大连理工大学 电信学院 CMOS模拟集成电路设计 巢明 CMOS放大器 课程目的： 掌握CMOS反相器的分析设计方法 掌握CMOS差分放大器的分析设计方法 掌握CMOS叠接放大器的分析设计方法 掌握CMOS电流放大器的分析设计方法 掌握CMOS输出放大器的分析设计方法 掌握各种放大器的噪声分析方法 运算放大器的层级结构 运算放大器的性能指标 大信号： 电压转移特性 摆幅限制 小信号： 增益 输入输出阻抗 频率特性 其他： 噪声 功耗 温度特性 CMOS反相器 有源负载电压转移特性 Vout摆幅的求解过程 有源负载反相器：小信号模型 有源负载反相器：频率特性 电容间的对应关系？ （假设Vin接低阻抗电压源） 有源负载反相器：频率特性 有源负载反相器：频率特性 -3dB点的位置？ 例题 有源PMOS电阻反相器，(W/L)1=2um/1um，(W/L)2=1um/1um，Cgd1=100fF，Cbd1=200fF，Cbd2=200fF，Cgs2=200fF，CL=1pF，ID1=ID2=100uA，VDD=5V。 求：输出电压摆幅，小信号增益，输出电阻，-3dB频率 0.418－4.3V，－1.92V/V，9.17/10kΩ，10.2MHz 电流源负载反相器 Vout摆幅？ Vout摆幅 电流源负载反相器：小信号模型 有源负载反相器：频率特性 电容间的对应关系？ （假设Vin接低阻抗电压源） 有源负载反相器：频率特性 推挽反相器 Vout摆幅？ 推挽反相器：小信号模型 例题 推挽型CMOS放大器，W1=L1＝1um，W2＝2um，L2＝1um，VDD＝5V，Cgd1=Cgd2＝100fF，Cbd1=200fF，Cbd2=200fF，Cgs2=200fF，CL=1pF，假设ID1＝ID2＝300uA，计算输出摆幅，小信号特性，频率特性。 AV＝－18.6V/V，Rout＝37.7K，f-3dB                                                =2.86MHz 推挽反相器：小信号特性 噪声分析：动态负载型 将MOS管中所有噪声等效为栅级电压噪声（共源配置） 由此计算出噪声输出电压谱密度（假设所有源可叠加） 将噪声输出电压折合到输入端，得到等效输入噪声公式 将不同性质的噪声（热噪声，1/f噪声）带入 噪声分析：动态负载型 减小1/f噪声： 让L1  L2 减小W1 M1使用PMOS  减小热噪声： 增加放大器增益 噪声分析：动态负载型 en2对输出噪声的贡献      可得对噪声的增益约为1 噪声分析：电流源负载型 噪声分析：推挽型 课后作业 推导三种反相放大器的噪声特性 P188，5.1-6 P188，5.1-9 P188，5.1-10 P189，5.1-14 CMOS差分放大器 差分放大器的跨导特性 差分放大器的跨导特性 差分放大器的跨导特性 注意虚线部分，表示什么？ 差分放大器的跨导特性 对前面电流公式求Vid为零处对vid的偏导    与简单反相放大器比较，有什么区别？ 镜像电流源负载的差分放大器 共模电压范围（ICMR） 将VID置零，变化VIC直到有MOS管离开饱和区  最高共模电压   最低共模电压 小信号分析 小信号分析（续） 输出电阻					差分电压增益   假设所有MOS管饱和，用大信号参数表示Av：	   联想电流源负载反相放大器			 共模增益与共模抑制比 差分放大器的频率响应 小信号特性的直觉分析方法 第一步：找到将输入电压转为电流的MOS管（跨导管） 第二步：跟踪电流，直到其流入一个对地的等效电阻 第三步：电流乘电阻，得到该节点的电压 第四部：重复以上，直到得到输出节点电压 例题 写出该电路的输出电压 差分电路的直觉分析 差分电路的噪声分析 差分电路的噪声分析 差分放大器的设计 差分放大器的设计 例题 设计一个电流镜负载MOS差分放大器，要求如下：VDD＝－VSS＝2.5V，在CL＝5pF时SR 10V/uS，－3dB频率为100kHz，小信号增益为40dB，共模电压范围－1.5到2V，功耗小于1mW，使用典型1um工艺参数。 例题（续） （1）由压摆率得ISS必须大于50uA，由功耗得ISS必须小于200uA。 （2）由－3dB频率得Rout小于318K，则进一步限制ISS必须大于70uA。让我们先取ISS为100uA。 （3）由共模电压最大值得出M3管的宽长比为8 例题（续） （4）由增益为100可推算M1和M2管的宽长比约为18.4 （5）由共模电压最小值为－1.5V可推算M5管的宽长比为17.4。考虑到VT可能出现的差异，我们可以增大M1，M2的宽长比以获得一定的共模电压容限，同时gm将增加。 结果：M1，M2的宽长比选取为40，M5的宽长比为9 叠接放大器 使用叠接放大器的理由 （1）高输出阻抗，从而高增益 （2）降低了Cgd1寄生电容的Miller效应。大部分Vout电压降落在M2管两端，使v1较小  叠接放大器的大信号特性 叠接放大器的大信号特性  当 VGG2-VGS2 ≥ VGS1-VT时M1饱和 →  vIN ≤ 0.5(VGG2+VTN) ，VGS1=VGS2 当 VDS2≥VGS2-VTN 时M2饱和→ vOUT-VDS1≥VGG2-VDS1-VTN → vOUT ≥VGG2-VTN  当 VDD-vOUT ≥ VDD - VGG3 - |VTP| 时M3饱和→  vOUT ≤ VGG3 + |VTP|  最大输出电压Vout（max）＝VDD 最小输出电压      叠接放大器的小信号模型 叠接放大器的小信号模型（续） 高增益高输出阻抗放大器 结构：叠接放大器和叠接电流源负载 开关电容电路 由方程 可解得通过MOS管的电流与差分电压的关系 M2饱和： M4饱和： 如何得到VSG4？ 交流短路输出电流：                                         其中 共模增益  共模抑制比 忽略C3情况下有： 根据直觉分析法写出增益表达式？ * *       Vout摆幅？   复习： 负载线如何确定？ 重要结论！  AVD：差分增益 AVC：共模增益 AVD/AVC：共模抑制比 VOS(out)/AVC：输入失调电压 VICMR：共模输入电压范围 PSRR：电源抑制比 噪声 以P阱NMOS工艺为例 M1与M2的源极接法对大信号特性有什么影响？ * * * 
CMOS模拟集成电路设计（巢明）07.ppt