北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件03-1单级放大器（一）

1北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲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2北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲重点内容MOS管的工作原理截止区、线性区、饱和区大信号特性OXdelFFBTHOXsubsiFSBFTHTHDSTHGSLWoxnDTHGSLWoxnDDSDSTHGSLWoxnDCQVVCNqVVVVVVCIVVCIVVVVCI2,2),22(1)(21)(21]21)[(00222体效应：）（饱和区）＋（沟道调制效应：饱和区：线性区：effLL3北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲重点内容小信号等效电路低频高频4北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲重点内容小信号特性mBRjjjjswBSBdOXGBOVGDGSGBOVOXeffGDOVOXeffGSGBOVGDOVOXeffGSDSdEFFEDDEDSDOOmSBFmBSTHTHDBSDmbmbDLWoxnTHGSDTHGSLWoxnGSDmmVCCCCWCCCCWCCWLCWCCWLCCWCCWCCWLCdVdXLVIIVVIrrgVgVVVIVIggICVVIVVCVIgg)/1/(CC,CCC,,21,21,,32)(11,1)(2222)(0D1底面积：周长、串联场区电容＋＝截止区：场区电容线性区：场区电容饱和区：寄生电容：：小信号电阻：体跨导：跨导effLL5模拟集成电路原理与设计第3章单级放大器（一）陈中建[e-mail]62759620，理科2号楼2617微电子学系6北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时7北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲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8北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计信号放大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9北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计放大器基础知识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10北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计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11北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲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12北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计教材上的讲授思路先分析大信号特性有利于理解直流偏置点的设置有利于理解电路的工作原理再由大信号特性的公式，推出小信号特性参数有利于结合着大信号特性理解小信号工作状态不足是显得太繁琐小信号特性参数的简单分析方法直接画出小信号等效电路来分析、推导简单、直截了当13北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲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14北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计大信号分析饱和区时转换点Vin1线性区时大信号分析：•直流传输特性分析•小信号影响直流偏置点情形小信号分析：•在直流偏置点时小信号特性15北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计大信号特性线性区时深线性区时)(2THinoutVVV16北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计大信号特性—ID随Vin的变化关系DoutDDDRVVI17北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计大信号特性—gm随Vin的变化关系)(THGSLWoxnmVVCgDSLWoxnmVCg饱和区时线性区时outDSVV18北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计从大信号特性推导小信号增益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19北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计从小信号等效电路推导小信号增益DminoutvDinmoutRgVVARVgV,20北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计Av的昀大化AvgmRDAv2nCoxWLVRDID)(THGSLWoxnmVVCg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21北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计考虑沟长调制效应后大信号分析ODrI/122北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计考虑沟长调制效应后小信号分析考虑沟长调制效应23北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计用电流源做负载电阻)||(DomvRrgA能获得较大的增益omvrgA本征增益本征增益为多大？24北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计用电流源做负载电阻本征增益约50~110L增大时可以更大1/gmrO成立omvrgADOTHGSDmIrVVIg1,2OVATHGSvVVVVA2)(2VOV一般不能随工艺下降，要保证强反型（100mV以上），一般取200mV0.4m工艺时昀小L的NMOS管VA,NMOS=11V，VA,PMOS=5.5V1)(1DSdeffAdVdXLV25北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计电阻做负载共源级实际应用情况在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工（1030％偏差）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26北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲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27北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计二极管接法的MOS管做为小信号电阻来用28北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计二极管接法的MOS管的等效阻抗mOmXmOXXgrgVgrVI/1)/1(/二极管阻抗无体效应时29北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计二极管接法的MOS管的等效阻抗(gmgmb)VxVxroIxVxIx1gmgmb||ro1gmgmb有体效应时二极管阻抗比无体效应时小30北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计二极管接法MOS管做负载的共源级)()()()()()(21)()(212211222211THoutDDTHinTHoutDDOXnTHinOXnVVVLWVVLWVVVLWCVVLWC进入线性区的转换点若VTH2随Vout变化很小，则有很好线性度大信号特性31北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计增益Avgm11gm2gmb2gm1gm211忽略rO的影响)||(DomvRrgAmbmDggR132北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计增益的特点Avgm11gm2gmb2gm1gm211Av(W/L)1(W/L)211gm2nCoxWLIDgmbgm22FVSBgmoxsubsiCNq2忽略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33北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计PMOS管做负载21)/()/(LWLWApnvPMOS管无体效应忽略rO时若要求Av=-10，则n=2p时，（W/L）1=50（W/L）2（W/L）过大会使寄生电容较大，影响带宽优点：增益只与尺寸有关，线性度好缺点1：大增益需要极大的器件尺寸34北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计PMOS管做负载若要求Av=-10，当VGS1-VTH1=200mV，VTH=0.7V时，VSG2=2.7V。若VDD=3.3V，则Vout不能大于0.6V，否则不能保证Av=-10缺点2：输出摆幅小22222111)()()()(THGSpTHGSnVVLWVVLW2THDDoutVVVvpnOVOVTH1GS1TH2GS2ALWLWVVVVVV2112)/()/()(||如何解决输出摆幅小这个缺点？35北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计PMOS管做负载M1管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1421DDIIOVDmVIg21221221121/2/2OVOVDDOVDOVDmmvVVIIVIVIggA若要求Av=-10，当VOV1=200mV、VTH=0.7V时，VOV2=500mV、VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则Vout不能大于2.1V提高输出摆幅36北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计考虑rO后的增益)(2121OOmrrgm1vgA)||(1DOmvRrgA22//1OmDrgR如何获得单级更高增益？37北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲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38北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计电流源做负载)2(||oo1mvrrgA当ro2远大于ro1时Avgmro12nCoxIDWL11IDLLLVDS1DDoILIr1LLVVLLDSDS/),1(1'1在漏电流一定时，单增大L可增大增益，但同时会增大寄生电容单纯地增大ID会减小增益39北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题对电流源做负载的共源放大级，若偏置电流为1mA，小信号电压增益为100，为使电路的输出电压摆幅为2.2V，计算M1和M2的尺寸（L取为0.5um）（习题3.14）解：]/[03.031051101)(1002112122