第12章模拟集成电路基础(半导体集成电路共14章)讲解课件.ppt

1、2022-12-242022-12-242022-12-24 自然界信号的处理自然界信号的处理大自然大自然计算机世界计算机世界ADC010111101CPUDSPADC010111101滤波器滤波器2022-12-24 数字通信数字通信有损耗电缆有损耗电缆VinVoutt2022-12-24内容提要内容提要vMOSFET的小信号模型的小信号模型v模拟电路中的基本单元模拟电路中的基本单元 单极放大器单极放大器 差分对放大器差分对放大器 电流源电流源v运算放大器运算放大器2022-12-241.不考虑沟道长度调制效应和体效应不考虑沟道长度调制效应和体效应一、一、MOSFET的小信号模型（饱和区）的

2、小信号模型（饱和区）VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VG21()2DSoxGSTHWICVVLMOS管的大信号特性管的大信号特性MOS管的小信号模型（饱和区）管的小信号模型（饱和区）2022-12-242.考虑沟道长度调制效应考虑沟道长度调制效应)1()(2DSTHGSnDSVVVKIMOS管的小信号模型（饱和区）管的小信号模型（饱和区）DTHGSoxnDSDDDSoIVVLWCVIIVr1)(21/122022-12-243.考虑衬底偏置效应考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模型（饱和区）管的小信号模型（饱和区）VTH VTH02F VSB2F,2qsiNsubCox BSTHTHGSox

3、nBSDmbVVVVLWCVIg)(mSBFmmbgVgg222022-12-242022-12-24MOS 反相器反相器单级放大器单级放大器VinVoutVINVOUTOUTOINVAV输入阻抗、输出阻抗、增益输入阻抗、输出阻抗、增益在放大电路中，一般将在放大电路中，一般将MOS管控制在饱和区管控制在饱和区2022-12-241.截止区饱和区线性区(a)电阻负载电阻负载大信号分析大信号分析2022-12-24共源极放大器（小信号分析）共源极放大器（小信号分析）)/()/(11DomDominoutvRrgvRrvgvvaRiRo=RD|ro2022-12-24结论结论电阻作为负载元件的缺点：

4、电阻作为负载元件的缺点：高增益要求大阻值高增益要求大阻值电阻值存在很大偏差，不易控制电阻值存在很大偏差，不易控制有源负载放大器有源负载放大器使用有源器件（使用有源器件（MOS或二极管）作负载元件或二极管）作负载元件二极管型负载元件二极管型负载元件电流源型负载元件电流源型负载元件2022-12-24(gm gmb)VxVxro IxVxIx1gm gmb|ro1gm gmb二极管负载二极管负载（Vbs=V1=-Vx）等效电阻等效电阻:栅漏相接，工作在饱和区栅漏相接，工作在饱和区(相当于忽略沟道长度调制效应）相当于忽略沟道长度调制效应）2022-12-24(b)二极管负载共源放大器二极管负载共源放

5、大器大信号特性大信号特性2022-12-24122|1ombmorggR22112211)|1(mbmmombmmvgggrggga输出电压摆幅：输出电压摆幅：Vout（min）=Vin-VT1=VovVout（max）=VDD-VT2过驱动电压过驱动电压放大倍数存在非线性放大倍数存在非线性根据电流相等导出根据电流相等导出2022-12-24改进：消除改进：消除M2衬底调制效应衬底调制效应措施措施v 二极管连接的二极管连接的PMOS作负载作负载v特殊工艺：将特殊工艺：将M2（NMOS）放在单独的阱中）放在单独的阱中Av un(W/L)1up(W/L)2输入输出高输入输出高线性度线性度高增益要求

