1、模拟CMOS集成电路设计：时 间：2009年12月10日韩 可电子工程学院Email: Tel : 62283724 电子工程学院电阻负载电阻负载CS放大器放大器D DD DL LW Wo ox xn nD Dm mv vR RI IC C2 2R Rg gA AD DR RD DL LW Wo ox xn nv vI IV VC C2 2A A 电子工程学院MOS二极管连接负载的共源极二极管连接负载的共源极NMOS负载时，负载时，0，0PMOS负载时，负载时， 0，=0Rin=1/(gm2+gmb2)/r02Rin=(1/gm2)/r021 11 1(W/L)(W/L)(W/L)(W/L)A
2、 A2 21 1v v n n1 1v vp p2 2(W/L)(W/L)A A(W/L)(W/L) 电子工程学院采用电流源负载共源级的采用电流源负载共源级的AVD D1 11 1D Do ox xn no o1 1m mI I1 1L LW WI IC C2 2r rg g( 1/L)D DI IL LW W o o2 2o o1 1m mv vr r| | |r rg gA A静态工作点是否可静态工作点是否可“目测目测”的问题的问题工作在线性区的工作在线性区的MOS负载的共源级负载的共源级O ON N2 2m mv vR Rg gA A| |) )V V| |V V( (V VC C1 1
3、R RT TH HP Pb bD DD DL LW Wo ox xn nO ON N2 22 2| |) )V V| |V V( (V VC Cg gA AT TH HP Pb bD DD DL LW Wo ox xn nm m2 2v 电子工程学院带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级(=0，=0)S Sm mD DS Sm mD Dm mv vR R1 1/ /g gR R R Rg g1 1R Rg gA A从源级看进去的阻抗从源级看进去的阻抗源级反馈电阻源级反馈电阻负载电阻负载电阻目的：软化目的：软化I/V曲线曲线带负反馈的共源级带负反馈的共源级(0，0)o oS Smbmbm mS
4、 So om mm mrr)R)Rg g(g(g11R Rr rg gG G) )|R|R(R(RG GA AOUTOUTD Dm mv vo oS So ombmbm mOUTOUTr rRR)r)rg g(g(g11R R： 电子工程学院源极跟随器（电压缓冲器）源极跟随器（电压缓冲器）S Sm mS SS Sm mm mb bm mm mS SS Sm mb bm mS Sm mv vR R1 1/ /g gR R) )R Rg gg gg g( (1 1/ /g gR R) )R Rg g( (g g1 1R Rg gA A 电子工程学院共栅放大器共栅放大器D Dm mD Dm mb b
5、m mv v) )R R( (1 1g g) )R Rg g( (g gA AD Do oS So om mb bm mo ou ut t| | |R R r r R R) )r rg g( (g g 1 1R R直接耦合的共栅级直接耦合的共栅级电容耦合的共栅级电容耦合的共栅级输入输入输出特性输出特性1mb2mbgg重要结论和公式重要结论和公式n直流：l共源：反相l源极跟随：同相l共栅：同相n交流：l共源：高增益l源极跟随：小于1l共栅：高增益增益等效跨导 输出电阻第第3章单级放大器章单级放大器 3.1 基本概念 3.2 共源级 3.3 源跟随器 3.4 共栅极 3.5 共源共栅极共源共栅级共
6、源共栅级共源级和共栅极的级联称为共源共源级和共栅极的级联称为共源共栅结构。共栅结构。M1：输入器件，在漏极产生电：输入器件，在漏极产生电流。流。M2: 共源共栅器件共源共栅器件M1工作在饱和区：工作在饱和区：M2也工作饱和区：也工作饱和区：Vx1THinXVVV21212THTHinGSoutTHinGSbXVVVVVVVVVV2THboutVVV保证两保证两MOS管工作在饱和区的最小输入电平等于两个管的过驱动电压之和管工作在饱和区的最小输入电平等于两个管的过驱动电压之和 电子工程学院共源共栅放大器的偏值条件共源共栅放大器的偏值条件M1 饱和时饱和时: VX Vin VTH1， 即即：Vb V
7、in VTH1 + VGS2 或：或： Vb Von1 + VGS2 M2 饱和时饱和时: Vout Vb VTH2， 即即: Vout Von1 + VGS2 VTH2 或或： Vout Von1 + Von2共栅管共栅管M2的增加虽然提高了从的增加虽然提高了从M2漏端看进去的阻漏端看进去的阻抗、改善了放大器的频率特性，但输出电压摆幅减抗、改善了放大器的频率特性，但输出电压摆幅减小了一个大小等于小了一个大小等于M2的过驱动电压。这是靠牺牲的过驱动电压。这是靠牺牲摆幅来获取带宽和增益的提高。摆幅来获取带宽和增益的提高。保证两保证两MOS管工作在饱和区的最小输入电平等于两个管的过驱动电压之和管工
