模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)PPT课件
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CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器
• 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，可得，输出电压为-IoutRout， 定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。 诺顿定理：线性有源单口网络等效 电流源的恒流源等于有源单口网络 的短路电流，内阻等于网络中所有 独立源不激励时的端口电阻。
33
2019/2/9
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
二极管 负载
忽略λ
g m RD 1 g m Rs
忽略λ
{[1 ( g m g mb ) Rs ]rO Rs } || RD
AV 2 I D (1 1 ) I D ID
12 2019/2/9
共源级放大器
• 1.4 带源级负反馈的共源级放大器
– 小信号直接分析方法
Vin V1 gmV1 Rs Vout / RD gmV1 0 Vout gm RD RD Av Vin 1 gm RS 1 / gm RS
1 g mb
带源级 负反馈
－
小
好
差
忽略λγ
gm 1 g m g mb
共漏极
（电流源负载）
gm
忽略λ
忽略λ
{[1 ( g m g mb )rO ]Rs rO } || RD
模拟CMOS集成电路设计单级放大器PPT课件
Av0
Gm Rout
gm 1 gm RS
RD
RD RS
(gmRS 1)
Amplifiers Ch.3 # 25
第25页/共55页
带源极负反馈的共源级（3）
Rup Rdown
Gm
gm 1 gmRS
Rup RD
Rdown gm1ro1RS
Rout Rup || Rdown RD (Rdown Rup )
第3页/共55页
放大器的性能指标
• 增益 • 速度（带宽、转换速率） • 功耗 • 电源电压、电源电压抑制比 • 线性度 • 噪声 • 输入摆幅、输出摆幅 • 输入/输出阻抗
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 4
第4页/共55页
模电设计中的八边形法则
北大微电子：模拟集成电路原理
信号放大
• 为什么信号需要放大？ • 信号太弱，不能驱动负载：阻抗匹配 • 降低后续噪声影响 • 用于反馈电路
• 放大前后信号可同量纲，也可不同量纲
• 同量纲时放大倍数可大于1，也可小于1
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 1
第1页/共55页
放大器的种类
电流放大器
V-V
Rup
1 gm2
Rdown ro1
Rout
Rup
||
Rdown
1 gm2
|| ro1
ro1 1 gm2ro1
1 gm2
(
1 gm2
ro1 )
Av0
Vout Vin
g R m1 out
gm1 gm2
Amplifiers Ch.3 # 16
第16页/共55页
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
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
拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)
L 0
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 13
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
1 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
W ox L
取最大值，且大小为： nCox W ID (VGS VTH )2 2 L
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
重邮光电工程学院
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光1
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
1 2 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS ] 2 V' DS VGS VTH (Pinch off )
W ox L
ID
nCox W
2 L
(VGS VTH )2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 16
重邮光电工程学院
饱和区MOSFET的I/V特性
Active Region
重邮光电工程学院cmos西安交通大学出版社2003重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1自然界信号的处理adca自然界信号的数字化b增加放大器和滤波器以提高灵敏度重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽10110100组合二进制数据dac传送端多电平信号adc接收端确定所传送电平重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1无线接受机无线接收天线接收到的信号幅度只有几微伏和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声工作在高频并能抑制大的有害成分重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch110模拟设计困难的原因是什么1
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 13
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
1 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
W ox L
取最大值，且大小为： nCox W ID (VGS VTH )2 2 L
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
重邮光电工程学院
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光1
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
1 2 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS ] 2 V' DS VGS VTH (Pinch off )
W ox L
ID
nCox W
2 L
(VGS VTH )2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 16
重邮光电工程学院
饱和区MOSFET的I/V特性
Active Region
重邮光电工程学院cmos西安交通大学出版社2003重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1自然界信号的处理adca自然界信号的数字化b增加放大器和滤波器以提高灵敏度重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽10110100组合二进制数据dac传送端多电平信号adc接收端确定所传送电平重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1无线接受机无线接收天线接收到的信号幅度只有几微伏和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声工作在高频并能抑制大的有害成分重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch110模拟设计困难的原因是什么1
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
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
• 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
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s
ID
