第3章 CMOS基本单元电路

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3.3 共漏极放大器（源极跟随器/Source follower）
Drain端交流接地
VDD
VDD D M1 S
VDD
M1
I bias
V in
Vin Vout Rs
NMOS放大管
电阻负载的缺点：
M3 M2
V out A ctive L oad
1）M1的漏极电流受输入直流电平的强烈影响→导致AMP的输入-输 出特性严重非线性；
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电阻负载与电流镜有源负载的比较
Id
电阻的负载线
饱和区
Vin Active load的负载线
线性区
Vdd*
Vdd
电流镜有源负载的等效电阻随Vin变化:
Vds
Vdd * RL I ds 500k 100uA 50V
线性区(小电阻)
饱和区(大电阻)
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反相器放大器（推挽放大器）
线性放大区域
倍。为了消除这种误差，电流镜中的所有CMOS管通常都采用相同的栅
长L，而输出电流的调节只能通过调节管子的栅宽W来实现。
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多路输出电流镜
VDD
Iout1 IREF
V1 M1 W1/L1 M2 W2/L2
Iout2
Iout3
M3 W3/L3
M4 W4/L4
NMOS
I out 1 W2 / L2 I W1 / L1 REF I out 2 W3 / L3 I W1 / L1 REF I out 3 W4 / L4 I W1 / L1 REF
I4
W4 / L4 I3 W3 / L3
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基本电流镜的输出电阻(小信号特性)
VDD
Iout IREF rout
V1 M1 W1/L1 M2 W2/L2
Iout
rout=？
小信号交流等效电路
NMOS
基本电流镜在放大器中的应用 (很大的小信号电阻rout)： 1）提供恒定的直流偏置电流； 2）作为放大器的有源负载使用，具有很大的小信号电阻。
I d n C OX
W (Vgs Vth )Vds L
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输出电压的摆幅
Vout 截止区(M1) VDD 饱和区(M1)
线性区(M1)
0

