1、模集復(fù)習(xí)筆記By瀟然2021.6.202.2 I/V特性1 .I-V特性飽和區(qū)：A=；,嚓-嗑F1117溝長調(diào)制；/也=不房加7噎-qjl限上JLjwr】一線性區(qū)上ID=m-嚷-叫7-5喘JL-JI/深線性區(qū)：,口=4；彳喂-以心2_y2 .跨導(dǎo)定義：Vgs對Ids的限制水平IDS對Vgs變化的靈敏度飽和區(qū)跨導(dǎo)gm表達(dá)式：2.線性電阻表達(dá)式必.&7嚷-匕力L2.3 二級效應(yīng)J2q&N'W1 .體效應(yīng)Vth=Vth+/口2f+IA/?J2I"-1/2丫為體效應(yīng)系數(shù),典型值0.3-0.4V2.溝道長度調(diào)制效應(yīng)2.4 MOS器件模型定義：信號相對于偏置工作點而言比擬

2、小、不會顯著影響偏置工作點時用該模型簡化計算由gmgmhro等構(gòu)成低頻小信號模型,高頻時還需加上CGs等寄生電容、寄生電阻接觸孔電阻、導(dǎo)電層電阻等1. MOS小信號模型溝長調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻dVds_11IIdll冽D/dVDSpnCox2體效應(yīng)跨導(dǎo)-grnzSbJilnCox_.=(VGSVTH)d限2Ly(-cVth"IVbsJ2.完整的MOSFER、信號模型2.5 放大器的性能參數(shù)AIC設(shè)計的八邊形法那么SpeMpowe1Dissipationinut/OLrtput-產(chǎn)ImpedanceGainSupplyVoMaqaVoltageSwings分別為：速度、功耗、增益、噪

3、聲、線性度、電壓擺幅、電源電壓、輸入輸出阻抗參數(shù)之間互相制約,設(shè)計時需要在這些參數(shù)間折衷3.2共源級1 .電阻負(fù)載理想情況:A=SmD考慮溝長調(diào)制效應(yīng):2 .二極管接法的MO轍負(fù)載NMOST極管負(fù)載；VI14(gm+gnib)Vx-lxfo存在體效應(yīng)時的阻抗:gmbgb+g)54=_gnl忽略Y隨Vout的變化時,增益只于W/L有關(guān),與偏置電流、電壓無關(guān),線性度很1即11g位+8岫2g成1+好.PMOS管負(fù)載缺點：a.大增益需要極大的器件尺寸b.輸出擺幅小提升輸出擺幅的方法：加電流源3.電流源做負(fù)載4.深線性區(qū)MO密做負(fù)載叫；(VDDVb-|VthiI)LJr5.4=一&£w

4、2帶源極負(fù)反應(yīng)增益與跨導(dǎo)=gn,Rp1+©鼠隨著RS增大,Gm和增益都變?yōu)間m的弱函數(shù),提升了線性度；但以犧牲增益為代價.另外,可以通過如下方法簡便計算:4_-耳Rd*'+g“R'Igm+RAv="在漏極節(jié)點看到的電阻/“在源極通路上看到的電阻輸出電阻民w二U+(8陽+&附)&sr.+Rq=1+(gm+gmbVoR5+"3.3源跟隨器共漏I+(&M+R：2.負(fù)載為電流源AgzRl+gm+&Q&1Sm+%+自而gni+gmbIR3.考慮ro和R后的增益注意分析過程kilk21rlStubIIJII加II凡+4.

5、負(fù)載為理想電流源時輸出電阻Ro3.4共柵級1.不考慮溝長調(diào)制效應(yīng)時增益4=g,“i+即體效應(yīng)導(dǎo)致增益增加2.輸入阻抗Rd1+旦押+&汕2g/g泌%gm+g泌R=0時,共柵級輸入阻抗相當(dāng)于源跟隨器輸出阻抗凡=1/k.+/7,故在Rd較小時,輸入阻抗小3.輸出阻抗1二%r=口+身m+g汕玩&+G計算結(jié)果同帶源極負(fù)反應(yīng)的共源級的Rout,故輸出阻抗很大3.5共源共柵級1 .增益不考慮溝長調(diào)制X/l=oRy-6ml0注意此處為約等于且結(jié)果為負(fù),具體增益參照P71,掌握方法即可2 .輸出阻抗RW二11+gm2+gmb202：=01+M2管將M1管的輸出阻抗提升為原來的gm2+gmb2r0

6、2倍；有利于實現(xiàn)高增益3.其他性質(zhì)：作理想電流源,代價：輸出擺幅減小十DD/四廣9ul1rbi-ltMa匕nf%M2CascodeCurrentSource屏蔽特性：Vout端有AVout的電壓跳變時,表現(xiàn)在X點的電壓跳變很小,屏蔽了輸出節(jié)點對輸入管的影響4.折疊共源共柵5.總結(jié):口優(yōu)點.輸出阻抗高.高增益 屏蔽特性好口缺乏 :輸出擺幅受一定影響年折疊共源共柵級直流功耗大口應(yīng)用 :*電流源 :共源共柵OPA :,折疊共源共柵OPA等4.2根本差動對1.大信號差分特性上式假定了MlM2均工作在飽和區(qū),然鵝當(dāng)匕口之一2%見時,已有個MOS管械止V*療L£猶Y2.大信號共模特性共模輸入電平

