模拟CMOS集成电路设计复习提纲PPT

增益的计算
Av0 gm2 gm4ro4ro2 || gm6ro6ro8
小信号带宽
• 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu • 3dB频率f3dB与fu的示意如下（均为对数坐标）
GBW与小信号建立时间(1)
设放大器的低频增益A0 ,带宽BW fd. 则增益带宽积GBW A0fd 若该放大器为单极点系统
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
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
Av0

g R m1 out

g m1ro1 RD RD ro1
gm1RD (ro1 RD )
Rout＝
1 gm3
|| ro1

1 gm3
Av0

g R m1 out

g m1 gm3
( ro1

1 gm3
)
差分放大器的输出阻抗与增益（2）
Rout ro1 || ro3
Av0 gm1 ro1 || ro3
|Vin 0
Vin
0时，Iout
Vout ro
Rout ro 单管增益
Vout Vin
gmro
二极管接法的MOSFET
Rout

1 gm
1 ro
1 gm
(gmro 1)
带电阻负载的共源级
Rup Rdown
Rup RD
Rdown ro
Rout Rup || Rdown (RD || ro )
二极管接法MOSFET负载的共源级
Rup Rdown
Rup

1 gm2
Rdown ro1
1 Rout Rup || Rdown gm2 || ro1
ro1 1 gm2ro1
1 gm2
(
1 gm2
ro1 )
Av0
Vout Vin
g R m1 out
gm1 gm2
共栅管的输出电阻
参考源极负反馈电阻的共源级
Rup Rdown
Rout
VX IX
Rup || Rdown
Rup RD
Rdown RS ro (gm gmb )ro RS
(gm gmb )ro RS
共源共栅级的输出阻抗（1）
参考源极电阻负反馈的共源级电路 Rout ro1 ro2 (gm2 gmb2 )ro2ro1 (gm2 gmb2 )ro2ro1 gm2ro2ro1 （忽略衬偏效应）
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
Rt ro1 ro2 (gm2 gmb2 )ro2ro1
Rt
(gm2 gmb2 )ro2ro1
gm2ro2ro1 （忽略衬偏效应）
Rout gm3ro3Rt
gm3ro3 gm2ro2ro1
共源共栅级的输出阻抗（3）
共源共栅差分对
Rout gm3ro3ro1 || gm5ro5ro7
Av0 gm1Rout
第六章 频率特性
• Miller效应 • 极点与结点的关联
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
– 共源级： – 共源共栅级： – 折叠共源共栅级
VDS
线性电阻：Ron

Cox
W L
1
VGS
Vth

华大微电子：模拟集成电路设计
几个常用的表达式
饱和区：I D

1 2
Cox
W L
VGS
Vth
2
Vdsat VGS Vth
gm

Cox
W L
Vdsat
2ID Vdsat

ro

1
I D
2
I
D
Cox
W L
gmro

Rup gm3ro3ro4
Rup
Rdown gm2ro2ro1
Rdown
Rout Rup || Rdown
Av0 g R m1 out
gm1 gm2ro2ro1 || gm3ro3ro4
折叠共源共栅的输出电阻与增益
Rout rI1 || gm2ro2ro1
关于噪声
西电微电子：模拟集成电路设计
注意：书上关于噪声的描述
vn2：噪声谱密度，其量纲为V 2 Hz in2：噪声谱密度，其量纲为 A2 Hz 更确切的描述应该是
d vn2 、d in2 df df
电流源负载的共源电路的热噪声
为了降低这种电路的噪 声，应提高 Vdsat2
why ?
gm2

2ID Vdat
MOSFET的I-V特性
饱和区：I D

1 2
Cox
W L
VGS
Vth 2
沟长调制：I D

1 2
Cox
W L
VGS
Vth
21
VDS
线性区：I D

Cox
W L
VGS
Vth VDS

1 2
VD2S

深线性区：I D

Cox
W L
VGS
Vth
– “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
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
Rin,cl (1 A0 )Rin
Rout ,c l