VTH1 Vout+VTH1
Vin
为了保证M1与M2均工作在饱和区，输出电压被限制在以下范围： (Vin-Vth1)<Vout<VDD-|Vds2|min
M2 Vout
Ibias
2）当Vin>Vth1时，M1和M2都进入饱和区， 漏极电流基本保持恒定（电流镜的作 用），Vout开始减小 3）当Vin> Vout +Vth1 （或Vout< Vin -Vth1） 时，M1进入线性区
输出电压Vout的下限是M1的过驱动电压（ Vin -Vth1），而输出电压 的上限是Vdd减去M2的过驱动电压（|VGS2 –Vth2|），因此，输出电压 的摆幅是电源电压减去两个过驱动电压，即
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基本电流镜的小信号等效电路（NMOS）
M1 M2
ix
+
1/gm1
Vgs2
_
+
gm2vgs2
rds2
_
Vx
rout = rds2
V1
i1
i1 1/gm1
+
Vgs1
_
rds1 gm1vgs1
v1
+ _
gm1 v1
二极管接续的MOS管
V i1 1 g m1V1 rds1 i1 1 1 g m1 g m1 ( g m1 g ds1 ) V1 rds1 rds1
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多路输出电流镜(输出电流导向)
VDD
VDD IREF M0 W0/L0
Sink current
I1
M3 W3/L3 I3 I2
M4 W4/L4 I4
M1 W1/L1
M2 W2/L2
Source current
I1
W1 / L1 I REF W0 / L0
I 2 I3
W2 / L2 I REF W0 / L0
线性区
静态偏置电压不同，放大管 工作在不同的区域，应保证工 作在饱和区。
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电压放大原理（在饱和区，电阻负载）
ut
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电阻负载放大器的优缺点
电阻负载（直流电阻与交流电阻相同）的缺点：
电压放大倍数Av= -gm(RL//rds1) ,
为了增大Av → 增大RL → 限制输出电压的摆幅；
CMOS工艺条件下制作大电阻(数百KΩ)会占用较大芯
VDD
0
VDD/2
Vin
M1和M2均工作在饱和区时的电压放大倍数（NMOS与PMOS同时 起放大作用）: 较单级NMOS或PMOS共源放大器增益大
A ( g g )( r // r )
v m1 m2 ds 1 ds 2
如果将放大器的静态工作点设置在Vin=Vdd/2，则可获得最大电压 增益和输出动态范围。例如用在A/D变换的比较器中(将输入和输出 瞬间短路使Vin=Vdd/2)。
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电压放大倍数（工作在饱和区）
本征增益： A g .r 2u c W1 I ( 1 ) W1L1 v m1 ds1 n ox D
0
L1
1I D
ID
W1 L1 ID
Av0
但是，W1L1↑→Cgs1 ↑→频率特性变差。为了提高放大倍数，可适当 减小偏置电流ID（受到放大器的速度和噪声要求的限制）。
片面积；
增加静态（直流）功耗（Ids2 ×RL）。
电阻负载的优点： 产生较小的寄生电容和噪声电压，适应于低增益高频 放大器（RF电路中）。
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共源极放大器（电流镜作为有源负载）
NMOS放大管
Vdd M3 Vin M1
S
PMOS放大管
Vdd Vdd
S
Active load M2 Vout
Ibias
rds1
rds2
电压增益：Av gm1 (rds1 // rds 2 ) 数值例： g m 1mA/ v, rds 100k Av 50 分析：
rout rds1 // rds 2
g m1 rds1
2un Cox
W1 ID L1
L 1 1 1 , rds 2 ( rdsi i ) 1 I D 2 I D L ID
Ibias
I D1
nCOX W1
2 ( L1
Fra Baidu bibliotek
Rds2=∞
)(Vin Vth ) 2 (1 Vout )
Rds2≠∞
参照P44，例3.2的解释（注意与电阻负载的放大原理不同）：
如果M1和M2被偏置在饱和区，由于电流镜的作用，M1(M2)中 的漏极电流为常数，输入电压是如何被放大？由M1的电流表达式 可知，如果ID1为常数，则Vin↑→Vout↓，即电压被放大（注意, Vin在平方项，而Vout是一次项，故电压被放大）（见下页）。
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单级放大器的分析流程
电路结构及工作原理，直流偏置 大信号特性分析，输入电压范围，输出电压摆幅 小信号特性分析，电压放大倍数，输入/输出电阻 频率特性分析，带宽，相位裕度，动态特性 其它特性分析，优缺点分析
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3.1 基本电流镜（Current mirror）
VDD
VDD VDD
IREF
V1
Iout R out
2 2 gs th ds 2 2 2 2 ds 2
I I
OUT
REF
W /L 1 V ( )( ) W /L 1 V
1 1 ds 1
由于Vds2一般不等于Vds1，输出电流出现偏差。且λ愈大，电流误差愈
大。因此为了提高电流源的精度，通常使用L尺寸较大的管子形成电流
镜（λ∝1/L）。为了进一步减小沟道长度调制的影响，可采用后面介绍 的共源共栅电流镜。
和温度的影响（理想情况）

M1工作在饱和区（Vds=Vgs，Vgd=0），同时为M2提供偏置电压。
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基本电流镜的误差（沟道长度调制引起）
I
REF

C
n
OX
2
W ( )(V V ) (1 V ) L
1 2 gs th ds 1 1
I
C
n
OX
OUT
2
W ( )(V V ) (1 V ) L
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电流镜作为有源负载时的放大原理
Id
有源负载为恒流源 Rds2=∞
ID
∆Vin
∆Vout
Q
∆Vout
Vds
有源负载的输出 电阻不为无穷大 Rds2≠∞
有源负载的输出电阻不为无穷大时，电压放大倍数减小。
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电压放大倍数（工作在饱和区）
rin Vout + _ + Vgs1 _
Vin
gm1Vgs1
第3章 CMOS基本单元电路
魏廷存/2008年
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单级放大器的特性