6、高增益要求“强强”的输入器件和的输入器件和“弱弱”的负载器件，电压摆的负载器件，电压摆幅小幅小2022-12-24Av gmro1|ro2（高增益）（高增益）o2o1orrr|(c)电流源负载共源放大器电流源负载共源放大器共源放大器特点：共源放大器特点：1.输入阻抗高，输入与输出反相输入阻抗高，输入与输出反相 2.有源负载可以获得高增益有源负载可以获得高增益2022-12-242.Vb2022-12-24outDooutininmbinmVRrVVVgVg)()|)()|)(1DombmDormbminoutvRrggRrggVVAo（V1=Vbs=-Vin)mbminggR1|1(忽略沟道长

7、度调制效应）特点：输入阻抗低，输出阻抗高，可作电流源特点：输入阻抗低，输出阻抗高，可作电流源 输入与输出同相，高频特性好，无电容输入与输出同相，高频特性好，无电容Miller效应效应2022-12-243.2022-12-24作为作业给出求作为作业给出求:RO、av值的过程值的过程高输入阻抗、低输出阻抗高输入阻抗、低输出阻抗增益接近于增益接近于1，可作缓冲器，可作缓冲器可作为电平级移电路和阻抗变换器可作为电平级移电路和阻抗变换器2022-12-244.2022-12-24特点：特点：M2屏蔽屏蔽M1，可以削弱放大管，可以削弱放大管M1的栅漏电容的影响，有利的栅漏电容的影响，有利于展宽频带；输出

8、电阻变大，但电压摆幅减小。于展宽频带；输出电阻变大，但电压摆幅减小。放大倍数与共源极相近放大倍数与共源极相近2022-12-24三、差分对放大器三、差分对放大器2022-12-24三、差分对放大器三、差分对放大器为什么使用差分对为什么使用差分对?2022-12-24为什么使用差分对为什么使用差分对?三、差分对放大器三、差分对放大器消除电源干扰消除电源干扰2022-12-24消除时钟干扰消除时钟干扰2022-12-24消除时钟干扰消除时钟干扰2022-12-24消除时钟干扰消除时钟干扰信号以差分的方式传输信号以差分的方式传输时钟以差分的方式传输时钟以差分的方式传输2022-12-241.基本差分

9、对基本差分对2022-12-24电流源驱动的基本差分对电流源驱动的基本差分对尾电流源尾电流源差分对的输入输出特性差分对的输入输出特性VDD-RDISS思考：管子的宽长比思考：管子的宽长比及尾电流的大小如何及尾电流的大小如何影响差分对的输入输影响差分对的输入输出特性曲线？出特性曲线？2022-12-24尾电流源差分对的两个重要特性尾电流源差分对的两个重要特性v 输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，与输入共模电平无关与输入共模电平无关v小信号增益当小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大，且随着时达到最大，且随着|Vin1-Vin2|的增大而减小的增大而

10、减小 VDD VDD-RDISS2022-12-24常用差分对的输入输出特性常用差分对的输入输出特性2022-12-24差分对增益差分对增益Av(diff)Vout1 Vout2Vin1 Vin2 gmRDAv(S.E.)gm2RD半边等效电路增益：同共源极电路半边等效电路增益：同共源极电路DminoutinoutvRgVVVVA21121（忽略沟道长度调制效应）（忽略沟道长度调制效应）VDD-RDISS2022-12-24四、恒流源电路四、恒流源电路用途：偏置电路有源负载基本形式：镜像电流源（电流镜）电流源的关键指标：输出电阻、电容等稳定性：对电源、工艺、温度的依赖性2022-12-24电流

11、源2122)(2THDDoxnOUTVVRRRLWCuI212DSGSTHDDTHVVVRVVRR电流电流IOUT严重依赖电源严重依赖电源，温度和工艺！，温度和工艺！2022-12-24镜像电流源（电流镜）假设已经存在一个精确的电流源假设已经存在一个精确的电流源IREF2022-12-24VGS1f1（IREF）如果忽略沟道长度调制效应如果忽略沟道长度调制效应镜像电流源（电流镜）cont.2112DnoxGSTHDSWIC()(VV)(V)L21112222112112REFnoxGSTHDSOUTnoxGSTHDSWIC()(VV)(V)LWIC()(VV)(V)L12GSGSVV21out