8、作在饱和区的最小输入电平等于两个管的过驱动电压之和14直流特性直流特性nVout和Vint经历的区域nVout和Vint的斜率差别电流VINTVOUTM1管M2管VIN=00VB-VTH2VDD截止截止VIN较小小电流电压下降电压下降饱和饱和VIN较大大电流继续下降继续下降线性或者饱和线性或者饱和VIN很大达到最大变化很小变化很小线性线性 电子工程学院共源共栅（共源共栅（ Cascade ）放大器放大器输入输入输出特性输出特性为什么为什么VXmax=Vb-VT2？Vin时，时，M1、M2谁先进入线性区？谁先进谁先进入线性区？谁先进入线性区对恒流特性和输出摆幅有何关系入线性区对恒流特性和输出摆幅
9、有何关系? 当当 VX Vin VTH1 时时 M1 进入线性区进入线性区 当当Vout Vb VTH2时时M2进入线性区进入线性区 容易分析，容易分析， Vb 较小时，较小时， M1比比M2先进入线性区先进入线性区 电子工程学院M1、M2不同偏值时不同偏值时Pspice仿真结果仿真结果12V3.8V1.8V12V1.5V1.8VM2M1M2M1M1最后进入线性最后进入线性M2最先进入线性最先进入线性,该该点电压即是点电压即是V0minM1一开始就工作在线性区一开始就工作在线性区注意比较单注意比较单MOS管与共源共栅结构曲线的斜率管与共源共栅结构曲线的斜率VAIDIDVAVAVA 电子工程学院
10、 Ch. 3 # 17M1、M2同时进入线性时同时进入线性时Pspice仿真结果仿真结果12V2V1.8VM1、M2同时进入线同时进入线性性,该点电压即是该点电压即是V0minM1M2M1一开始就工作在线性区一开始就工作在线性区斜率有明显差别斜率有明显差别!最理想的情况是最理想的情况是M1、M2同时进同时进入线性，这样可以获得最大摆幅入线性，这样可以获得最大摆幅M1最后进入线性最后进入线性M2最先进入线性该最先进入线性该点电压即是点电压即是V0minVAIDVAVAVAIDID 电子工程学院 Ch. 3 # 18共源共栅放大器的小信号等效电路共源共栅放大器的小信号等效电路1= 0， 2 = 0
11、，20D Dm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1D Do o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2| | |R R) ) g g( (g gr r r r | | |R R r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Ro ou ut t | | |R R) ) g g( (g gr r r rg gA AD Dm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V 电子工程学院 Ch. 3 # 19例例3.14：求下图电路的：求下图电路的AV(假定假定=0，另外求解方法，另外求解方法)1 1) )g g( (g gR R)
12、 )g g( (g gR RV Vg gg gg g1 1R RR RV Vg gI Im mb b2 2m m2 2P Pm mb b2 2m m2 2P Pi in nm m1 1m mb b2 2m m2 2P PP Pi in nm m1 1D D2 21 1) )g g( (g gR RR R) )R Rg g( (g gg gV VR RI IA Am mb b2 2m m2 2P PD DP Pm mb b2 2m m2 2m m1 1i in nD DD D2 2V VM1的小信号电流的小信号电流gm1Vin被被Rp和向和向M2源端看源端看进去的阻抗进去的阻抗1/(gm2+gm
13、b2)分成两部分，故：分成两部分，故：因因Vout=ID2RD，所以：，所以： 电子工程学院共源共栅放大器的输出电阻共源共栅放大器的输出电阻) )g g( (g gr rr r r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Rm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1o o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2o ou ut t注意：左边电路的输注意：左边电路的输出阻抗就是共源放大出阻抗就是共源放大器带负反馈电阻器带负反馈电阻RS的的的输出阻抗的输出阻抗上式表示共源共栅结构具有很高的输出阻抗，对提高上式表示共源共栅结构具有很高的输出阻抗，对提高放大器
14、小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利放大器小信号增益、提高电路源的恒流特性十分有利o oS So ombmbm mOUTOUTr rRR)r)rg g(g(g11R R 电子工程学院 Ch. 3 # 21共栅放大器的输出电阻大在恒流源中的应用共栅放大器的输出电阻大在恒流源中的应用12V2V1.8VM1、M2同时进入线同时进入线性输出电压摆幅最大性输出电压摆幅最大M1M212V3.8V1.8VM2Voutmin ,M1最后进入线性最后进入线性M2最先进入线性最先进入线性M1VoutminVAVAVAVAIDID 电子工程学院恒流源负载的共源共栅放大器恒流源负载的共源共栅放大器) )g g(
