CMOS模拟集成电路设总复习实用课件-.pptx

1、l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3.带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第1页/共56页P-SiP型型Si衬底衬底(Semiconductor)N+N+栅极栅极(Gate）金属金属(Metal)Al层层GDS氧化物氧化物(Oxide)SiO2层层器件结构器件结构MOS器件原理器件原理第2页/共56页P-SiGDSN+N+E反型层反型层MOSFET的工作原理的工作原理导通过程导通过程第3页/共56页P-S

2、iGDSN+N+E反型层反型层MOSFET的工作原理的工作原理导通过程导通过程第4页/共56页P-SiGDSN+N+MOSFET的工作原理的工作原理饱和过程饱和过程第5页/共56页MOSFET的工作原理的工作原理输入、输出特性曲线输入、输出特性曲线输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线第6页/共56页MOS管的大信号模型管的大信号模型MOS管的电流电压关系（以管的电流电压关系（以NMOS为例）：为例）：21)(20DSDSTGSOXDvvVvLWCi:0器件表面迁移率载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度（cm2/Vs）:OXC单

3、位面积栅氧化物电容（F/cm2）OXOXOXtC:LW器件的宽长比:K跨导参数0OXCK 第7页/共56页MOS管的大信号模型管的大信号模型饱和区电流（以饱和区电流（以NMOS为例）：为例）：2)(2TGSDVvLWKi线性区电流（以线性区电流（以NMOS为例）：为例）：DSDSTGSDvvVvLWKi)2()(PMOS的饱和区和线性区电流表达式？的饱和区和线性区电流表达式？第8页/共56页MOS管的小信号模型管的小信号模型小信号模型小信号模型DoIr1输出电阻输出电阻DmILWKg2跨导跨导omvrgA 增益增益第9页/共56页l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3.

4、带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第10页/共56页电流镜电流镜1.1.电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）2112LWLWiiIO2.2.从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系第11页/共56页电流镜 例.下图所示电路中，假设M1和M2的宽长比为40/1,M3和M4的宽长比为120/1,，I

5、REF=0.1mA,试确定VX的值和Vb的允许范围（忽略衬偏效应）。解：TREFGSXVLWKIVV11)/(2TREFREFVLWKILWKI12)/(2)/(24010110101.027.04010110101.026363V11.1V91.07.04010110101.0263M1饱和：TGSDSVVV11TGSGSbVVVV12TGSGSbVVVV21第12页/共56页例题M2饱和：TGSDSVVV22TGSGSbGSVVVVV221)(TGSbVVV1TTREFVVLWKI2)/(24.14010110101.0263V61.1VVVb61.111.1获得稳定的输出电流获得稳定的输

6、出电流要求所有管子饱和，要求所有管子饱和，则此时则此时第13页/共56页l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3.带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第14页/共56页带隙基准源l三极管的基极发射极电压三极管的基极发射极电压VBE是是负负温度系数。温度系数。l两个三极管工作在不同的电两个三极管工作在不同的电流密度下，其基极发射极电流密度下，其基极发射极电压的差值压的差值 是是正正温度系数。温度系数。BEVCm

7、VTVKBE/2.2300)(lnVlnT为两三极管电流比值nnnqkTVBE带隙基准源基本不受带隙基准源基本不受电源电源和和温度温度的影响的影响第15页/共56页带隙基准源电路结构)1)(ln(322outRRnVVVTBEIRVVBEBE321IRRVVBEout)(32233)ln(RnVRVITBE第16页/共56页带隙基准源例例.首先推导下图所示电路输出基准电压首先推导下图所示电路输出基准电压Vout的表达式，接下来确定的表达式，接下来确定n和和(W/L)5使得基准电使得基准电压在室温下具有零温度系数压在室温下具有零温度系数,已知已知M1M4的宽长比均相等，的宽长比均相等，R2/R1

8、=2，ID1=ID2=50uA，且，且Q3和和Q1相同。相同。解：假设解：假设(W/L)5=m(W/L)13EB12VImRVDout2EB111EBVIRVD)ln(1nRVIT3EB12)ln(VnVRmRVToutTVqknTVout3EB)ln(202.21067.8)ln(22nm7.12)ln(nm只要满足右式的所有只要满足右式的所有m，n均可均可第17页/共56页l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3.带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放

9、大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第18页/共56页反相器l高增益放大电路的结构高增益放大电路的结构差分输入级差分输入级共源共栅放大级共源共栅放大级输出级输出级反相器是所有放大器中最基本的电路反相器是所有放大器中最基本的电路1.1.有源负载反相器有源负载反相器2.2.电流源负载反相器电流源负载反相器3.3.CMOS反相器反相器第19页/共56页有源负载反相器l有源负载反相器有源负载反相器21mminoutVggvvA21211mdsmoutgggRLmoodBCgCR23123 dBf第20页/共56页电流源负载反相器l电流源负载反相器电流源负载反相器LdsdsoodBCggCR2

