《CMOS集成电路》课件

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1、第三章单级放大器1主要内容掌握CMOS单级放大器的基本结构和工作原理共源极、源极跟随器、共栅级、共源共栅级掌握CMOS单级放大器的设计方法2非线性系统的输入输出特性3.1基本概念模拟电路设计的八边形法则33.2共源级3.2.1采用电阻负载的共源级(CS)4采用电阻负载的共源级(CS)斜率(即增益)最大为多少？输出电压摆幅最大为多少？静态工作点易观察到的两个问题：放大器增益最大可达到多少？输出电压摆幅最大为多少？V0Vin5简单CS放大器的设计参数固定设计参数:kn’,VTH,λ(由制造工艺决定)设计目标:一定大小的放大器增益Av=-gmRD(Avm

2、ax=？)设计可变参数:VDD,ID,VG,W/L,RD(VDD通常也是固定的)附加设计条件:功耗大小要求；输入、输出电压范围(摆幅)限制条件:MOS管必须工作在饱和状态输出电压摆幅6电阻负载共源级的ID(Vin)、gm（Vin）临界饱和点A问题：图（b）中临界饱和点（A）gm最大，设为静态工作点放大器可获得最大增益。这种说法对吗？为什么？AM1在饱和区M1在线性区gm=β(Vgs-VT)VinA-VTgm=βVDSVinAVinA-VT7电阻负载共源级的小信号等效电路本征增益，大约为10~308电阻负载CS放大器设计参数的制约关系增益AV与W/L、

3、ID、RD(VRD)三个参数有关。若保持为ID、W/L常数，RD↑，AV↑，这意味着VDS↓，放大器静态工作点下移，输出电压的摆幅↓。若保持ID、RD为常数，W/L↑，AV↑，但MOS管寄生电容↑，高频相应(放大器的f3dB↓)变差。若保持W/L、VRD不变，ID↓，AV↑，这意味着RD↑，版图面积↑，电阻噪声↑，放大器速度↓(输出节点时间常数RC↑)，沟道调制效应的影响↑(r0与RD更接近)。总之，若为提高增益而使RD↑，就会导致输出电压的摆幅↓，版图面积↑，电阻噪声↑，放大器速度↓，因此电阻复杂CS放大器一般不常用。93.2.2二极管连结MOS管

4、的工作状态MOS管二极管连结并导通时,Vg=Vd,显然,不论是NMOS还是PMOS管,均工作在饱和区!!!10二极管连接的MOS管的小信号等效电阻二极管连接的MOS管从源极看进去的小信号等效电阻：常用公式11二极管连接的MOS管小信号阻抗Rin对于图(c)对于图(a)、(b)(a)(b)(c)λ=0时同(a)、(b)12MOS二极管连接负载的共源极NMOS负载时PMOS负载时Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02Rin=(1/gm2)//r0213MOS二极管连接负载的共源极（λ＝0）增益与偏置电流无关，即输入与输出呈线性(大信号时也如此！)

5、NMOS二极管PMOS二极管Rin≈1/(gm2+gmb2)Rin≈1/gm2Vbs≠0Vbs=0问题:ID10时，M2是工作在饱和区还是线性区?14MOS二极管连接负载的共源极(例1)则有：通常：于是：若(W/L)2=1，则(W/L)1>>1;(WL)1很大,若(W/L)1=1，则(W/L)2<<1,(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。相对而言，(W/L)2<<1对带宽的影响比(W/L)1>>1要小这体现了增益与速度(带宽)的矛盾!若需AV=1015MOS二极管连接负载的共源极记Von

6、=VGS-VT表示MOS管的过驱动电压(Von越大,MOS管工作电流也越大),该式表明增益是两管过驱动电压之比，AV越大，Von2越大，Vomax越小。∵ID1=ID2∴∵Von2=VDD-Vo-

7、VTP

8、∴Vo=VDD-

9、VTP

10、-Von216设电源电压VDD=3V,

11、VTN

12、=

13、VTP

14、=0.7V假定Von1=VGS1-VTH1=Vin-VTH1≥0.2V若AV=-10,则

15、VGS2

16、≥

17、AV

18、•Von1+

19、VTH2

20、=2.7V∵

21、VDS2

22、=

23、VGS2

24、≥2.7V故Vo=VDD-

25、VDS2

26、≤3-2.7=0.3V,联系到M1饱和要求:Vo=VD

27、S1≥VGS1-VTH1=Von1=0.2V.故Vo的变化范围仅有0.2V～0.3V，输出电压摆幅非常小。MOS二极管连接负载的共源极(例2)问题:显而易见,Vin,Vo,又∵Vo≥Vin-VTH1(M1饱和要求)故存在Vinmax,那么Vinmax=?17求上例中Vinmax=?(例3)设电源电压VDD=3V,

28、AV

29、=10,

30、VTN

31、=

32、VTP

33、=0.7V∵M1临界饱和时:Vo=Von1=VGS1-VTH1=Vinmax-VTH1又∵

34、VGS2

35、=

36、AV

37、(Vinmax-VTH1)+

38、VTH2

39、又∵Vo+

40、VGS2

41、=VDD∴(Vinmax-

42、VTH1)(1+

43、AV

44、)+

45、VTH2

46、=VDD∴Vinmax=(VDD-

47、VTH2

48、)/(1+

49、AV

50、)+