7、必須滿足：展十%,3"%皿工min%-扁.?十%,%3.小信號差分特性因此,當(dāng)AVin為下值時跨導(dǎo)降為0:其表征放大器所允許的最大輸入差分信號Wnl1AVin用疊加法、半電路法均可求全差分時的差模增益,結(jié)論為：單邊輸入時差模增益為-gmR差分輸入時差模增益為-gmR單邊輸入時單端輸出增益為-gmR/24 .小信號共模特性假設(shè)電路完全對稱,那么流過M1和M2管的直流電流總為Iss/2,不隨Vin,CM的變化而變化,因此,VX和Vy不變；非理想性包括：M1和M2之間有失配W/L、Vth等,的1和氐2之間有失配阻值不完全相等等；尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無窮大尾電流內(nèi)阻非無窮大時假設(shè)電

8、路完全對稱,那么Vp會隨Vin,CM的變化而變化,導(dǎo)致尾電流變化,Voutl和Vout2會隨之變化,但Vout1和Vout2總相等,故可短接,將M1、M2并聯(lián)處理注意此時跨導(dǎo)為2gm>共模增益為:"(2g,)+R.輸入管失配對共模響應(yīng)的影響共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：4CM-DM(gml+gm2)*S5+1g.25 .CMRR-共模抑制比Common-ModeRejectionRatio,用來綜合反映差分放大器的性能CMRR5.1 根本電流鏡原理：利用輸出電流與參考電流的過驅(qū)動電壓相同LC“W2-2小曝一“.")1outnC°x2(Vgs-VTh)2(1Vds2)

9、1.比一(W/L)2(1Vds2)因此1REF(W/L)1(1VDS1)復(fù)制精度受工藝(寬長比)、溝長調(diào)制效應(yīng)的影響5.3有源電流鏡總結(jié)口電流鏡做負(fù)載的差分放大器.將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出寺差分增益.共模增益會影響差分放大器性能；高頻時,存在失配時更嚴(yán)重6.1 密勒效應(yīng)如果上圖1的電路可以轉(zhuǎn)換成圖2的電路,那么(1A,)是在所關(guān)心的頻率下的小信式中|AV二號增益,通常為簡化計算,我們一般用低頻增益來代替AV,這樣足可以使我們深入理解電路的頻率特性.密勒定理不適用的情況結(jié)點X與Y之間只有一條信號通路,密勒定理不成立.此時兩用密勒定理得到的輸入阻抗是對的,但增益是錯的.6.2 極點與結(jié)點的關(guān)聯(lián)1

10、.CS放大器的簡化頻率特性分析如果忽略輸出結(jié)點與輸入結(jié)點的相互作用,我們可以利用密勒定理得到CS放大器的兩個極點頻率:24(Cgd+Cdb)Rd271KsCGS+(l+gmRD)CGDi2 .共源放大器的頻率特性理論推導(dǎo)X結(jié)點的KCL方程nut結(jié)點的KCL方程CG041JVxVk-+vxcGSs+(v-Vout)CG)S=0s(V1)QdS+gJx+(白+CdM=0KDv._V.s?RR(CcsCm+Cg±C5H""gjRp+C即C的)十乖1+g犀Rp)Cw+R5c備+Rp(Cro+C明(+)將分母化為:苴零占/、?八、.注意:末尾常數(shù)為第一角頻率何就是傳輸函數(shù)中

11、關(guān)于s的一次項系數(shù)的倒數(shù),加叫僦是s項系數(shù)的倒數(shù).+gm2冗CGD總而言之：假設(shè)題目出到圖6.2.1,根據(jù)公式給出極點、零點,之后假設(shè)表達(dá)傳輸函數(shù),那么模仿理論推導(dǎo)中增益的表達(dá)形式.7.2噪聲類型1.熱噪聲定義：導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運(yùn)動,引起導(dǎo)體兩端電壓波動電阻的熱噪聲也即如果有負(fù)載ac©i=4"廣3州單個MOST能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓:負(fù)載R減少gm可降低噪聲.當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時,應(yīng)盡量小2.MOS管的閃爍噪聲1/f噪聲1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率fc熱噪聲和1/f噪聲曲線的交叉點可=4kTR3)£=耳(")K,教材上默認(rèn)Af=1HzMOS管溝道區(qū)的熱噪