Gm＝ |Vout 0
Vin
g
r
g
r
1
I
m
CMOS模拟集成电路设计ch绪论实用PPT课件
• 模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和7直觉 第7页/共16页
模 拟 集 成 电 路 的 设 计 开 发 流 程
8
第8页/共16页
电路 设计
版图 设计
封装 测试
电路设计
9
第9页/共16页
版图设计
10
第10页/共16页
Why CMOS？
与双极工艺(BJT)相比 • 优点
• 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于按比例缩小，易于实现数模混合电 路（是SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直 流偏量，双极只依赖于直流偏量）
15
第15页/共16页
感谢您的欣赏！
16
第16页/共16页
— 模拟电路的重要性和应用领域
自然界信号 （模拟量）
信号太小 时需要先 放大
4
滤除信号频带外的干扰
第4页/共16页
高速度、 高精度、 低功耗的 模数转换器
模拟集成电路的应用
5
第5页/共16页
结论
• 模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分 • 数字电路无法完全取代模拟电路 • 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师
6
第6页/共16页
模拟电路设计的难点
• 设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源 电压等；数字电路主要是速度、功耗
• 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很 高；数字电路在这方面要求低很多
• 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化 的敏感度比数字电路高很多
• 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设 计自动化程度高
• 缺点 • 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）
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模 拟 集 成 电 路 的 设 计 开 发 流 程
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第8页/共16页
电路 设计
版图 设计
封装 测试
电路设计
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第9页/共16页
版图设计
10
第10页/共16页
Why CMOS？
与双极工艺(BJT)相比 • 优点
• 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于按比例缩小，易于实现数模混合电 路（是SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直 流偏量，双极只依赖于直流偏量）
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第15页/共16页
感谢您的欣赏！
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第16页/共16页
— 模拟电路的重要性和应用领域
自然界信号 （模拟量）
信号太小 时需要先 放大
4
滤除信号频带外的干扰
第4页/共16页
高速度、 高精度、 低功耗的 模数转换器
模拟集成电路的应用
5
第5页/共16页
结论
• 模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分 • 数字电路无法完全取代模拟电路 • 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师
6
第6页/共16页
模拟电路设计的难点
• 设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源 电压等；数字电路主要是速度、功耗
• 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很 高；数字电路在这方面要求低很多
• 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化 的敏感度比数字电路高很多
• 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设 计自动化程度高
• 缺点 • 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）
11
拉扎维模拟CMOS集成电路设计 前十章全部课件
重邮光电工程学院
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！ *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
重邮光电工程学院
MOS器件符号
MOS管等效于一个开关!
重邮光电工程学院
MOS器件的阈值电压VTN（P）
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
)v(x) 1 2
1 VDS2 2
v(x)
]
2
)]vDS 0
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 VDS2 ] 2
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID nCox W (VGS VTH )2
。
t ≈ 50A, C
ox
ox
t ≈ 0.02 m, C
ox ox
6.9 fF/ m 2 1.75fF/ m 2
t ≈ 0.1 m, C 0.35fF/ m 2
ox
ox
重邮光电工程学院
MOS器件电容
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 45
重邮光电工程学院
减小MOS器件电容的版图结构
对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw 对于图b: CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw CSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw= = WECj +2(W+2E)Cjsw
CMOS模拟集成电路设计拉扎维课件
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
CMOS模拟集成电路设计 拉扎维课件
种类
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅 效应”
其中，γ为体效应系数
HIT Microelectronics
VTH 0
VTH
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
15
2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L’是VDS的函数。
定义L’=L-ΔL， ΔL/L=λVDS
λ为沟道长度调制系数。
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
16
2.3.3亚阈值导电性
当VGS≈VTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅 效应”
其中，γ为体效应系数
HIT Microelectronics
VTH 0
VTH
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
15
2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L’是VDS的函数。
定义L’=L-ΔL， ΔL/L=λVDS
λ为沟道长度调制系数。
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
16
2.3.3亚阈值导电性
当VGS≈VTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
模拟CMOS集成电路设计 拉扎维 ——复旦大学课件
参杂半导体
• 掺入三家获五价原子，提供一个载流子。
• N型：掺入五价元素，如磷（P)、砷（As），
提供一个电子，电子导电。
