模拟集成电路设计复习笔记
更新时间:2024-01-07 06:54:01 阅读量: 教育文库 文档下载
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模集复习笔记
By 潇然 2018.6.20
2.2 I/V特性
1. I-V特性
2. 跨导
定义:VGS对IDS的控制能力(IDS对VGS变化的灵敏度) 饱和区跨导gm表达式:
2. 线性电阻表达式
2.3 二级效应 1. 体效应
γ为体效应系数,典型值0.3-0.4V
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-1/2
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2. 沟道长度调制效应
2.4 MOS器件模型
定义:信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算由gm、gmb、rO等构成低频小信号模型,高频时还需加上CGS等寄生电容、寄生电阻(接触孔电阻、导电层电阻等)
1. MOS小信号模型
① 沟长调制效应引起的输出电阻
② 体效应跨导
2. 完整的MOSFET小信号模型
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用于计算各节点时间常数、找出极点 2.5 放大器的性能参数 AIC设计的八边形法则
分别为:速度、功耗、增益、噪声、线性度、电压摆幅、电源电压、输入输出阻抗
参数之间互相制约,设计时需要在这些参数间折衷 3.2 共源级
1. 电阻负载
理想情况:
考虑沟长调制效应:
2. 二极管接法的MOS做负载 ① NMOS二极管负载
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存在体效应时的阻抗:
忽略η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。
② PMOS管负载
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缺点:a. 大增益需要极大的器件尺寸 b. 输出摆幅小
提高输出摆幅的方法:加电流源
3. 电流源做负载
4. 深线性区MOS管做负载
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5. 带源极负反馈 ① 增益与跨导
随着RS增大, Gm和增益都变为gm的弱函数,提高
了线性度;但以牺牲增益为代价。
另外,可以通过如下方法简便计算:
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Av=“在漏极节点看到的电阻”/“在源极通路上
看到的电阻”
② 输出电阻
3.3 源跟随器(共漏)
1. 负载为Rs
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2. 负载为电流源
3. 考虑rO和RL后的增益(注意分析过程)
4. 负载为理想电流源时输出电阻Ro
3.4 共栅级
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1. 不考虑沟长调制效应时增益
,体效应导致增益增加
2. 输入阻抗
RD=0时,共栅级输入阻抗相当于源跟随器输出阻抗
,故在RD较小时,输入阻抗小
3. 输出阻抗
计算结果同带源极负反馈的共源级的Rout,故输出阻抗很大
3.5 共源共栅级
1. 增益(不考虑沟长调制)
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(注意此处为约等于且结果为负,
具体增益参照P71,掌握方法即可)
2. 输出阻抗
M2管将M1管的输出阻抗提高为原来的(gm2+gmb2)rO2
倍;有利于实现高增益
3. 其他性质:
① 作理想电流源,代价:输出摆幅减小
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② 屏蔽特性:Vout端有ΔVout的电压跳变时,表现在X点的电压跳变很小,屏蔽了输出节点对输入管的影响
4. 折叠共源共栅
5. 总结:
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4.2 基本差动对
1. 大信号差分特性
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上式假定了M1、M2均工作在饱和区,然鹅
2. 大信号共模特性
共模输入电平必须满足:
3. 小信号差分特性
因此,当ΔVin为下值时跨导降为0:
,其表征放大器所允许的最大输
入差分信号
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差模增益:
用叠加法、半电路法均可求全差分时的差模增益,结论为:
① 单边输入时差模增益为-gmRD
② 差分输入时差模增益为-gmRD
③ 单边输入时单端输出增益为-gmRD/2 4. 小信号共模特性 若电路完全对称,则流过M1和M2管的直流电流总为ISS/2,不随Vin,CM的变化而变化,因此,VX和VY不变;
非理想性包括:M1和M2之间有失配(W/L、VTH等),RD1和RD2之间有失配(阻值不完全相等等);尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大
① 尾电流内阻非无穷大时
若电路完全对称,则VP会随Vin,CM的变化而变化,导致尾电流变化, Vout1和Vout2会随之变化,但Vout1和Vout2总相等,故可短接,将M1、M2并联处理(注意此时跨导为2gm)
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共模增益为:
