益、闭环增益等概念
• 四种反馈结构 • 负载的影响
– 四种二端口网络模型
Summary # 35
西电微电子：模拟集成电路设计
反馈
X(s)：输入信号 Y(s)：输出信号 Y(s)/ X(s)：闭环传输函数，闭环增益 H(s)：前馈网络；开环传输函数，开环增益 G(s)：反馈网络；若与频率无关，可用代替 H(s)× G(s)：环路增益 ：反馈系数
g r m1 o1RD RD ro1
gm1RD (ro1 RD )
Rou＝ t g1m3
||
ro1
1 gm3
Av0
gm1Rout
gm1 gm3
( ro1
1 gm3
)
Summary # 24
差分放大器的输出阻抗与增益（2）
Routro1 ||ro3
Av0 gm1 ro1 ||ro3
Summary # 25
共源级
• 电阻负载 • 电流源负载 • 二极管接法的MOSFET负载 • 源级负反馈
Summary #9
共源MOSFET
V gs V 1 V in
R out
V out I out
| V in 0
V in 0 时，
I out
V out ro
R out r o 单管增益
V out V in
共漏MOSFET（源跟随器）
RS||ro
Rout
gm
1 g mb
Av0
1 R S || ro
gm g m g mb
Summary # 16
共栅管的输入电阻
V1 0 VX
Vbs 0 VX
RDIX ro IX (gm gmb)VX VX
VX
RD ro
IX 1 (gm gmb)ro
0
A0
1 s
A0
ACL
A
1 A
1
0 A0
1 s
1 A0
1
0
1
s
A0
0
Summary # 38
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电压反馈
Vout A0
Vin 1 A0
• 前馈网络A0：V-V；反馈网络：V-V • 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 • 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 • 也称串联-并联反馈：
Summary # 13
二极管接法MOSFET负载的共源级
Rup Rdown
1 R up g m 2
R down r o 1
R out R up | R down
1 g m2
| ro1
ro1
1 g m 2 ro1
1 g m2
( 1 g m2
ro1 )
A v0
V out V in
g m 1 R out
共栅管用做电流放大器 没必要计算其电压放大倍数
Summary # 17
共栅管的输出电阻
参考源极负反馈电阻的
共源级
Rup Rdown
R out
VX IX
R up
|| R down
R up R D
R down R S ro ( g m g mb ) ro R S
( g m g mb ) ro R S
Summary # 43
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电流反馈的应用：光纤接收器
• 左图，输入阻抗R1
– 时间常数大，带宽小
• 右图，输入阻抗为R1/(1+A)
– 时间常数小，带宽大
Summary # 44
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电流反馈的特性
• 输入端并联，
– 输入电阻减小
• 输出端并联，
ro
1 ID
2 I D C ox
W L
g m ro
2 V dsat
1
2
C
ox
W L
ID
1 L
Summary #4
华大微电子：模拟集成电路设计
MOSFET小信号模型（1）
• VBS=0时的低频小信号模型 • 用于计算输出电阻、低频小信号增益
Summary #5
华大微电子：模拟集成电路设计
Summary # 46
西电微电子：模拟集成电路设计
电流-电流反馈的特性
• 输入端并联，
C ox
W L
V GS V th V DS
线性电阻：
R on
C ox
W L
1 V GS
V th
Summary #3
华大微电子：模拟集成电路设计
几个常用的表达式
饱和区：
ID
1 2
C
ox
W L
V GS
V th 2
V dsat V GS V th
gm
C ox
W L
V dsat
2ID V dsat
电流源负载的共源电路的热噪声
为了降低这 声种 ，电 应 Vds2a 路 提 t w的 高 h ?y g噪 m2V 2IdD at
Summary # 30
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅电路的热噪声
低频情况下，共栅乎管不几贡献噪声！！！
Summary # 31
西电微电子：模拟集成电路设计
折叠共源共栅电路的热噪声
– “串联-并联反馈”，反馈信号与输入信号串联，检测信号与输出信号并 联
– “电压-电压反馈”，描述了反馈网络的特性 – 两种说法角度不同，信号的顺序也不同
Summary # 39
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
R in ,cl (1 A 0 ) R in
为了降低这种电路声 的， 噪应提V高dsa3t
Summary # 32
西电微电子：模拟集成电路设计
差分对的热噪声
为了降低这种声 电， 路应 的提 噪高负 Vds载 at 管的
Summary # 33
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运放的噪声
V i2 eq 2V 121g gm m 1 7其V 1 中 24kT 3g 2m 1
Summary # 36
西电微电子：模拟集成电路设计
反馈的特性1：降低增益灵敏度