15、(g gr rr r r r r r) )r rg g( (g g 1 1R Rm mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1o o2 2o o1 1o o2 2m mb b2 2m m2 2o ou ut t) )g g( (g gr rr rg gA Am mb b2 2m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V两个晶体管都工作在饱和区两个晶体管都工作在饱和区1mgm mo ou ut tm mv vG GR RG GA A最大增益约等于晶体管本征增益的平方最大增益约等于晶体管本征增益的平方.恒流源如恒流源如何保证何保证? 电子工程学院 Ch. 3 # 23共源共栅（共
16、源共栅（ Cascade ）放大器）放大器) ) g gr r( (r r| | |) )g gr r ( (r rg gA Am m3 3o o4 4o o3 3m m2 2o o2 2o o1 1m m1 1V V因因M1、M2的高输出阻抗，欲得高的高输出阻抗，欲得高增益要求所带负载也必须是高输增益要求所带负载也必须是高输出阻抗，故负载也常用共源共栅出阻抗，故负载也常用共源共栅电路源。电路源。用共源共栅电流源近似代替理想恒流源用共源共栅电流源近似代替理想恒流源共源共栅极不一定起放大器的作用，还可做恒流源共源共栅极不一定起放大器的作用，还可做恒流源 电子工程学院 Ch. 3 # 24共源共栅
17、电路静态工作点不能共源共栅电路静态工作点不能“目测目测”带来的问带来的问题题CSCB恒流源负载用作差分输入级的半电路时恒流源负载用作差分输入级的半电路时, ISS若因输入共模电压发生若因输入共模电压发生变化变化(Vin1=Vin2=Vincm)带来沟道调制效应带来沟道调制效应(ISS通常是以单通常是以单NMOS构成的简单恒构成的简单恒流源流源)导致导致ISS有一微小变化有一微小变化2ISS, 其静态电压其静态电压V01= V02因因(gm5r05r07)/ (gm3r03r01)很大而变化一很大量很大而变化一很大量ISS(gm5r05r07)/ (gm3r03 r01) , 这将导致后级因此无
18、法正这将导致后级因此无法正常工作。常工作。该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以该电路作为差分对的半边电路时，必需辅以稳定稳定Vout静态电压的电静态电压的电路路(通常称为共模反馈电路通常称为共模反馈电路)才能正常工作！才能正常工作！ISS的微小变化会导致的微小变化会导致Vout静态工作静态工作点的极大变化点的极大变化M1M3M5M7半电半电路路VincmV01VinV02Rin= gm3r03r01Rin= gm5r05r07Vout= gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 VinV01(02)= gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISS 电子工程学院 Ch.
19、3 # 25静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的差异的差异二极管连接的二极管连接的MOS管用作差分输入级的半电路时管用作差分输入级的半电路时, ISS若因输入共模电压若因输入共模电压Vin1=Vin2=Vincm发生变化带来沟道调制效应发生变化带来沟道调制效应(ISS通常是以单通常是以单NMOS构成的简单构成的简单恒流源恒流源)导致导致ISS有一微小变化有一微小变化2ISS, 其静态电压其静态电压V01= V02因因(1/gm5)/ (gm3r03r01) (1/gm5) 较小而变化一较小量较小而变化一较小量ISS/gm5, 这比这比CSCB恒流源负载时远远小的恒流源负载时
20、远远小的多。多。故该电路作为差分对的半边电路时，勿需辅以故该电路作为差分对的半边电路时，勿需辅以稳定稳定Vout静态电压的电路静态电压的电路(通常称为共模反馈电路通常称为共模反馈电路)就能正常工作！就能正常工作！ISS的微小变化会导致的微小变化会导致Vout静态工作静态工作点的极大变化点的极大变化M1M3M5M7V01VinV02Rin= gm3r03r01Rin= 1/gm5Vout= gm1/gm5 Vin gm1gm3r03r01 / gm5r05r07 VinV01(02)= ISS/gm5 gm3r03r01 / gm5r05r07 ISS2ISSVincm半电路半电路不能不能“目测
21、目测”时的变化量时的变化量 电子工程学院 Ch. 3 # 26静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的差异的差异静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”静态工作点能静态工作点能“目测目测”V01V02VAVout 电子工程学院 Ch. 3 # 27静态点不能静态点不能“目测目测” 与能与能“目测目测”的差异的差异Pspice仿真结果仿真结果静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”静态工作点能静态工作点能“目测目测”Vin+ = Vin- = Vincm Vin+ = Vin- = Vincm VV静态点静态点静态点静态点V01 、 V02 VA Vout 电子工程学院 Ch.