若：ND 是参杂浓度，D代表施主浓度 多子（电子）浓度： nn = ND
少子（空穴）浓度：
Pn
=
n
2 i
/
ND
• P型：掺入三价元素，如硼（B)，
提供一个空穴，空穴导电。
若：NA 是参杂浓度，A代表施主浓度 多子（空穴）浓度： Pp = NA
参数化模块/单元 layout
宏模型 Matlab…
器件
器件特性
版图描述 design rule
器件模型 spice model
模拟集成电路的应用
• 模拟电路本质上是不可替代的
– 自然界是“模拟”的
• 集成传感器、显示驱动 • 模数和数模转换
– 数字信号经过传输后à模拟信号
• 无线和有线通讯 • 磁盘驱动
单极点低通Gm-C滤波器
Gm由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源 电压变化的影响
磁盘驱动器中的模块电路（2)
• 模数转换器(ADC)
– 6位ADC， – 由VCO提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控
制。 – 偏移控制：采集63个比较器的失调电压，反馈到输入
端，抵消由此引起的失真。
• 数字信号处理
dQn dVR
=
ε 0ε si 2 ΦB
qN D + VR
1
2
=
Cj0
1
1
+
VR ΦB
2
C j0
=
ε
0ε si qN 2Φ B
D
2
= ε0εsi xn
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20
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
无体效应时的阻抗
I X = VX / rO + g mV1
二极管阻抗 = (1 / g m ) rO 1 / g m
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
21
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
有体效应时的阻抗
(gm + gmb)V x + Vx = Ix ro
gm2 1 +
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
23
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益的特点
Av = m1 1 = gm1 1
gm2 +mb2 gm2 1+
=
gm =
2 n C ox
W L
ID
Av = (W / L)1 1
(W / L)2 1 +
忽略η随Vout的变化时，增益只于W/L有 关，与偏置电流、电压无关，线性度很好
8
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
9
共源时
转换点Vin1
线性区时
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
10
共源级—电阻做负载
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
14
共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
15
共源级—电流源做负载
能获得较大的增益
Av = g m ( ro || RD)
Av = g m ro
本征增益
本征增益为多大？
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
16
共源级—电流源做负载
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
5
信号放大
基本功能 为什么信号需要放大？
信号太小，不能驱动负载 降低后续噪声影响 用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入 /输出电阻、提高增益精度等
单级放大器
学习其分析方法 理解复杂电路的基础
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
6
放大器基础知识
输入输出关系
在一定信号范围内可用非线性函 数表示
在取值范围足够小时
a0是直流偏置点，a1是小信号增 益
当x(t)变化幅度过大时会影响偏置 点，需用大信号分析；会影响线 性度
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7
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
Av的最大化
Av = m RD
Av =
2 n CoxWL
VRD ID
gm
=
n Cox
W L
(V GS
V TH )
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
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13
共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
I D = 1/ rO
Vx = 1 || ro 1
Ix gm + gmb
gm + gmb
二极管阻抗比无体效应时小
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22
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益
1
Av = g m ( ro || RD) RD gm + gmb
忽略rO的影响
Av =
gm1
1
=
gm2 + gmb2
gm1 1
2qsiNsub
g mb = g m
Cox
2 2 F + V SB
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
= gm
24
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号特性
1
W n COX ( )1 (Vin
VTH 1 ) 2
2
L
=
1
W n COX (
) 2 (VDD
Vout
2
L
VTH 2 ) 2
W
W
( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 )
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm = ID
gm =
2
CW
n ox L
ID
VGS VDS cons tan t
=
nCox
W L
(VGS
VTH ), 饱和区时
= 2ID VGS V TH
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4
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
18
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
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19
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
二极管接法的MOS管
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
做为小信号 电阻来用
L
L
若VTH2随
Vout变化很 小，则有很
好线性度
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进入线性区 的转换点 25
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号分析 线性区时
深线性区时
Vout << 2(Vin VTH )
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11
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
共源级—电阻做负载
本征增益
Av =
g m ro
gm
= 2ID , VGS VTH
rO
1 =
ID
Av =
2
= 2VA
(VGS VTH ) VOV
VOV一般不能随工艺下降，要保证强 反型（100mV以上），一般取200mV
本征增益约50~110
0.4μm工艺时最小L的NMOS管
L增大时可以更大
VA,NMOS=11V， VA,PMOS=5.5V
1/gm<<rO成立
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17
共源级—电阻做负载
实际应用情况
在CMOS工艺下，精确阻值的 电阻难加工 阻值小时增益小，阻值大时， 电阻的尺寸太大，还会降低输 出摆幅