10、13123 dBf211dsdsminoutVgggvvA)(112112DdsdsoutIggR第21页/共56页CMOS反相器lCMOS反相器反相器121dsdsoutggR23 dBf2121)(dsdsmminoutVggggvvALdsdsoodBCggCR2131第22页/共56页CMOS反相器的频率响应反相器极点频率近似计算方法：反相器极点频率近似计算方法：OUTOUTCRp11.1.频率响应的极点约等于节点到地的电容和电阻乘积的倒数。频率响应的极点约等于节点到地的电容和电阻乘积的倒数。2.2.电路中的每一个节点对传输函数贡献一个极点。电路中的每一个节点对传输函数贡献一个极点。第

11、23页/共56页有源负载反相器的频率响应例例.假设下图所示电路中假设下图所示电路中M1的宽长比为的宽长比为2um/1um，M2的宽长比为的宽长比为1um/1um,Cgd1=0.5fF,Cbd1=10fF,Cbd2=10fF,Cgs2=2fF,CL=1pF,漏电流漏电流ID=100uA，求小信号增益和，求小信号增益和-3dB频率。频率。解：解：21mmVggA1.215021101221LWKLWKPNLDPOUTMmCILWKCCgp22)/(2)(-3dB角频率约等于主极点频率：角频率约等于主极点频率：)/(100101101001105021266sradM)(1623HzMfdB-3dB

12、频率频率第24页/共56页反相器例例.下图所示电路假设下图所示电路假设M1和和M2都工作在饱和区，求需要加多大的偏置电压都工作在饱和区，求需要加多大的偏置电压VGG可使流过可使流过M1和和M2的电流为的电流为100uA；此时输入电压；此时输入电压vin的直流值为多少；放大器的小信号电压增益为的直流值为多少；放大器的小信号电压增益为多少。多少。解：解：M2工作在饱和区工作在饱和区222)(2TNGGDVvi100)7.0(21102GGvVVGG05.2M1工作在饱和区工作在饱和区211|)|(2TPinDDDVvVi100)7.05(25502invVvin4.3增益：增益：211dsdsmV

13、gggA8.24第25页/共56页例例.假设下图所示电路中假设下图所示电路中M1的宽长比为的宽长比为1um/1um，M2的宽长比为的宽长比为2um/1um,Cgd1=0.5fF,Cgd2=0.5fF,Cbd1=10fF,Cbd2=10fF,CL=1pF,漏电流漏电流ID=300uA，电源电压，电源电压5V，求小信号增益和，求小信号增益和-3dB频率。频率。解：解：2121)(dsdsmmVggggADPDNDNDNIIILWKILWK)/(2)/(21111-3dB频率：频率：)/(27101)05.004.0(10300126sradM)(2.423HzMfdB-3dB角角频率：频率：6.1

14、81030005.01030004.01032105021031101102664646LDPDNOUTMdsdsCIICCggp)()()(21CMOS反相器的频率响应第26页/共56页l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3.带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第27页/共56页差分放大器)2()(2121vvAvvAVVCVDoutAVD：差模差模增益增益AVC：共模增益共模增益AVD/AVC：共模抑制

15、比共模抑制比VICMR：共模输入电压范围共模输入电压范围)(21vvAVVDout理想差放理想差放:21vvvID差模输入电压差模输入电压:221vvvIC共模输入电压共模输入电压差动工作方式优点：差动工作方式优点：抑制共模噪声抑制共模噪声增大了可得到的最大电压摆幅增大了可得到的最大电压摆幅偏置电路相对简单偏置电路相对简单线性对相对高线性对相对高第28页/共56页电流镜负载差分放大器大信号分析大信号分析输入共模范围输入共模范围ICMR求求ICMR方法：令方法：令vID=0,改变改变vIC直到有一个管子退出饱和区。直到有一个管子退出饱和区。satDSGSsatDSGSICVVVVV5152min

16、TNSGDDICVVVV3max最小输入共模电压：最小输入共模电压：最大输入共模电压：最大输入共模电压：第29页/共56页电流镜负载差分放大器差分放大器的增益差分放大器的增益11142422)(LIWKgggASSdsdsmdV差分放大器的输出电阻差分放大器的输出电阻421dsdsoutggr小信号分析小信号分析增益、输出电阻、增益、输出电阻、-3dB带宽带宽mdmmggg21LdsdsOOdBCggCR)(1423差分放大器的差分放大器的-3dB带宽带宽第30页/共56页电流镜负载差分放大器例例.设计电流镜负载差分放大器以满足以下指标：设计电流镜负载差分放大器以满足以下指标：（1）差模增益）

17、差模增益100V/V；（；（2）-1.5VICMR2V；（；（3）PdissVTP0,VTN1VTN0；第44页/共56页推挽形式的源极跟随器推挽形式的源极跟随器小信号分析小信号分析推挽形式的源极跟随器2121211dsdsmbsmbsmmOUTggggggr1.1.输出电阻输出电阻2.2.电压增益电压增益21212121dsdsmbsmbsmmmmVggggggggA3 3.-3dB带宽带宽OOdBCR13LLdsdsmbsmbsmmCGgggggg)(212121输出电阻和增益小，带宽大输出电阻和增益小，带宽大第45页/共56页l1.1.MOS器件原理器件原理l2.2.电流镜电流镜l3.3