22、3 # 28增加增加L与采用共源共栅结构来提高增益的比较与采用共源共栅结构来提高增益的比较L LI I1 1I IL LW WC C2 2r rg gD DD DO OX Xn no om m假定假定ID不变，若不变，若(a)中中L变为原来的变为原来的4倍而倍而W保持不变，则保持不变，则Vonb=2Vona，与，与(b)中层叠的两个中层叠的两个MOS管消耗的电压余度相同管消耗的电压余度相同因因gmr0L1/2，L4倍的结果只是使倍的结果只是使gmr0两倍，而两倍，而(c)中共源共栅结构输中共源共栅结构输出增益大约增大为出增益大约增大为(gmr0)2倍，同时因倍，同时因(b)中中M1的跨导是的跨
23、导是(c)中的中的1/2，这会，这会导致更高的噪声导致更高的噪声。*放大器的噪声与用作放大放大器的噪声与用作放大MOS管的跨导管的跨导gm成反比成反比,与用作恒流源的与用作恒流源的MOS管的跨导管的跨导gm成正比。成正比。 电子工程学院 Ch. 3 # 290 02 20 04 40 02 2m mb b4 4m m4 40 02 2B Br r r r) )r rg g( (g g 1 1r rV VV VAB BB Bm mb b4 4m m4 40 02 2A AV VV V) )g gg gr r1 1( (V V04r共源共栅结构的屏蔽特性共源共栅结构的屏蔽特性(1)左图中左图中M2
24、、M4均工作在饱和区，若均工作在饱和区，若A点电压变化点电压变化VA，求，求VB=？b bs s4 4g gs s4 4B BV VV VV V0 04 4m mb b4 4m m4 4) )r rg g( (g gV VA易见，因共栅管易见，因共栅管M4的引入的引入B点电压的变化量比点电压的变化量比A点减小了点减小了(gm4+gmb4)r04倍倍, 即即M4将将B点屏蔽了点屏蔽了。 电子工程学院 Ch. 3 # 30共源共栅结构的屏蔽特性共源共栅结构的屏蔽特性(2)假定假定 ID1 是参考电流，是参考电流， ID2 是输出电流。若是输出电流。若 0 且且 VXVY ,静态调整时静态调整时一般
25、一般VP=VQ, ID1 与与 ID2 在静态时不存在误差。在静态时不存在误差。动态时因动态时因VY发生变化导致发生变化导致VQ也发生变化也发生变化, 因共源共栅的屏蔽特性因共源共栅的屏蔽特性, ID1 与与 ID2 产生的误差为产生的误差为: ID1-ID2 0.5kn(W/L)(Vb1-VTH)2(VY)/(gm4+gmb4)ro4, 比比(a)减小了减小了 (gm4+gmb4)ro4倍倍,从而提高了从而提高了电流镜的匹配精度。电流镜的匹配精度。0 04 4m mb b4 4m m4 4) )r rg g( (g gV VV VAB前例结果前例结果偏置电路偏置电路输出电路输出电路 电子工程
26、学院 Ch. 3 # 31折叠式共源共栅结构折叠式共源共栅结构IS2n共源共栅的设计思路：将输入电压转化成电流，然后将其作为共栅极的输入。nPMOS和NMOS也可以共同完成。（a）n为了使它们偏置，增加一个电流源。（b） 电子工程学院 Ch. 3 # 32m m2 20 01 10 0I I1 1i in nm m1 10 01 10 0I I1 1S S2 2g g1 1/ / /r rr rV V) )g g/ / /r r( (r rI I折叠式共源共栅结构折叠式共源共栅结构若若I1为非理想恒流源为非理想恒流源,其交流小其交流小信号电阻为信号电阻为r0I1。IS2则流过则流过M2源极及电
