CMOS模拟集成电路设总复习

差分放大器
差动工作方式优点： •抑制共模噪声
Vout
AVD (v1
v2 )
AVC ( v1
v2 2
)
•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
vID v1 v2 : 差模输入电压
vIC
v1
v2 2
:
共模输入电压
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
110 2 2.1 501
-3dB角频率约等于主极点频率：
p
gm2
2K 'P (W / L)2 I D
(CM COUT )
CL
2 50 106 1100 106 110 12
100 M (rad / s)
-3dB频率
f 3dB
2
16M (Hz)
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
电流源负载反相器
电流源负载反相器
AV
vout vin
gm1 gds1 gds2
Rout
g ds 2
1
g ds1
1
I D (1 2 )
3dB
1 RoCo
gds1 g ds2 CL
f3dB 2
CMOS反相器 CMOS反相器
AV
vout vin
(gm1 gm2 ) gds1 gds2
MOSFET的工作原理—饱和过程
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VGD＝VGS－VDS，靠 近漏极的电场较弱，使沟道形状成
VDS
S
G
VGS
N+
ID
D
N+
楔形。当VDS＝VGS－VT 时，导电沟
电流镜负载差分放大器
小信号分析——增益、输出电阻、-3dB带宽 gm1 gm2 gmd
差分放大器的增益
AV
( gmd ) gds2 gds4
2
2 4
K '1 W1 I SS L1
差分放大器的输出电阻
rout
g ds 2
1
g ds 4
差分放大器的-3dB带宽
3dB
1 ROCO
( gds2 gds4 ) CL
P--Si
道被夹断。沟道夹断后，源漏之间
等效为一个很大的电阻，电流不会
随着VDS增加，达到饱和。
MOSFET的工作原理—输入、输出特性曲线
ID VDS=10V
VGS(V) 0 VT
VGS =VT
输入特性曲线
ID(mA)
VGS =8V 7V
6V
5V
4V
VGS =VT
0 5 10 15 20
VDS(V)
0.7
0.91V
M1饱和：VDS1 VGS1 VT
Vb VGS2 VGS1 VT
Vb VGS1 VGS2 VT
2I REF
K ' (W / L)2
2I REF K '(W / L)1
VT
2 0.1103
2 0.1103
110106 40 0.7 110106 40
1.11V
例题
M2饱和： VDS2 VGS2 VT
VGS1 (Vb VGS2 ) VGS2 VT
Vb VGS1 VT
2I REF K '(W / L)2
VT
VT
2 0.1103 110106 40
1.4
1.61V
获得稳定的输出
电流要求所有管 1.11V Vb 1.61V
子饱和，则此时
知识点
总复习
知识点
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
MOS器件原理
器件结构
栅极(Gate）
SGD
金属
( Metal ) Al层
N+
N+
P--Si
氧化物 (Oxide) SiO2层
P型Si衬底 (Semiconductor)
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）-1.5V<ICMR<2V；（3）Pdiss<1mW 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： VICmax VDD VSG3 VTN
I VT ln(n) R1
Vout
mR2 R1
VT
ln(n) VEB3
Vout 2 ln(n) k VEB3 2m ln(n) 8.67 102 2.2 0
T
q T
只要满足右式的所有m，n均可 mln(n) 12.7
知识点
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
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M1~M4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
Vout mR2 I D1 VEB3
VEB1 R1I D1 VEB2
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
反相器是所有放大器中最基本的电路
输出级
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
AV
vout vin
gm1 gm2
Rout
gm2
1
g ds1
1 gm2
3dB
1 RoCo
gm2 CL
f3dB 2
解：AV
(gm1 gm2 gds1 gds2
)
2K 'N (W1 / L1)ID 2K 'N (W1 / L1)ID
N ID P ID
2 110 10 6 1 310 4 2 50 10 6 2 310 4 0.04 300 10 6 0.05 300 10 6
18.6
-3dB角频率： p (gds1 gds2 ) (N I D P I D )
MOSFET的工作原理—导通过程
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。
VGS
S
G
D 反型层
N+
N+
E
P--Si
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。
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
带隙基准源
带隙基准源基本不受电源和温度的影响
三极管的基极发射极 电压VBE是负温度系数。
VBE T
300K 2.2mV / C
两个三极管工作在不
VSG3 VDD VICmax VTN 2.5 2 0.7 1.2
VSG3
K 'P
2ID (W /
L)3
| VTP
| 1.2
(W / L)3 8 (W / L)4
电流镜负载差分放大器
2.小信号增益约束条件：
AV
2
2 4
K 'N W1 100 I SS L1
(W / L)1 18.4 (W / L)2
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
VG
SS
G
D 反型层
沟道)，将源区和漏区连接 起来。VGS越大,反型层越 宽, 源漏间的导电能力越
N+
N+
E
P--Si
强。
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。
L
COX
OX
tOX
K': 跨导参数
K ' COX 0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）：
iD
K'
W 2L
(vGS
VT
)2
线性区电流（以NMOS为例）：
iD
K'W L
[(vGS
VT
)
( vDS 2
)]vDS
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
小信号模型
MOS管的小信号模型
输出电阻
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
iD2
2
2
(vGG
VTN
)2
110 2
(vGG
0.7)2
100
VGG 2.05V
M1工作在饱和区
iD1
1
2
(VDD
vin
| VTP
|)2
50 5 2
(5
VDS =VGS -VT
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）：
iD
0COXW
L
[(vGS
VT )vDS
1 2
vDS
2
]
0 : 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） COX : 单位面积栅氧化物电容（F/cm2） W : 器件的宽长比
同的电流密度下，其
基极发射极电压的差
值 VBE 是正温度系数。
VBE
kT q
ln
n
VT
ln
n(n为பைடு நூலகம்三极管电流比值
)
带隙基准源电路结构
Vout VBE2 (R2 R3 )I
VBE1 VBE2 R3I
I VBE VT ln(n)
R3
R3
Vout
VBE2
VT
ln( n)(1
R2 ) R3
3.最小共模输入电压约束条件：
VICmin VGS1 VDS5sat VSS
VDS5sat VICmin VGS1 VSS
2I SS
1.5 (
K 'N (W / L)5
2I D1 K 'N (W /
L)1
VTN
) 2.5
(W / L)5 306
知识点
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
1
ro I D
增益 Av gmro
跨导
gm
2K'W L
ID
知识点
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
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）
iO W2 L1 iI W1L2
Rout
g ds 2
1
g ds1
3dB
1 RoCo
gds1 g ds2 CL
f3dB 2
CMOS反相器的频率响应
反相器极点频率近似计算方法：
1 p
ROUT COUT
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
理想差放 Vout AVD (v1 v2 )
电流镜负载差分放大器
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：
VICmin VGS2 VDS5sat VGS1 VDS5sat
最大输入共模电压：
VICmax VDD VSG3 VTN
例.假设下图所示电路中M1的宽长比为2um/1um，M2的宽长比为1 um/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： AV
gm1 gm2
K 'N W1L2 K 'P W2L1
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
(CM COUT )
CL
-3dB频率：
300
106 (0.04 110 12
0.05)
27 M
(rad
/
s)
f3dB 2 4.2M (Hz)
知识点
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
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：VX VGS1
2I REF K '(W / L)1
VT
2 0.1103 110106 40
vin
0.7)2
100
增益： AV
gm1 gds1 gds2
24.8
vin 3.4V
CMOS反相器的频率响应
例.假设下图所示电路中M1的宽长比为1um/1um，M2的宽长比为2
um/1um,Cgd1=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。