② 输入管失配对共模响应的影响 共模到差模转换的增益:
5. CMRR-共模抑制比
Common-Mode Rejection Ratio,用来综合反映差分放大器的性能
5.1 基本电流镜
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原理:利用输出电流与参考电流的过驱动电压相同
)1(VGS?VTH)2(1??VDS1)2L ?nCoxWIout?()2(VGS?VTH)2(1??VDS2)2L Iout(W/L)2(1??VDS2)?(W/L)1(1??VDS1) 因此IREFIREF?(复制精度受工艺(宽长比)、沟长调制效应的影响
5.3 有源电流镜
?nCoxW
6.1 密勒效应
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如果上图1的电路可以转换成图2的电路,则
是在所关心的频率
下的小信号增益,通常为简化计算,我们一般用低频增益来代替AV,这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。
6.2 极点与结点的关联
1. CS放大器的简化频率特性分析
如果忽略输出结点与输入结点的相互作用,我们可以利用密勒定理得到CS放大器的两个极点频率:
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2. 共源放大器的频率特性(理论推导)
将分母化为:
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其零点:
总而言之:若题目出到图6.2.1,根据公式给出极点、零点,之后若表达传输函数,则模仿理论推导中增益的表达形式。
7.2 噪声类型 1. 热噪声
① 定义:导体中载流子的随机运动,引起导体两端电压波动
② 电阻的热噪声
Δf=1Hz
③ MOS管沟道区的热噪声
,教材上默认
单个MOS管能产生的最大热噪声电压:
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(也即如果有负载,ro要替换为负载RD)
减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时,应尽量小
2. MOS管的闪烁噪声(1/f噪声)
① 来源:载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放,导致源漏电流有噪声
用与栅极串联的电压源来模拟 ② 表达式:
③ 1/f噪声的转角频率fC
热噪声和1/f噪声曲线的交叉点
7.3 电路中的噪声表示
1. 方法一:输出参考噪声电压 把输入置零,计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声 例:求如图所示共源级电路的总输出噪声电压
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2. 方法二:输入参考噪声电压
在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响
对于上例,
3. 用电压源与电流源共同表示输入参考噪声
如图,
4. 辅助定理
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源漏之间的噪声电流源可以等效为与栅级串联的噪声电压源(对任意的ZS)
条件:均由有限阻抗驱动;低频时
7.4 单级放大器中的噪声 1. 共源级
(已在上边讲过,不赘叙)
例:M1和M2均工作在饱和区。计算:
① 输入参考热噪声电压
② 若负载电容为CL,求总输出热噪声
③ 若输入是振幅为Vm的低频正弦信号,求输出信
噪比
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①
(利用交流小信号模型,ro1与ro2在漏端并联)
②
频带内积分,得总输出热噪声
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③ 输入信号在输出端产生的信号振幅为:
SNR(Signal and Noise Ratio)为功率之比:
2. 共源共栅级
(只考虑热噪声)
M2的噪声对输出噪声的贡献很小,因为图(c)中从M2栅极到输出的增益很小(同带源极负反馈的放大器) 3. 折叠共源共栅电路的热噪声
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(M2为共栅管,其热噪声可忽略不计,即右式第二项可省去)
2
(gm1ro1的由来:易得Vn2=4kT*2/(3gm2),由
知Vn,out,最后该项与Vin,2呈现一个gm1RD
倍的关系)
7.5 差动对中的噪声
输入参考噪声电压是共源级的两倍
7.6 噪声带宽
总噪声:
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噪声带宽为:
8.1 反馈概述 1. 基本概念
X(s):输入信号 Y(s):输出信号
Y(s)/ X(s):闭环传输函数,闭环增益
H(s):前馈网络;开环传输函数,开环增益 G(s):反馈网络;若与频率无关,可用β代替 H(s)× G(s):环路增益 β :反馈系数
2. 反馈系统的组成部分: ① 前馈放大器
② 检测输出的方式 ③ 反馈网络
④ 产生反馈误差的方式 3. 反馈电路的特性
① 降低增益灵敏度
② 改变输入、输出阻抗 ③ 扩展带宽 ④ 抑制非线性
8.2 反馈结构
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例:反馈结构包括哪四种,它们对反馈网络的输入、输出阻抗有何要求,对整个电路的闭环输入、输出阻抗有何影响?
四种反馈的记忆方法:
① 明确命名方式,如,电流-电压反馈指的是输出
端电流反馈,输入端电压反馈(输出、输入的位置千万别搞反了!!!)