AC L
Y X
A
1 A
1
A 1 A
1
(if A 1)
dACL dA
1
1 A2
dACL 1 dA
ACL 1A A
Summary # 37
西电微电子：模拟集成电路设计
反馈的特性3： 扩展带宽
Given A A0 1 s
MOSFET小信号模型（2）
• 考虑衬偏效应时的低频小信号模型 • 用于计算输出电阻、低频小信号增益
Summary #6
完整的MOSFET小信号模型
• 用于计算各节点的时间常数 • 找出极点
Summary #7
第三章 单级放大器
• 共源级 • 共漏级 • 共栅级 • 共源共栅级
Summary #8
Rup
Rdown g m 2 ro 2 ro1
Rdown
Rout Rup || Rdown
Av0 g m1Rout
g m1 g m 2ro2ro1 || g m3ro3ro4
Summary # 21
折叠共源共栅的输出电阻与增益
R ou trI1||gm 2ro2ro1
R ou trI1||gm 2ro2ro1||rI2
共源共栅差分对
Rout gm3ro3ro1 ||gm5ro5ro7
Av0gm 1Ro u t
Summary # 26
第六章 频率特性 • Miller效应 • 极点与结点的关联
Summary # 27
第七章 噪声
• 噪声类型：热噪声、闪烁噪声 • 总输出噪声 • 输入参考噪声 • 单级放大器的噪声
g m1 g m2
Summary # 14
带源极负反馈的共源级
Rup Rdown
Gm
gm 1 gmRS
Rup RD
Rdown gm1ro1RS
Rout Rup || Rdown RD (Rdown Rup)
Av0
GmRo
u
t
gm 1 gmRS
RD
RD RS
(gmRS 1)
Summary # 15
g m Rout
gm (RD
|| ro )
g m R D (R D ro )
Summary # 12
电流源负载的共源级
R up ro 2
R down ro1
Rup Rdown
R out R up || R down ro 2 || ro1 Av0 g m1Rout
g m1 ro 2 || ro1
– 输出电阻减小
R in , cl
1
R in R 0 G mF
R out , cl
R out 1 R 0 G mF
V out
R0
I in 1 R 0 G mF
Summary # 45
西电微电子：模拟集成电路设计
电流-电流反馈
Iout AI
Iin 1 AI
• 前馈网络AI：I-I；反馈网络：I-I • 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 • 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 • 也称并联-串联反馈
Summary # 41
西电微电子：模拟集成电路设计
电流-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
• 输出端串联，
– 输出电阻增大
Rin,cl (1 Gm RF ) Rin Rout ,cl (1 Gm RF ) Rout Iout Gm Vin 1 Gm RF
Summary # 42
Summary #2
华大微电子：模拟集成电路设计
MOSFET的I-V特性
饱和区：
ID
1 2
C ox
W L
V GS
V th 2
沟长调制：
ID
Байду номын сангаас
1 2
C ox
W L
V GS
V th 2 1
V DS
线性区：
ID
C ox
W L
V
GS
V th V DS
1 2
V
2 DS
深线性区：
I D
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电流反馈
Vout
R0
Iin 1R0 GmF
• 前馈网络R0：I-V；反馈网络gmF：V-I • 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 • 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 • 也称并联-并联反馈 • R0：前馈网络增益，电阻的量纲 • GmF：反馈网络增益，导纳的量纲 • R0×GmF ：无量纲
Rt ro1 ro2 ( g m2 g mb2 )ro2ro1
Rt
( g m2 g mb2 )ro2ro1
gm2ro2ro1 （忽略衬偏效应）
Rout g m3ro3 Rt
g m3ro3 g m2ro2ro1
Summary # 20
共源共栅级的输出阻抗（3）
Rup g m 3ro3ro 4
Summary # 18
共源共栅级的输出阻抗（1）
参考源极电阻负反共 馈源 的级电路 Rout ro1 ro2 (gm2 gmb2)ro2ro1 (gm2 gmb2)ro2ro1 gm2ro2ro1 （忽略衬偏效应）
Summary # 19
共源共栅级的输出阻抗（2）
参考源极电阻负反馈的 共源级电路
华大微电子：模拟集成电路设计
复习提纲
Summary #1
华大微电子：模拟集成电路设计
第二章 器件模型
• MOSFET的I-V特性
– 饱和区电流公式 – 线性区电流公式 – 沟道长度调制效应
• MOSFET的小信号模型
– 低频小信号模型：图2.36
• gm、ro的表达式
– 完整小信号模型：图2.38
折叠点看ro 进 1||rI2 去的电阻为
A v0gm 1R out
Summary # 22
第四章 差分放大器 • 差分放大器的输出电阻 • 差分放大器的增益 • 输入共模电平Vin,CM的范围
Summary # 23
差分放大器的输出阻抗与增益（1）
Rout＝RD || ro1
Av 0
g m1Rout