模拟CMOS集成电路设计第3章单级放大器..

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模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)

性度
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
7
第七页，共44页。
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
第八页，共44页。
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
大信号特性
1
W
n COX ( )1 (Vin
2
L
VTH 1 ) 2
1
W
= C ( n OX ) 2 (VDD Vout
2
L
VTH 2 ) 2
W
W
V = ( )1 (Vin ) TH 1 ( ) 2 (VDD Vout
L
L
VTH 2 )
若VTH2随 Vout变化很小，则有很好线性度
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
11
第十一页，共44页。
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
与小信号等效电
路结果一致
增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
12
第十二页，共44页。
Av的最大化
共源级—电阻做负载
Av = m RD
Av =
2 C n ox W VRD
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
31
第三十一页，共44页。
共源级－深线性区MOS管做负载
Vb要足够低，使M2工作在深线性区

2010年CMOS模拟集成电路复习提纲

2007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 ox n D V V V V L W C I μ 当)(2TH GS DS V V V -<<时,MOS 工作于深Triode 区,此时DS TH GS oxn D V V V LWC I )(-≈μ,DSD V I ~为直线关系. 导通电阻:)(1TH GS ox n DDSon V V LW C I V R -=∂∂=μb .THGS DSV V V -≥,MOS 管工作在饱和区;2)(21TH GS oxn 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：TH GS DD oxn H T GS oxn m V V I I LW C V V LW 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--+=)(H T GS oxn constV GSD m V V LW C V I g DS -=∂∂==μ)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 LWC I λμ+-⎪⎭⎫⎝⎛= TH GS D DS D ox n DS H T GS oxn GSD m V V I V I L W C V V V LW 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 oxn o V V V LW C 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 ζexp0=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。

模拟集成电路设计教学大纲

模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。

课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。

先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。

一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。

二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。

3、重视学生的计算能力培养。

三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。

掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。

第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。

难点在于小信号模型和SPICE模型。

掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。

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

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

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1. 引言在拉扎维模拟CMOS集成电路设计第三章的作业中，涉及了多个内容，包括放大电路、反馈放大电路、功率放大电路等。

本文将对这些内容进行详细的解析和讲解，并给出相应的答案。

2. 放大电路放大电路是电子电路中非常常见且重要的一种电路结构。

在本章的作业中，我们需要设计一个放大电路，并回答一些相关问题。

2.1 放大电路设计根据作业要求，我们需要设计一个放大电路，输入信号为正弦波，放大倍数为10倍。

我们可以选择使用CMOS集成电路来实现这个放大电路。

首先，我们需要根据放大倍数和输入信号的幅度来确定CMOS放大电路的电路参数。

在设计过程中，我们需要考虑一些关键因素，包括电流源、负反馈电阻等。

其次，我们可以选择合适的电路拓扑结构，例如共源共栅放大电路、共源共漏放大电路等。

根据实际情况，我们可以选择合适的电路结构。

最后，我们需要进行电路参数的计算和电路的仿真。

通过计算和仿真，我们可以得到放大电路的性能指标，例如增益、截止频率等。

2.2 放大电路问题解答在作业中，还需要回答一些问题，例如输入电阻、输出电阻、频率响应等。

针对这些问题，我们需要根据放大电路的拓扑结构和电路参数做相应的计算和分析。

例如，输入电阻可以通过计算输入端的电流和电压之比得到；输出电阻可以通过计算输出端的电流和电压之比得到；频率响应可以通过对放大电路进行交流分析得到。

总的来说，放大电路的设计和问题解答需要综合考虑多个因素，包括电路参数、电路结构、输入信号的幅度、负载等。

需要进行一系列的计算和仿真，以得到满足要求的电路性能。

3. 反馈放大电路反馈放大电路是一种常见的电路结构，它可以通过引入反馈回路来改善电路性能，例如增益稳定性、线性度等。

在作业中，我们需要设计一个反馈放大电路，并回答一些相关问题。

3.1 反馈放大电路设计根据作业要求，我们需要设计一个反馈放大电路，输入信号为正弦波，放大倍数为20倍。

模拟CMOS集成电路设计-第3章-单级放大器

比N管的输出阻抗更高。
• 输入阻抗
低频时输入电流为零，输入阻抗无限大。
• 输出阻抗
直观的：
源跟随器实现大阻抗到小阻抗的转换
源跟随器的戴维南等效
用电阻模拟gmb—对源跟随器成立
戴维南等效电路--〉分压电路
共栅级
• 在共源放大器和源跟随器中，输入信号都是加在MOS管
的栅极。把输入信号加在MOS管的源端也是可以的。
R
mo
m
bo
o
D
A

G
R

v
mo
u
t
R
R
R
o
o
n
1 p
2
n
p

W
L

50
(
W
/
L
)
必须使
2
1
在某种意义上，高增益要求强的输入器件和弱的负载器件，缺点是高增益会
造成沟宽和沟长过大而不均衡（因此会导致大的输入或者负载电容），同时
还会带来另外一个严重的局限性：允许的输出电压摆幅的减小。
ID1 ID2
W
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱW
2

V
V
所以

V
GS
gmb)R

(gm1/r
gmb)V
o
s
o
in
Id/V

(gm1/r
gmb)/(1(gm1/r
gmb)R
in
o
o
s
ID
Gm＝ |Vout 0
Vin
g
r

g
r

1
I
m

《模拟集成电路设计》教学大纲

《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/ Design of Analog integrated Circuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。

本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。

通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。

9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版）.2）《CMOS模拟集成电路设计》二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。