27、阻源极及电阻RD的小信号电流的小信号电流IS2、IRD分别为分别为:D D0 02 2S S2 20 02 2R RD DR Rr rI Ir rI I) )R R) )( (r rg g1 1/ / /r r( (r rV Vg g) )r r/ / /r r( (r rR RI IA AD D0 02 2m m2 20 01 10 0I I1 1i in nm m1 10 02 20 01 10 0I I1 1D DR RD DV VAV比同类型比同类型MOS管的管的折叠结构因引入恒流折叠结构因引入恒流源源I1而有所减小而有所减小, 其优其优点留在运放章节分析点留在运放章节分析 电子工程学
28、院 Ch. 3 # 33例：画出例：画出Vout和和VB随随Vin从从0变化到变化到VDD的曲线的曲线草图，假定草图，假定3V,VTN| VTP |0.5，标出图中重要转折点。标出图中重要转折点。 电子工程学院 Ch. 3 # 34例：设例：设Kn2Kp（KnnCox），）， p 2 n ，每个，每个电路偏值电流相等。设每个管的电路偏值电流相等。设每个管的W/L相等且均工作相等且均工作在饱和区。确定哪个或哪些电路具有下列特性：在饱和区。确定哪个或哪些电路具有下列特性： 1.最高小信号电压增益；最高小信号电压增益； 2.最低小信号电压增益；最低小信号电压增益； 3.最高小信号输出电阻；最高小信号
29、输出电阻； 4.最低小信号输出电阻最低小信号输出电阻 ； 5.最低功耗；最低功耗；6.最大最大Vout； 7.最小最小Vout； 8.最高最高f3dB 电子工程学院 Ch. 3 # 35共源共栅放大器小结共源共栅放大器小结n结合了结合了CS、CB放大器的优点，放大器的优点，Ai、AV较大且频带宽较大且频带宽。n输出电压摆幅因层叠的输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损失，在低电源管而有所损失，在低电源电压运用中这是致命的。电压运用中这是致命的。n在低电源电压电路中共源共栅结构因要消耗过多的电在低电源电压电路中共源共栅结构因要消耗过多的电压余度运用较少，此时需多级压余度运用较少，此时需多级CS放大
30、才能达到需要的放大才能达到需要的增益，这会给放大器的补偿带来更大困难。增益，这会给放大器的补偿带来更大困难。 电子工程学院 Ch. 3 # 36本章基本要求本章基本要求n掌握带电阻负载的掌握带电阻负载的CS放大器的设计参数间的折衷关系。放大器的设计参数间的折衷关系。n掌握恒流源负载的掌握恒流源负载的CS放大器增益与摆幅、速度、带宽之放大器增益与摆幅、速度、带宽之间的折衷关系。间的折衷关系。n理解理解MOS源跟随器为什么不能用作驱动低阻、大电容负源跟随器为什么不能用作驱动低阻、大电容负载的原因。载的原因。n理解理解CB放大器的阻抗变换特性、放大器的阻抗变换特性、CSCB结构的屏蔽特结构的屏蔽特性
31、及其输出阻抗大的特点及增益与摆幅的折衷关系。性及其输出阻抗大的特点及增益与摆幅的折衷关系。n理解记忆理解记忆MOS二极管的小信号等效阻抗、二极管的小信号等效阻抗、MOS基本恒流基本恒流源、共源共栅恒流源的输出电阻，会用小信号等效电路求源、共源共栅恒流源的输出电阻，会用小信号等效电路求简单电路的简单电路的AV、Rin、Rout。37内容内容-电路分析电路分析n分析方法l直流工作点n公式求解n输入输出曲线l交流n小信号等效电路图n等效跨导输出电阻n分段推导l直观分析n看跨导n看输出电阻n电路结构电路结构n共源放大器共源放大器n不同负载不同负载n推挽推挽n源极负反馈源极负反馈n源极跟随器源极跟随器n共栅放大器共栅放大器n共源共栅放大器共源共栅放大器n套筒式套筒式n折叠式折叠式n衬底输入结构衬底输入结构*n电路指标电路指标n直流指标直流指标n功耗功耗n输入信号范围输入信号范围n输出信号范围输出信号范围n交流指标交流指标n低频增益低频增益n输入电阻输入电阻n输出电阻输出电阻复习题复习题n共源共栅级的屏蔽特性
