CMOS模拟集成电路复习提纲讲课教案

2011年《大规模集成电路分析与设计》复习提纲第2章MOSFET 的工作原理及器件模型分析 重点内容：＊ CMOS 模拟集成电路设计分析的最基本最重要的知识：MOS 器件的三个区域的判断，并且对应于各个区域的I D 表达式，和跨导的定义及表达式。

＊ 体效应的概念，体效应产生的原因，及体效应系数γ。

＊ 沟道调制效应的概念，沟长调制效应产生的原因，沟道电阻D o I r λ1=，λ与沟道长度成反比。

＊ MOS 管结构电容的存在，它们各自的表达式。

＊ MOS 管完整的小信号模型。

MOSFET 的I-V 特性 1. TH GS V V <,MOS 管截止 2. TH GS V V ≥,MOS 管导通a.TH GS DS V V V -<,MOS 管工作在三极管区;⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=221)(DS DS TH GS oxn D V V V V LWC I μ 当)(2TH GS DS V V V -<<时,MOS 工作于深Triode 区,此时DS TH GS ox n D V V V L WC I )(-≈μ,DSD V I ~为直线关系.导通电阻:)(1TH GS ox n DDS on V V LW C I V R -=∂∂=μ b .TH GS DS V V V -≥,MOS 管工作在饱和区;2)(21TH GS ox n D V V LWC I -=μ跨导g m ：是指在一定的V DS 下，I D 对V GS 的变化率。

饱和区跨导：)(H T GS ox n constV GSDm V V L WC V I g DS -=∂∂==μTH GS DD ox n H T GS ox n m V V I I L W C V V L W C g -==-=22)(μμ三极管区跨导：DS ox n m V L WC g μ=MOSFET 的二级效应1. 体效应: 源极电位和衬底电位不同,引起阈值电压的变化.)22(0F SB F TH TH V V V φφγ-++= )22(0FP BS FP n TH THN V V V φφγ--+= )22(0FN FN BS P TH THP V V V φφγ---+=2. 沟长调制效应: MOS 工作在饱和区,↑DS V 引起↓L 的现象.)1()(212DS TH GS ox n D V V V L W C I λμ+-⎪⎭⎫ ⎝⎛=TH GS D DS D ox n DS H T GS ox n GS D m V V I V I LW C V V V L W C V I g -=+⎪⎭⎫⎝⎛=+-=∂∂=2)1(2 )1)((λμλμ 饱和区输出阻抗：λλμ⋅=⋅-⎪⎭⎫⎝⎛=∂∂=D TH GS ox n DS D o I V V LWC V I r 1)(21112线性区输出阻抗：()[]DS TH GS ox n o V V V LWC r --=μ13. 亚阈值导电性V GS <V TH ,器件处于弱反型区.V DS >200mV 后,饱和区I D -V GS 平方律的特性变为指数的关系:T GSD V V I I ζex p0=MOSFET 的结构电容（各电容的表达式见书）MOSFET 的小信号模型MOS 器件在某一工作点附近微小变化的行为,称为小信号分析.此时MOS 器件的工作模型称为小信号模型. MOS 管的交流小信号模型是以其直流工作点为基础的。

MOS 器件是一个压控器件。

以NMOS FET 为例，它处于三个直流电压偏置状态：V GS 、V BS 、V DS 。

这三个偏置电压中任意一个发生改变，都会引起器件沟道电流的变化。

于是定义三个参数：栅跨导: contV V GSDm BS DS VI g =∂∂=,衬底跨导:contV V BSD mbGS DS V I g =∂∂=,沟道电导: contV V DSDds BS GS V I g =∂∂=,于是得到小信号电流的表达式：DSds BS mb GS m DScontV V DSD BScontV V BSD GScontV V GSD D v g v g v g V V I V V I V V I i BS GS GS DS BS DS ++=∆∂∂+∆∂∂+∆∂∂====,,,低频小信号模型：)())(( BSTH m BS TH TH GS ox n BSTHTH D BS D mbV V g V V V V L W C V V V I V I g ∂∂-=∂∂--=∂∂⋅∂∂=∂∂=μm SBF m SB TH m mbg V g V V g g ηγ=+Φ=∂∂=22由MOS 的结构电容及低频小信号模型得到其完整的小信号模型：第3章单级放大器重点内容：＊掌握以电阻为负载的CS、CD、CG、Cascode等结构的直流大信号的分析；＊掌握二极管为负载的共源放大器、恒流源为负载的共源放大器、带源极负反馈电阻的共源放大器的小信号增益的表达式；＊掌握Source Follower的小信号增益的分析、输出阻抗的分析；＊掌握CG结构的小信号增益的分析、输入阻抗的分析、输出阻抗的分析及相关的表达式；＊掌握Cascode结构的小信号增益的分析、输出阻抗的分析及其相关的表达式；Ⅰ）对比这两个结构的直流大信号特性；Ⅱ）对比这两个结构的交流小信号的分析：＊增益的表达式＊输出阻抗的表达式＊会针对不同的实际电路结构作出它的小信号模型，并利用小信号模型来求解它们的输入阻抗、输出阻抗及小信号的增益；大信号分析：根据已知条件，判断器件的工作状态，并根据其电流方程对电路进行分析。