通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。

本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。

主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。

CMOS模拟集成电路设计-ch3单级放大器2

7
输入阻抗
正因为共栅放大器的输入阻抗较小，所以前面算增益的时候必须考虑RS
2021/2/4
8
低Rin特性的应用
根据传输线理论：
对于50传输线，接收端匹配50电阻时，反射回来的能量最小，功率传输效率最高
a结构电压增益只能为gm1×50; b结构为gm1×RD
由2021于/2/4共栅放大器的阻抗变换特性，RD可以远大于50
2021/2/4
P60
4
摆幅问题
源跟随器会使信号直流电平产生VGS的平移，降低信号摆幅
为了保证M1工作在饱和区，要求
VX VG1SVTH
为了保证M2、M3都工作在饱和区，要求
V X(V G3S V TH ) V G2S
电压平移有时候是有用的，如例3.9
2021/2/4
5
3.3 共栅级放大器
大信号分析
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比共源共栅放大器的大。
2021/2/4
14
练习 1
交流地共栅级的阻抗变换特性
2021/2/4
15
2021/2/4
16
练习 2
2021/2/4
17
谢谢观赏
增益
若λ＝0，由输入管产生的漏电流会全部流过共源共栅管
高输出阻抗是共源共栅的重要特性
2021/2/4
11
Av=-GmRout
高输出阻抗可带来高增益！
2021/2/4
12
Rout2显然不够大，Rout1的作用没有发挥出来
共源栅电流源
输出电压的摆幅：
2021/2/4

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

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。

拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)

对于半导体：
L
dV ( x ) ID WCox[VGS V ( x ) VTH ]n dx
VDS
x 0
I dx WC
D
V 0
ox
n[VGS V ( x ) VTH]dV (ID为常数)
1 DS [iD x] [nCoxW ((vGS VTH )v(x) v( x) 2 )]v 0 2 1 W ID nCox L [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 17
重邮光电工程学院
MOS管在饱和区电流公式
1 W 2 iD ( nCox ) (vGS VTH ) 2 L
μ
n 的典型值为：μ 2/Vs] ≈ 580 [cm n
tox ≈50A, Cox 6.9fF/m2 t ≈0.02m, C
ox ox
d g g d
NMOS饱和条件：Vd≥Vg＋VTHN PMOS饱和条件：Vd≤Vg＋|VTHP|
判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 22
重邮光电工程学院
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH Q dep MS 2F , where Cox MS gate silicon F kT q ln Nsub n i Qdep 4qsi F Nsub
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 # 30
重邮光电工程学院
MOS电容器的结构
t ox ≈ 5 0 A , C ox 6.9 fF/ m 2
t ≈ 0.02 m , C
ox ox
。
1.75fF/ m 2

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

CMOS模拟集成电路第3章—单级放大器

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。当gmRS>>1, AV≈RD/RS
2013-8-4 13
共源级放大器
– 考虑沟道长度调制及体效应时，电路的交流小信号模型为
2013-8-4
14
共源级放大器
2Hale Waihona Puke 13-8-419共漏级放大器
• 小信号分析
考虑体效应
– 讨论
gm Vout / Vin gm RS / [1 ( gm gmb ) RS ) 1 / RS gm gmb
• 增益<1； • 当Vin≈VTH时，增益从零开始单调增大； • 随gm变大，Av接近gm/(gm+gmb)=1/(1+η)， η= gm/gmb随 Vout增大而减小(VSB增加)，所以Av趋近1。
– Vin≤VTH1，M1，M2处于截止状态， Vout=VDD，且Vx≈Vb－VTH2（忽略亚阈值导通） – Vin＞VTH1，开始出现电流，Vout下降， Vx下降。 – 2013-8-4 如果Vin足够大，M1或M2将进入线性区。（与器件尺寸、RD及Vb有关）
29
共源共栅级放大器
• 小信号分析
33
2013-8-4
直流或低频下！
小信号增益
电阻负载
小结
输出电阻
( RD || rO )
g m2 1 g mb 2
输入电阻
摆幅
线性度
g m Rout
gm g m 2 g mb 2
∞ ∞ ∞
－
小
－
较好
共源级

第3章单级放大器_源跟随器

华侨大学·电子与信息工程学院电子工程系杨骁凌朝东
xiaoyanghqu@
华侨大学IC设计中心
3.3 源跟随器(共漏极）（Source Follower）
对共源级的分析指出，在一定范围的电源电压下，要获得更高的电压增益，负载阻抗必须尽可能大。如果这种电路驱动一个低阻抗负载，为了使信号电平的损失小到可以忽略不计，就必须在放大器后面放置一个“缓冲器”。源跟随器（也叫做共漏级放大器）就可以起到一个电压缓冲器的作用。
GM = g m
RO = 1 1 1 || || ro ≈ g m g mb g m + g mb
ROut = RS // Ro = RS //
1 g m + g mb
Av = Gm Rout
Rs = gm Rs ( g m + g mb ) + 1
1 g m + g mb RS = = 1 RS ( g m + g mb ) + 1 RS + g m + g mb RS
Rout
1 rO 1 rO 2 RL = gmb + gm
1 Av = g m rO1 rO 2 RL g mb + g m
衬偏效应影响
华侨大学IC设计中心
即使源跟随器用理想电流源来偏置，输入－输出特性仍表现出一些非线性，这源于阈值电压与源极电压之间的非线性。
Av = Gm Rout Rs g = gm = m = 1 ( g m + g mb ) (1 + η ) Rs ( g m + g mb ) + 1
源跟随器电压增益与输入电压Leabharlann 系Av = Gm Rout