18、.带隙基准带隙基准l4.4.反相器（三种类型）反相器（三种类型）l5.5.差分放大器差分放大器l6.6.共源共栅放大器共源共栅放大器l7.7.输出放大器输出放大器l8.8.运算放大器运算放大器知识点知识点第46页/共56页运算放大器的性能指标运算放大器的性能指标1.1.开环差模电压增益开环差模电压增益2.2.共模抑制比共模抑制比3.3.开环输入电阻开环输入电阻4.4.开环输出电阻开环输出电阻0 05.5.开环带宽开环带宽6.6.没有温漂没有温漂运算放大器运算放大器OP AMP(Operational AMPlifier)虚断路虚断路虚短路虚短路理想运算放大器的特点：理想运算放大器的特点：第47

19、页/共56页运算放大器的性能指标运算放大器的性能指标运算放大器的性能指标运算放大器的性能指标l增益增益(Av)l小信号带宽：小信号带宽：-3dB带宽；单位增益带宽。带宽；单位增益带宽。l输出摆幅输出摆幅(Output Swing)l输入共模范围输入共模范围(ICMR)l建立时间（建立时间（settling time）l共模抑制比共模抑制比(CMRR)l摆率摆率(SR)l相位裕度（相位裕度（Phase Margin）l电源抑制比电源抑制比(PSRR)l噪声和失调噪声和失调l版图面积版图面积第48页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例约束条件约束条件l 电源电压电源电压l 工艺工艺l 温度温

20、度l增益增益(Av)l小信号带宽（主要指小信号带宽（主要指GB）l相位裕度相位裕度l输出摆幅输出摆幅(Output Swing)l输入共模范围输入共模范围(ICMR)l转换速率转换速率(SR)l功耗功耗l负载电容负载电容设计指标设计指标第49页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例)()/(2)()/(2|676664222426112,1,ILWKIILWKIRgRgAAAPDNoutmoutmstvstvvl增益增益(Av)l单位增益带宽单位增益带宽cmCgGB/1l相位裕度相位裕度（大于（大于60）2610mmggLCCCC22.022.02如果采用调零补偿，需仔细如果采用调零补偿，

21、需仔细设计次极点和左半平面零点。设计次极点和左半平面零点。第50页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例l输入共模范围输入共模范围(ICMR)THNGSDDinCMVVVV3max,11515min,THNONONSSGSONSSinCMVVVVVVVVl转换速率转换速率(SR)cCISR/5l输出摆幅输出摆幅电流源负载反相器的输出摆幅较大，设电流源负载反相器的输出摆幅较大，设计时一般可不考虑。计时一般可不考虑。l功耗功耗totalSSDDdissIVVP)(第51页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例l例例.两级运算放大器结构如图所示，要求增益两级运算放大器结构如图所示，要求增益5

22、000V/V，单位增益带宽，单位增益带宽GB=5MHz，相位，相位裕度不小于裕度不小于60，SR=10V/uS，输入共模范围，输入共模范围-12V，输出摆幅，输出摆幅-22V，功耗小于，功耗小于2mW，试设计该放大器各管子的宽长比。已知试设计该放大器各管子的宽长比。已知VDD=-VSS=2.5V，所有管子沟道长度为，所有管子沟道长度为1um，负载，负载电容电容10pF。解：解：首先设计第一级首先设计第一级（1 1）相位裕度）相位裕度60要求要求pFCCCLC2.222.022.02取最小值取最小值pFCC3（2 2）SR=10V/uSuACSRIc305第52页/共56页两两级级运放设计实例运

23、放设计实例（3 3）ICMR要求：要求：VVVVVTNSGDDICMAX23VVSG2.1315)(3LW4)(LW（4 4）GB要求：要求：cmCgGB/1uSCGBgcm25.9410321051261注意注意379.2)(1LW2)(LW（5 5）ICMR要求：要求：VVVVVONGSSSICMIN151VVON35.055.449.4)(5LW第53页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例（6 6）PM=60要求要求uSggmm5.9421026至此放大器第一级的设计基本完成至此放大器第一级的设计基本完成由对称性由对称性 63SGSGVVuALWILWI1)/()/(6633uSL

24、WKIP5.942)/(266uAILW95,95)/(66注意到注意到M5和和M7的宽长比之比的宽长比之比为尾电流和为尾电流和M7漏电流之比：漏电流之比：17.3)/()/(657SSIILWLW1425.14)/(7LW放大器第二级设计基本完成放大器第二级设计基本完成第54页/共56页两两级级运放设计实例运放设计实例（8）验证输出摆幅，增益和功耗：）验证输出摆幅，增益和功耗：7700|2611outmoutmvRgRgA满足设计要求满足设计要求mWIVPtotalDDdiss625.0VVVVVVVVSDDDOMAXDSSSOMIN3.2,15.267注意实际的运放设计是非常注意实际的运放设计是非常灵活的，这里只给出了参考灵活的，这里只给出了参考方法，当验证时遇到不满足方法，当验证时遇到不满足设计指标的情况，要学会调设计指标的情况，要学会调整设计参数。整设计参数。第55页/共56页感谢您的欣赏！第56页/共56页