CMOS

CMOS模拟集成电路分析与设计第一章绪论•1，模拟集成电路的优点高集成度、高速度、高精度、低功耗、大批量时成本低•2，CMOS相对于双极工艺在模拟集成电路上的优缺点优点：输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双极只依赖于直流偏量）缺点：低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）第二章MOS器件物理基础•1，MOSFET基本结构P9图2.2(包括基本结构的截面图，栅、源、漏、衬底各极，有效长度、宽度，符号等)Ldrawn：沟道总长度LD：横向扩散长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LD•2，MOS管源、漏的区分提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏•3，MOS管正常工作的基本条件所有衬源（B、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏！•4，三极管区MOS管I/V特性的推导P14~15，包括特性曲线，深三极管区特点饱和区：VgsVTHVDSVgs-VTH（用作电流源或电流沉）线性区：VgsVTHVDSVgs-VTH截至区：VgsVTH深三极管区特点：2')(2THGSoxnDVVLWCI]21)[(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI等效为一个线性电阻•5，饱和区MOS管I/V特性的推导夹断点，跨导gm的三个表达式夹断点当VDSVgs–VTH时，反型层将在x≤L处终止，我们认为沟道被夹断跨导gm线性区•••••6，跨导与VDS间的关系说明为何通常使MOS管工作在饱和区)(1THGSLWoxnONVVCR如果器件进入三极管区，跨导将下降，因此放大应用时，通常使MOS管工作在饱和区•7，三种二级效应描述三种效应以及对各参数的影响体效应:源与衬底的电压差，使VTH改变沟道长度调制效应当栅和漏之间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。L’是VDS的函数。由工艺决定L越大，沟道长度调制系数越小亚阈值导电性当VGSVTH时仍有IDS存在并不是无限小而是和VGS呈指数关系。亚阈值导电会导致较大的功率损失。•8，基本器件的寄生电容含包括了寄生电容的完整小信号电路•9，长沟道与短沟道器件的区别前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言对短沟道器件而言，关系式必须修正用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，建立严密第三章单级放大器•1，电阻负载的共源极大信号特性（P41-42）、小信号增益及其折中关系，电阻做负载的缺点小信号增益及其折中关系增大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电阻做负载的缺点在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工阻值小时增益小，阻值大时，电阻的尺寸太大，还会降低输出摆幅•2，二极管接法做负载的共源极：小信号增益及其折中关系，输入输出摆幅的求法小信号增益及其折中关系若(W/L)2=1，则(W/L)11,(WL)1很大;若(W/L)1=1，则(W/L)21,(WL)2也很大,无论如何，这都会导致要么输入寄生电容太大或输出寄生电容太大，从而减小3dB带宽，这体现了增益与速度(带宽)的矛盾输入输出摆幅的求法•设电源电压VDD=3V,|VTN|=|VTP|=0.7V••假定Vov1=VGS1-VTH1=Vin-VTH1≥0.2V••若AV=-10,则|VGS2|≥|AV|•Vov1+|VTH2|=2.7V••∵|VDS2|=|VGS2|≥2.7V••故Vo=VDD-|VDS2|≤3-2.7=0.3V,联系到M1饱和要求:Vo=VDS1≥VGS1-VTH1=Vov1=0.2V.••故Vo的变化范围仅有0.2V～0.3V，输出电压摆幅非常小。显而易见,Vin,Vo,又∵Vo≥Vin-VTH1(M1饱和要求)故存在Vinmax,那么Vinmax=?••设电源电压VDD=3V,|AV|=10,|VTN|=|VTP|=0.7V••∵M1临界饱和时:Vo=Vov1=VGS1-VTH1=Vinmax-VTH1••又∵|VGS2|=|AV|(Vinmax-VTH1)+|VTH2|••又∵Vo+|VGS2|=VDDn1GS2TH2ov2Vp2GS1TH1ov1μ(W/L)|V-V|VA=-=-=-μ(W/L)V-VV••∴(Vinmax-VTH1)(1+|AV|)+|VTH2|=VDD••∴Vinmax=(VDD-|VTH2|)/(1+|AV|)+VTH1••∴Vinmax=(3–0.7)/(1+10)+0.7=0.91V••∴0.7V=VTH1Vin≤0.91V••3，电流源做负载的共源级：小信号增益及其折中关系，输出摆幅，静态工作点可不可以“目测”的判断方法，能“目测”与不能“目测”电路的特点小信号增益及其折中关系1.若W、ID不变,L↑(r02↑),AV↑，但过驱动电压Vov↑，输出电压摆幅↓，若同时保持Vov不变(即摆幅不变)，则需W↑，这会导致寄生电容↑,放大器带宽↓。这充分体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。(电阻负载CS中ID不变,RD↑,AV↑,摆幅一定↓)2.若L、ID不变,W↑,AV↑，过驱动电压Vov↓，输出电压摆幅↑,这会导致寄生电容↑,放大器带宽↓。这体现了模拟设计中的增益、摆幅、带宽之间的折衷关系。3.若ID↓,AV↑,过驱动电压Vov↓,摆幅↑,放大器速度↓(ID↓),这体现了增益、摆幅、速度之间的折衷关系。输出摆幅（记Vov=VGS-VT，常称Vov为MOS管的过驱动电压,它表征MOS管工作电流的大小）M1、M2饱和要求:Vov1=Vin-VTN≤Vout≤Vb+|VTP|=VDD–Vov2静态工作点可不可以“目测”的判断方法能“目测”与不能“目测”电路的特点•4，带源极负反馈电阻的共源极：等效跨导，小信号增益的求法(直观)（P51-56）•5，共漏极(源极跟随器)：小信号增益(直观求法)（P59-61），无体效应的源极跟随器，小信号特点无体效应的源极跟随器（对PMOS有效）（P62-63）PMOS管做源随管以提高增益线性度消除体效应•6，共栅极：小信号增益（P66）•7，共源共栅极：大信号特性，输出摆幅，屏蔽特性，折叠式共源共栅极的大信号特性（P70-77）共源共栅级主要应用优点：输出阻抗高、高增益、屏蔽特性好不足：输出摆幅受一定影响、折叠共源共栅级直流功耗大应用：电流源、共源共栅OPA、折叠共源共栅OPA等第五章无源与有源电流镜•1，基本电流镜的复制关系，L的选择，电流镜的不足基本电流镜－比例复制为什么取L1=L2？横向扩散和场氧化层侵蚀会使LeffLdrawn、WeffWdrawn当L1=L2时当L1L2时取L1=L2，便于获得期望的精确电流值，电流复制精度取决于W之间的比值电流镜的不足电流复制误差较大，受影响通常VDS2都不等于VDS1，导致误差沟道长度小时，误差会很大解决方法：采用共源共栅结构，提高输出电阻第六章放大器的频率特性米勒定理及利用米勒定理求解输入电阻、电容、极点等（P139-143）REFoutILWLWI12)/()/()1()/()1()/(1122DSDSREFoutVLWVLWII11222121DdrawnDdrawneffeffLLLLLL11222121DdrawnDdrawneffeffLLLLLL