Rout
1 A0
Vout A0
Vin 1 A0
电流-电压反馈
s
1 A0
1

0
1
s
A0


0
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：
– “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
Rout rI1 || gm2ro2 ro1 || rI2
折叠点看进去的电阻为 ro1 || rI2
Av0 gm1Rout
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
差分放大器的输出阻抗与增益（1）
Rout＝RD || ro1
RS||ro
Rout

gm
1 gmb
Av 0

1 RS || ro
gm gm gmb
共栅管的输入电阻
V1 0 VX
Vbs 0 VX
RD I X ro I X (gm gmb )VX VX
VX
RD ro
I X 1 (gm gmb )ro
共栅管用做电流放大器 没必要计算其电压放大倍数
反馈的特性1：降低增益灵敏度
ACL

Y X
A
1 A

1

A 1 A

1
源自文库
(if A 1)
dACL dA

1
1 A 2
dACL 1 dA
ACL 1 A A
反馈的特性3： 扩展带宽
Giv
en
A

1
A0 s
0
A0
1 s
A0
ACL
A
1 A

1

1
0 A0
华大微电子：模拟集成电路设计
复习提纲
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
华大微电子：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
电压-电流反馈
Vout
R0
Iin 1 R0 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
电压 -电流反馈 电压（并联检测）电压
电流（并联返回）
Y模型
短路求T22
短路求T11 并联 -并联
电流 -电流反馈 电流（串联检测）电压
电流（并联返回）
H模型
开路求T22
短路求T11 并联 -串联
第九章 运放
• 增益的计算 • 小信号带宽 • 共模输入摆幅 • 共模输出摆幅 • 共源共栅运放的设计 • 折叠共源共栅运放的设计 • 增益提高（gain boosting）技术的原理 • 运放的噪声
A(s) A0 1 s
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 )
Av 0

Gm Rout

gm 1 gmRS
RD


RD RS
(gmRS 1)
共漏MOSFET（源跟随器）
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
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，
– 输出电阻减小
Rin ,c l

1
Rin R0GmF
Rout ,c l

Rout 1 R0GmF
Iout
Gm
Vin 1 Gm RF
• 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
共源共栅电路的热噪声
低频情况下，共栅管几乎不贡献噪声！！！
折叠共源共栅电路的热噪声
为了降低这种电路的噪声，应提高Vdsat3
差分对的热噪声
为了降低这种电路的噪 声，应提高负载管的 Vdsat
共源共栅运放的噪声
Vie2q

2V12
1


gm7 gm1
其中V12

4kT
2 3gm1
2
Vdsat

1


2Cox
W L
ID
1
L
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
华大微电子：模拟集成电路设计
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
• 输出端串联，
– 输出电阻增大
Rin ,c l

Rin
1 AI
Rout,cl Rout (1 AI )
Iout AI
Iin 1 AI
二端口线性时不变系统的四种模型
a. Z模型 b. Y模型 c. H模型 d. G模型
反馈网络类型与二端口网络模型选取
二端口网络一般描述
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
第三章 单级放大器
• 共源级 • 共漏级 • 共栅级 • 共源共栅级
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
共源MOSFET
Vgs V1 Vin
Rout
Vout I out
Vout Vin
gmRout
gm (RD
|| ro )
gmRD (RD ro )
电流源负载的共源级
Rup ro2
Rdown ro1
Rup Rdown
Rout Rup || Rdown ro2 || ro1 Av0 g R m1 out
gm1 ro2 || ro1
Vout
R0
Iin 1 R0GmF
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
电流-电流反馈的特性
• 输入端并联，
– 输入电阻减小
O1 T11 X1 T12 X 2
O2 T21X1 T22 X 2
反馈网络类型
X1
X2
电压-电压反馈 电压（并联检测）电流
O2 电压（串联返回）
G模型
短路求T22
开路求T11 串联 -并联
电流 -电压反馈 电流（串联检测）电流
电压（串联返回）
Z模型
开路求T22
开路求T11 串联 -串联