② 明确一个“正统原则”,也即:一般来说提到
电压都是串联,提到电流都是并联,然后我们再记住以输入为正统
③ 开始列表格,左边一列四行写下四种反馈:电
压-电压、电流、电压、电压-电流、电流-电流
④ 根据①和②,确定每一种反馈方式的基本电路
图(脑补也行,知道大概即可),比如:电流-电压反馈,输出端电流,输出端非正统,因此电流对应了串联;输入端电压,输入端正统,因此电压对应了串联
⑤ 记住最后一个原则:串联端的反馈会要求对应
端反馈网络低阻抗(理解为避免串联分压)、使对应端闭环阻抗增加(想象电阻串联,阻抗肯定增加咯);并联端的反馈会要求对应端反馈网络高阻抗(理解为避免并联分流)、使对应端闭环阻抗下降。比如:电流-电压反馈,我们已经脑补出它输入端串联、输出端也串联,因此两端闭环阻抗都增加,要求反馈网络两端都低阻抗。
是不是瞬间感觉简单了很多呢QUQ
1. 电压-电压反馈:串联-并联,反馈与输入串联,检测与输出并联
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要求:反馈网络高输入阻抗、低输出阻抗 特性:① 输入端串联,– 输入电阻增大
② 输出端并联,– 输出电阻减小
2. 电流-电压反馈:串联-串联,反馈与输入串联,检测与输出也串联
3. 电压-电流反馈:并联-并联
4. 电流-电流反馈:并联-串联
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8.3 负载的影响
9.1 运算放大器概述
1. 定义:高增益的差分放大器 2. 小信号带宽:单位增益频率fu
3dB频率f3dB与fu的示意如下(均为对数坐标)
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3. 共模输入、输出摆幅(通过以下例子掌握方法) 方法概括:a.结果先用每个管子的VGS或Vov(过驱动电压)/Vdsat表示,最后化为只含有Vov与Vth
b.如果出现Vb等栅电压,优先用Vb来
表征Vin或Vout
c.求下限往下看,求上限往上看
① 单级运放的输入共模电平范围
② 共源共栅运算放大器,如下左图(重点掌握,必要时可只看图当做题目,之后与标准答案对照)
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增益表达式:
输入共模电平范围:
输出共模电平范围:
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③ 双端输出共源共栅运放的输出范围(注意输出要乘以2!!!)
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4. 共源共栅运放设计 设计流程:
已知:VDD、功耗、Av0、输出摆幅 ① 确定各晶体管的过驱动电压 根据设计经验,
放大管过驱动电压:200mV
负载管过驱动电压:200 ~ 500mV 尾电流管过驱动电压:300 ~ 500mV
② 确定各支路的直流电流(功耗分配)
根据总功耗要求,确定各个电流管的电流大小 ③ 根据过驱动电压与支路电流,确定各晶体管宽长比
由简单电流公式确定各晶体管的宽长比
④ 根据增益的要求,确认各晶体管的尺寸(宽长比不变,增益不满足要求时,可增加L)
由已知条件可算得跨导gm,再根据增益,求得输出电阻Rout; 又由于
,可知λ,进而用
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推断L
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⑤ 根据过驱动电压与输出摆幅要求,确定各偏置电压(注意留出余量) 5. 增益提高技术原理
记住上面的图
总结:通过提高输出阻抗提高增益! 6. 运放噪声
10.1 稳定性概述
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1. 负反馈系统振荡条件
2. 增益交点GX:使环路增益的幅值为1的频率点
相位交点PX:使环路增益的相位等于-180°的频率点
10.3 相位裕度
定义:PM =180° +∠βH(ω = GX ) PM取60°最好
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10.4 频率补偿
1. 原理:修改βH的传输函数,使GX< 2. 方法: ① 减小总相移,使相位交点PX外推(减少信号通路中的极点数) ② 降低增益,使增益交点GX内推 对于单端输出套筒式运放: -- -- ① 降低CX、CA、CN等寄生电容 → ωpA=gm5/CA、ωpN等非主极点频率↑ → PX外推。具体措施:高频应用时L取最小尺寸 ② 增加CL负载电容的值 → 主极点频率→ GX内推 3. 极点位置与相位裕度的关系 降低 10.5 两级运放的密勒补偿 -- -- 1. 原理:使两级间的极点向原点移动,使输出极点向离开原点的方向移动 通过使,E点处的极点频率下降;当 CC>>CE时理论可知,也即输出极点A点的极点频率上升 2. 影响:① 传统方法通过增加负载电容,fE(主极点)减小;但此时fE与f(第一非主极点)同一数量级,为了45°A 相位裕度,fu=fA,因此牺牲了带宽; 此处由于极点分裂的性质,fE内推,fA外推,带宽更大 ② 产生右半平面零点,使相位交点PX降低,增益交点GX增加,稳定性下降 11.3 与温度无关的基准 α1=1,根据室温时温度系数之和为零,得到: -- -- 例:在下图电路中计算Vout,并说明在什么条件下Vout温度系数为0 由VBE1-VBE2=I2R3 VBE1=VTln(I1/Is) VBE2=VTln(I2/nIs) I1R1=I2R2 Vout=VBE2+I2(R2+R3)可知, 此时令ln(n)(1+R2/R3)=17.2,即可使Vout温度系数为零 --
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