CMOS模拟电路基本单元(课件3)

1CMOS模拟集成电路基本单元西安电子科技大学朱樟明2CMOS模拟集成电路基本单元一、模拟开关二、有源电阻三、电流源和电流沉四、电流镜五、CMOS基本放大器六、CMOS差分放大器七、CMOS基准源八、CMOS振荡器3一、模拟开关模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用；分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关；对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求Vout≈Vin，即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。4NMOS模拟开关非理想模型VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和B之间存在的电压。IOFF表示开关关断时流过的漏电流。CA、CB、CAB和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采样保持电路性能有较大的影响。NMOS模拟开关的非理想模型即三端网络，端口A和B为开关的输入输出端，C为电压控制端。理想情况下，RON为零，而ROFF为无穷大。为了降低总谐波失真，RON与控制电压的关系应为线性关系。5NMOS模拟开关的导通电压-电流特性当NMOS模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为0VDSVGS-VT导通电阻为DSTGSoxnDDSONVVVWCLiVR当NMOS模拟开关处于关断状态时，即VGSVT，如VDS≈0，则iDS=IOFF=0；如VDS0，则ROFF≈1/iDSλ=1/IOFFλ≈∞。6NMOS模拟开关的导通电压-电流特性W＝L＝3μmVGS一定时，沟道电流随着VDS增加而线性增加；当VDS一定时，沟道电流随着VGS增加而增加。多种宽长比NMOS模拟开关导通电阻与VGS之间的关系，当VGS一定时，导通电阻随着W/L的增加而减小；当W/L一定时，导通电阻随着VGS增加而减小。7NMOS模拟开关的非理想效应及解决方法动态范围小和时钟馈通效应;时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制信号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和CGD使NMOS的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调；CMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动态范围，减小时钟馈通效应；8二、有源电阻CMOS模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩散和多晶（Poly）实现精确的电阻值。在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非常小的版图面积。22TGSoxVVLWCimmbsgsmoutggggr119有源电阻分压电路及并联电阻10三、电流源和电流沉电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，和加在MOS两端的电压无关。一般来说，电流沉的负端电压接VSS，而电流源的正端电压接Vdd。MOS工作在饱和区。SSTNgMINVVVVVDDDSoutIIVr1111电流源电流源的源漏电压应大于VMIN才能正常工作SSTPgMINVVVVV需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加稳定；需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能在较宽的输出电压范围V内工作。目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用Cascode结构。12电流源输出电阻提高技术13电流源输出电阻提高技术——Cascode14四、电流镜（电流放大器）基本原理：如果两个NMOS（PMOS）的栅源电压相同，则沟道电流也相同。15NMOS基本电流镜电路及特性（1）输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完全由集成电路设计人员控制；（2）当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流16MOS电流镜的非理想效应MOS晶体管几何尺寸不匹配。集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。MOS晶体管阈值电压不匹配。在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。沟道长度调制效应。特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应17Wilson电流镜当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不完全等于输入电流。解决方法是Wilson或Cascode电流镜；Wilson电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻；如果输出电流增加，则通过M2的电流也增加，而且由于M1和M2的镜像关系使输入电流也增加如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，M3的栅电压减小，抑制输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性18CascodeNMOS电流镜19五、CMOS基本放大器放大器是集成电路的最基本单元电路之一；用于提高模拟电路的驱动能力，也可以应用于于反馈系统；基本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏及Cascade放大器；掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出电阻简化公式20CMOS共源放大器共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。