12、REF(W/L)II(W/L)2022-12-24例题例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和如果图中的所有晶体管都工作在饱和区区.求求M4的漏电流的漏电流.解解:21outREF(W/L)II(W/L)根据公式根据公式有有:221DREFREF(W/L)II(W/L)I 同时同时,|ID3|=|ID2|44333DDDREF(W/L)II(W/L)II 12)/()/(LWLW34)/()/(LWLW2022-12-24对基本电流镜的仿真（W1.2U）2022-12-24对基本电流镜的仿真（W50U）2022-12-24考虑到沟道调制效应21112222112112REFnoxGSTHDSO

13、UTnoxGSTHDSWIC()(VV)(V)LWIC()(VV)(V)L221111DSoutREFDS(W/L)(V)II(W/L)(V)VDS1=VGS1=VGS2VDS1 VDS22022-12-24镜像电流源（电流镜）cont.-共源共栅电流镜共源共栅电流镜选择选择Vb,使得使得VYVX，即即Vb-VGS3 VXVb=VGS3+VX若若(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1则则VGS0VGS3，VYVXVGS0+VX=VGS3+VYIOUT=IREF2022-12-2401010101PYNYTHPNTHNGSDSGSGSPGSGSTHGSTHGSTHTHVVVVVV

14、VVVVVVVVVVV(VV)(VV)V损失了电压损失了电压余度余度2022-12-24镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源共栅电流镜改进的共源共栅电流镜M2饱和的条件饱和的条件:Vb-VTH2=VX(=VGS1)M1饱和的条件饱和的条件:VGS1-VTH1=VA(=Vb-VGS2)21112)(THGSbTHGSGSVVVVVV12221112)(THTHGSTHGSTHGSGSVVVVVVVV即2022-12-24镜像电流源（电流镜）cont.改进的共源共栅电流镜改进的共源共栅电流镜VGS2=VGS4如果如果:Vb=VGS2+(VGS1-VTH1)=VGS4+（VGS3-VTH3),则

15、当则当M1和和M3保持相等的漏源保持相等的漏源电压时电压时,共源共栅电流镜共源共栅电流镜M3-M4消耗消耗的电的电压余度最小压余度最小(两个管子的过驱动电压之和两个管子的过驱动电压之和).).我们称之为我们称之为“低压共源共栅结构低压共源共栅结构”。2022-12-241211)/()/(/1LWLWgRVImDDOUT理想电流源Iout对电源对电源VDD很敏感！很敏感！精确电流源（电流基准）的产生电阻2022-12-24精确电流源（电流基准）的产生精确电流源（电流基准）的产生cont.与电源无关的偏置与电源无关的偏置简单电路IoutKIREF电流值可以是任意值！电流值可以是任意值！2022-

16、12-24为确定电流增加电阻RS（M2存在体效应）消除体效应的替代电路SDGSGSRIVV221SOUTTHNOXnOUTTHNOXnOUTRIVLWKCIVLWCI21)/(2)/(2IOUT与与VDD无关无关222111OUTnOXNSI()C(W/L)RK 2022-12-24PTAT：proportional to absolute temperature原理：原理：VoutIPTATR2+VBE IPTAT与温度成正比与温度成正比,VBE与温度成反比（负温度系数）与温度成反比（负温度系数）两者抵消，两者抵消，Vout与温度无关与温度无关 书上书上P248原理与此类似原理与此类似基准电压源电路（与温度无关）2022-12-24运算放大器M1管上的栅压有一个微小管上的栅压有一个微小的增加的增加,使得使得ID1增加增加,ID2减减小小,ID3、ID4增加。增加。输出电压的放大由输出电压的放大由ID2的减小及的减小及ID4的放大决定的放大决定2022-12-24两级运算放大器两级运算放大器2022-12-24作业1.求共漏极电路的Ri、RO、av值值2.要使要使Iout=8IREF，设计图中晶体管的，设计图中晶体管的尺寸。已知尺寸。已知(W/L)1=1um/0.5um，（，（W/L)2=2um/0.5um。