一般用MOS管代替电阻做负载
二极管接法的MOS管、电流源、线性区MOS管
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模拟集成电路原理
第3章 单级放大器
1
上一讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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2
MOS饱和区时的小信号模型
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共源级—二极管接法的MOS 管做负载
无体效应时的阻抗
I X = VX / rO + g mV1
二极管阻抗 = (1 / g m ) rO 1 / g m
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21
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
有体效应时的阻抗
(gm + gmb)V x + Vx = Ix ro
gm2 1 +
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23
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益的特点
Av = m1 1 = gm1 1
gm2 +mb2 gm2 1+
=
gm =
2 n C ox
W L
ID
Av = (W / L)1 1
(W / L)2 1 +
忽略η随Vout的变化时，增益只于W/L有 关，与偏置电流、电压无关，线性度很好
8
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
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9
共源时
转换点Vin1
线性区时
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10
共源级—电阻做负载
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14
共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
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15
共源级—电流源做负载
能获得较大的增益
Av = g m ( ro || RD)
Av = g m ro
本征增益
本征增益为多大？
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16
共源级—电流源做负载
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
5
信号放大
基本功能 为什么信号需要放大？
信号太小，不能驱动负载 降低后续噪声影响 用于反馈电路中，改善线性度、带宽、输入 /输出电阻、提高增益精度等
单级放大器
学习其分析方法 理解复杂电路的基础
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
6
放大器基础知识
输入输出关系
在一定信号范围内可用非线性函 数表示
在取值范围足够小时
a0是直流偏置点，a1是小信号增 益
当x(t)变化幅度过大时会影响偏置 点，需用大信号分析；会影响线 性度
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7
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
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Av的最大化
Av = m RD
Av =
2 n CoxWL
VRD ID
gm
=
n Cox
W L
(V GS
V TH )
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
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13
共源级—电阻做负载
考虑沟长调制效应
I D = 1/ rO
Vx = 1 || ro 1
Ix gm + gmb
gm + gmb
二极管阻抗比无体效应时小
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22
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
增益
1
Av = g m ( ro || RD) RD gm + gmb
忽略rO的影响
Av =
gm1
1
=
gm2 + gmb2
gm1 1
2qsiNsub
g mb = g m
Cox
2 2 F + V SB
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= gm
24
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号特性
1
W n COX ( )1 (Vin
VTH 1 ) 2
2
L
=
1
W n COX (
) 2 (VDD
Vout
2
L
VTH 2 ) 2
W
W
( )1 (Vin VTH 1 ) = ( ) 2 (VDD Vout VTH 2 )
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm = ID
gm =
2
CW
n ox L
ID
VGS VDS cons tan t
=
nCox
W L
(VGS
VTH ), 饱和区时
= 2ID VGS V TH
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4
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
18
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
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共源级—二极管接法的MOS 管做负载
二极管接法的MOS管
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做为小信号 电阻来用
L
L
若VTH2随
Vout变化很 小，则有很
好线性度
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进入线性区 的转换点 25
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
大信号分析 线性区时
深线性区时
Vout << 2(Vin VTH )
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11
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
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12
共源级—电阻做负载
本征增益
Av =
g m ro
gm
= 2ID , VGS VTH
rO
1 =
ID
Av =
2
= 2VA
(VGS VTH ) VOV
VOV一般不能随工艺下降，要保证强 反型（100mV以上），一般取200mV
本征增益约50~110
0.4μm工艺时最小L的NMOS管
L增大时可以更大
VA,NMOS=11V， VA,PMOS=5.5V
1/gm<<rO成立
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17
共源级—电阻做负载
实际应用情况
在CMOS工艺下，精确阻值的 电阻难加工 阻值小时增益小，阻值大时， 电阻的尺寸太大，还会降低输 出摆幅
一般用MOS管代替电阻做负载
二极管接法的MOS管、电流源、线性区MOS管
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模拟集成电路原理
第3章 单级放大器
1
上一讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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2
MOS饱和区时的小信号模型
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