21CMOS共源放大器22CMOS共源放大器由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在饱和区增加NMOS的W/L或减小源漏电流或增大RD的压降都可以提高共源放大器的小信号增益；常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅DmTNinoxnDVRgVVLWCRADoDomVRrRrgA23CMOS共漏放大器对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻;如果共源放大器驱动底阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。M1RSVoutVinVoutVinVTNRSgmVingmbVbsVin+-Vout24CMOS共漏放大器当VinVTN时，NMOSM1截止，输出电压Vout等于零;随着输入电压的增大并超过VTN，M1由导通进入饱和工作状态，Vout开始随着输入电压的增加而增加;进一步增大Vin，Vout将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为VGS共漏放大器的输入－输出特性可以表示为outSoutTHinoxnVRVVVLWC221SoutTHinoxnSoutTHinoxninoutRVVVLWCRVVVLWCVV1SmbmSmVRggRgA125CMOS共栅放大器在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共栅放大器就是利用这个特性所实现的当输入电压Vin较大时，即Vin≥Vb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout等于VDDRDVoutVDDVinM1VbVoutVinVb-VTNVddRSgmV1gmbVbsVin+-VoutV1R0RD26CMOS共栅放大器当VinVb-VTH时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为221TNinboxnDVVVLWCI进一步减小Vin，Vout逐渐减小，M1开始进入线性区，即TNbDTNinboxnDDVVRVVVLWCV221如果M1工作在饱和区，则输出电压为DTNinboxnDDoutRVVVLWCVV221DinTNTNinboxninoutVRVVVVVLWCVVA1DmVRgA27CMOS共源共栅放大器共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流，而共源放大器则将输入电流信号转换成输出电压如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放大器，即级联三极管（Cascode）放大器NMOSM1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，M2将漏电流转换成输出电压Vout，所以M1为输入器件，M2为共源共栅器件。VoutVinVbRDM2M1XVoutVinVTN1Vddgm2V2gmbVbsVin+-VoutV2RDgm1V1+-28CMOS共源共栅放大器为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足VX≥Vin－VTH1假如M1和M2都处于饱和区，则VX主要由偏置电压Vb决定：VX＝Vb－VGS2，所以必须保证Vb－VGS2≥Vin－VTH1，即Vb≥Vin－VTH1＋VGS2为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足Vout≥Vb－VTH2，为了保证M1和M2都处于饱和区，则必须满足Vout≥Vin－VTH1＋VGS2－VTH2，但是M2的增加会使放大器的输出电压摆幅减小29CMOS共源共栅放大器当VinVTH1时，M1和M2处于截止状态，Vout=VDD，VX≈Vb－VTH2；当Vin≥VTH1时，M1将输入电压转换成漏电流，并使输出电压Vout下降，但漏电流的增加使M2的栅源电压VGS2也随着增加，从而导致VX下降;当Vin继续增加，从而导致两个结果：(1)VX降到比Vin低一个阈值电压VTH1，使M1进入线性区；(2)Vout降到比偏置电压Vb低一个阈值电压VTH2，使M2进入线性区。如果Vb比较低的时候，M1会先进入线性区；如果M2进入深线性区，VX和Vout将近似相等。Cascode放大器的一个重要特性就是输出阻抗很高，M2将M1的输出阻抗提高至原来的（gm2+gmb2）RO2倍，其中RO2为M2的输出阻抗DmVRgA130六、CMOS差分放大器在现代模拟集成电路设计中，CMOS差分放大器是一种应用非常广泛的子电路；差分放大器只对两个不同电压的差进行放大而不管其共模值；在CMOS差分放大器中，最严重的是电压失调，其主要由MOS晶体管尺寸的不匹配性及工艺偏差等因素造成的；如果将差分放大器的两个输入端连在一起，在输出端所测到的电压为输出失调电压。如果将这个电压除以放大器的差分电压增益，所得到的失调电压称为输入失调电压；在实际集成电路设计中，一般将直接测到的输出失调电压称为失调电压，CMOS差分放大器的失调电压一般为2~20mV；31CMOS差分放大器32NMOS输入CMOS差分放大器工作原理NMOS晶体管M1和M2作为差分放大器的输入器件，ISS是电流沉，PMOS晶体管M3和M4构成电流镜分别作为M1和M2的负载。如果M3和M4完全匹配，则M1的源漏电流大小就决定了M3电流的大小，并将电流镜像到M4。如果VGS1＝VGS2，则M1和M2的电流相等，输出电流iout等于零；如果VGS1VGS2，由于ISS＝iD1＋iD2，iD1相对iD2要增加，iD1的增大意味着电流iD3和iD4也增加，根据基尔霍夫电流定律（KCL），iD2应小于iD4，即输出电流iout0；如果VGS1VGS2，同样输出电流iout033CMOS差分放大器的大信号特性2/122/112122DDGSGSIDiiVVV21DDSSiiI2/124221422SSIDSSIDSSSSDIVIVIIi2/124222422SSIDSSIDSSSSDIVIVIIi假设M1和M2工作在饱和态，且M1和M2尺寸完全匹配，则大信号性能的关系式为可以解出iD1和iD2CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线34CMOS差分放大器的电压电流转移以上分析中采用差分输入电压VID来表示iD1和iD2，是电压－电流转移函数，但它和电压转移函数一样是很有用处的，所以CMOS差分放大器也是差分跨导放大器（OTA），大信号转移特性曲线的斜率为CMOS差分放大器的跨导。将式iD1对VID取导数，并令VID＝0，求得CMOS差分放大器的单边差分跨导为2/111/