增益分析方法：a.数学推导的方法先判断电路中MOS 器件的工作状态，根据其电流方程以及电路中的电流关系，得到输出电压（大信号）与输入电压之间的关系表达式，最后对输入电压求微分。

b.小信号模型先根据MOS 器件的小信号模型，画出电路的小信号模型，然后列出电路结点的KCL 、KVL 方程，最后得到输出电压（小信号）与输入电压的关系表达式，并求它们的比值。

c.利用辅助定理out m V R G A -=求增益.m G 表示输出与地短接时电路的跨导;out R 表示当输入电压为0时电路的输出电阻.输入阻抗分析：在输入端加一电压源信号, 求电压源电压与流过电压源的电流之比.输出阻抗分析:当输入为0时,在输出端加一电压源信号,求电压源电压与流过电压源的电流之比.第4章 差动放大器1.分析基本差分对的大信号特性和小信号特性;a. 大信号分析：差模特性的大信号分析 共模特性的大信号分析＊共模电平的输入范围最小共模电平：使M 3工作在饱和区的最小输入电压；最大共模电平：使M 1工作在饱和区的最大输入电压。

＊输出端的摆幅问题差动对的电压摆幅，是指在共模直流电平的基础上叠加的交流小信号使输入器件不脱离饱和的输出端对应的最大范围。

b.小信号分析：由电流电压方程导出小信号跨导及增益inoutV V V A ∆∆=()()D D D D DD D D DD out out out I R I R V I R V V V V ∆-=---=-=∆2121m D inDD in out V G R V I R V V A -=∆∆-=∆∆=⇒因此，要掌握m G 的计算过程，能够确定它的变化范围。

叠加法分析小信号特性分别令01=in V 和02=in V ,求得in V 在1out V 和2out V 的响应,然后再将两个响应叠加.＊掌握用叠加法分析差分电路的小信号增益，并能用叠加法分析负载不对称情况下，差动电路的小信号增益。

半边电路法分析小信号特性电路完全对称时，可用半边电路的概念，将差动电路分成两个独立的共源放大器，差动电路的增益就等于共源放大器的增益。

＊掌握半边电路分析方法的原则，并能在分析不同负载的差分对时灵活运用半边电路法来分析差分放大器的增益，尤其掌握几种负载的情况:mos 二极管的负载、mos 恒流源的负载2. 介绍差分对的共模响应,引入共模抑制的概念;共模响应是指由于恒流源的有限输出电阻、电路元件不对称等原因引起的,共模输入的变化在输出端引起的响应. 共模抑制比DMCM DMA A CMRR -=＊了解CMRR 的定义，会分析恒流源电阻R SS 的存在引起的共模增益，同时会分析由于负载不对称情况下，输入的共模电平引起的差分增益。

第5章 无源与有源电流镜1. 无源与有源电流镜的概念电流镜：对参考电流进行拷贝的电路,包括放大、缩小得到的电流源.参考电流与电流源构成电流镜。

有源电流镜：参考电流不是固定的参考电流,而是随输入信号变化的信号电流,则此电流镜是用于信号处理的,称为有源电流镜. Ⅰ）简单电流镜的结构，缺点?Ⅱ）改进型电流镜的结构，对比复习下面的电流镜的结构： 电压余度的概念：I out 达到稳定时,外部电路所需提供的最小电压.222min od TH GS Y V V V V =-= od od od P V V V V 232min =+=THod TH GS GS P V V V V V V +=-+=2323min2. 以有源电流镜为负载的差分放大器的分析 a.基本工作原理与大信号分析b.小信号分析利用求等效跨导m G 和输出电阻outR 的办法来求取增益。

()o4o2m1,2//r r g R G A out m V =-=利用戴维南定理进行计算。

c.共模特性4,32,12,14,32,12,1,,21121212m m SS m m SS m m CM in out CMV g g R g g R g g V V A +-=⋅+-==对比分析下面三种结构的小信号的特性，并能掌握它们的小信号的增益以及输出阻抗的表达式，并能够计算增益的大小。

)//(21422,1o o m V r r g A = )//2(21422,1o o m V r r g A =第6章 放大器的频率特性a.掌握密勒定理的内容b.理解极点与节点的对应关系极点的确定:由相应一个结点到地”看到的”总电容乘以从这个结点到地看到的总电阻,得到了时间常数j τ,于是可以得到一个极点的频率 j j τω1=.电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点.c.放大器的频率响应会写极点频率的表达式，并能运用Miller 定理简单分析CS 、CD 、CG 、Cascode 、Differential Amplifier 等结构的极点频率. 会求电路的传输函数和输入、输出阻抗.第7章 噪声1. 掌握噪声平均功率、噪声谱的概念2.3.4.5. 掌握噪声的类型：电阻的热噪声、MOS 器件的热噪声、闪烁噪声7. 会计算简单放大电路的输出噪声以及输入参考噪声8.9.10.11. 辅助定理2()()()Y X S f S f H f = 222n n m V I g =。