直流或低频增益（DC Gain） 频率特性（带宽） 动态响应速度（Slewing rate，Settling time） 功耗、电源电压 输入电压范围 最大电压摆幅（无失真放大范围） 输入/输出电阻 信噪比（S/N） 以上特性大部分互相制约，要根据实际应用 场合进行折衷选择或优化设计。
负载电阻： r L2 , ds 2
ID
L2 rds 2 Av
| Vds 2 |min 输出电压摆幅
（在偏置电流ID和W2不变的情况下，L2 ↑→|Vgs2-Vth2| ↑→ |Vds2| min↑） 结论: 在ID确定的情况下，适当增加管子的尺寸（保持宽长比不 变），可提高电压增益。缺点是寄生电容增大，频率特性变差。
M1 Vout M2
Vin
Ibias
M3
Active load
Active load: 提供恒定的直流偏置电流和很大的小信号等效 电阻rds2,并且消耗较小的电压余度（直流电阻小）。
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共源极放大器的大信号特性
NMOS放大管
Vdd M3 Vin M1
S
1）当Vin<Vth1时，M1截止，其漏极电流 为零，M2处于深度线性区，其漏-源电压 接近于零，此时Vout≈Vdd
2）较大的Rs将占用较大的芯片面积及功耗。
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源极跟随器的大信号特性
VDD D M1 VDD
Vout
VDD-VTH1
Ibias
Vin
S
Vout
Vin
M3
M2
0
VTH1
VDD
1) 当Vin<VTH1时，M1处于截止区，ID1=0，M2处于深度线性区，Vout=0。 2) 当Vin>VTH1时，M1和M2都进入饱和区，由于电流镜的作用，漏极电流基本保 持恒定。如果忽略M1的沟道长度调制效应和体效应（VTH1随Vout变化），则 M1的漏极电流可表示为 1 W 2 I D1 nCox 1 Vin Vout VTH 1 2 L1 Vout随Vin线性增加，但其差值始终保持为VTH1+Veff1。因此，源极跟随器的输 入和输出电压之间产生直流电平位移，其位移幅度为VTH1 +Veff1。由于 Vin<VDD（最大工作电压），M1始终工作在饱和区，不会进入线性区。
Vdd M2
Vin
Vout M1
* 为了使M1和M2均工作在饱和区，必须给Vin设置合适 的静态偏置电压。
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反相器放大器（推挽放大器）
Vout Vout=Vin+|VTH2| Vout=Vin Vout=Vin-VTH1
为了使M2处于饱和区： Vout<Vin+|VTH2| 为了使M1处于饱和区： Vout>Vin- VTH1
小信号特性与二极管 等效，故称为二极管连 接的MOS管。
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3.2 共源极放大器（电阻负载）
Vdd 负载线 Vout = Vdd - RLIds Ids RL
Vin0
Vout Vin
Vin0
Vin
vin VDD Vds
Source端交流接地
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共源极放大器的输入-输出特性（大信号特性）
截止区
饱和区

给输入电压Vin设置合适的直流偏置电压（合适的静态工作点），通 常取过驱动电压为：Veff=0.15~0.2V（太小会进入弱反型区）
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电流镜作为有源负载时的放大原理
Vdd
Vdd
Vdd M3 Vin M1
S
Active load M2 Vout
Vin Io Vout
Vin
M1
M1
Io
rds2 Vout
Vin-Vth1< Vout < Vdd-|VGS2 –Vth2|
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CMOS管的两种工作状态
IDS=0 VDS开路 IDS=0
VGS<Vth
VGS>Vth
VDS=0
1) 如果Vgs<Vth（无导电沟道）, 则管子处于截止状态，此时 Ids=0, Vds相当于开路。
2) 如果Vgs>Vth（有导电沟道）, 但 Ids=0, 此时管子处于深度线性区， Vds=0, Vgs≈Vth。
W 1/L 1 M1
W 2/L 2 M2
M1 W 1/L 1
M2 W 2/L 2
IREF
Rout
Iout
NMOS
PMOS
W2 / L2 W2 L1 I out I I REF W1 / L1 REF W1 L2
（理想情况）
Iout与IREF的比值由M1与M2的尺寸比率决定,不受电源电压、工艺
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基本电流镜的误差（其它原因引起）


M1与M2的Vth不同（例如栅氧化膜的厚度不同）
M1与M2的尺寸误差（几何失配）
提高电流源精度的措施:
1）在电流镜的版图设计中，M1与M2的结构应尽可能保持对称且紧靠在一起 配置，保证较小的Vth偏差。 2）可将管子的W和L取大一些，以减小尺寸失配误差的影响。 3）在CMOS制造过程中存在源/漏区的横向扩散现象，即 Leff =Ldrawn-2LD，由于源/漏区的横向扩散长度LD是与工艺相关的某一常 数，与栅长Ldrawn无关，因此，如果将Ldrawn加倍，但Leff并不能相应加