12、聲ro要替換為來源：載流子在柵和襯底界面處的俘獲與釋放,導(dǎo)致源漏電流有噪聲用與柵極串聯(lián)的電壓源來模擬表達(dá)式:Hfr&lslorflN匕2=4kKCWL8mkT(j.'l對長溝道器件7.3電路中的噪聲表示1 .方法一：輸出參考噪聲電壓把輸入置零,計算電路中各噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲例：求如下圖共源級電路的總輸出噪聲電壓V2=flout2KI、4kf14Aq忌十,7且十寶"J2 .方法二：輸入?yún)⒖荚肼曤妷涸谳斎攵擞靡粋€信號源來代表所有噪聲源的影響4kf)I-I1/2_n.our_n.out3丁=訴行k,匕m=4左二g十皿7黑十ox3CrvLi2K14kT二討法+E7+羔

13、3.用電壓源與電流源共同表示輸入?yún)⒖荚肼暼鐖D,匕山=以點或舄=*8皿+管隔4.輔助定理源漏之間的噪聲電流源可以等效為與柵級串聯(lián)的噪聲電壓源對任意的ZS條件：均由有限阻抗驅(qū)動；低頻時*r*%曰3口7.4單級放大器中的噪聲1.共源級已在上邊講過,不贅敘例：M1和M2均工作在飽和區(qū).計算：輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷杭僭O(shè)負(fù)載電容為CL,求總輸出熱噪聲假設(shè)輸入是振幅為Vm的低頻正弦信號,求輸出信噪比22喙皿=4k7gni1+gml<911|2用交流小信號模型,ro1與ro2在漏端并聯(lián)匕2麗:Ja擊D頻帶內(nèi)積分,得總輸出熱噪聲輸入信號在輸出端產(chǎn)生的信號振幅為:gmlrOlrO2VkSNRSignalandN

14、oiseRatio為功率之比:SNR加2,g加+gm4加力k7二3cLgJ%kb2廠4*7gml+Sml2.共源共柵級-T-*004V%STLlI&T；*卜K-j/jLviJ®=4k7111g巾凡J只考慮熱噪聲c中從M2柵極到輸出的增益很小同帶M1Vi-GHciB2|M2的噪聲對輸出噪聲的奉獻(xiàn)很小,由于圖源極負(fù)反應(yīng)的放大器3.折疊共源共柵電路的熱噪聲TtIfdvB2isnegligible:,eq12(9miroMX9m3跖1產(chǎn)Smallgm3:(W/L)3I(VGS-VT)3R0T%十一gm2知Vn,out,最后M2為共柵管,其熱噪聲可忽略不計,即右式第二項可省去2,gml

15、rol的由來：易得Vn2=4kT*2/3gm2,由該項與Vin,2呈現(xiàn)一個gm1R倍的關(guān)系7.5差動對中的噪聲2e一L8kTgMb+RGI/-_m也_=xm3+V輸入?yún)⒖荚肼曤妷菏枪苍醇壍膬杀?.6噪聲帶寬8.1反應(yīng)概述1.根本概念y(5)=H(5)X(s)-G(s)y(5)y(s)h(s)X(s)1+G(s)H(s)X(s):輸入信號Y(s):輸出信號Y(s)/X(s):閉環(huán)傳輸函數(shù),閉環(huán)增益H(s):前饋網(wǎng)絡(luò)；開環(huán)傳輸函數(shù),開環(huán)增益G(s):反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；假設(shè)與頻率無關(guān),可用3代替H(s)xG(s):環(huán)路增益3 :反應(yīng)系數(shù)4 .反應(yīng)系統(tǒng)的組成局部：前饋放大器檢測輸出的方式反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反應(yīng)誤差的

16、方式5 .反應(yīng)電路的特性降低增益靈敏度改變輸入、輸出阻抗擴(kuò)展帶寬抑制非線性8.2反應(yīng)結(jié)構(gòu)例：反應(yīng)結(jié)構(gòu)包括哪四種,它們對反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出阻抗有何要求,對整個電路的閉環(huán)輸入、輸出阻抗有何影響四種反應(yīng)的記憶方法：明確命名方式,如,電流-電壓反應(yīng)指的是輸出端電流反應(yīng),輸入端電壓反應(yīng)輸出、輸入的位置千萬別搞反了！明確一個“正統(tǒng)原那么,也即：一般來說提到電壓都是串聯(lián),提到電流都是并聯(lián),然后我們再記住以輸入為正統(tǒng)開始列表格,左邊一列四行寫下四種反應(yīng)：電壓-電壓、電流、電壓、電壓-電流、電流-電流根據(jù)和,確定每一種反應(yīng)方式的根本電路圖腦補(bǔ)也行,知道大概即可,比方：電流-電壓反應(yīng),輸出端電流,輸出端非正統(tǒng),

17、因此電流對應(yīng)了串聯(lián)；輸入端電壓,輸入端正統(tǒng),因此電壓對應(yīng)了串聯(lián)記住最后一個原那么：串聯(lián)端的反應(yīng)會要求對應(yīng)端反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)低阻抗理解為防止串聯(lián)分壓、使對應(yīng)端閉環(huán)阻抗增加想象電阻串聯(lián),阻抗肯定增加咯；并聯(lián)端的反應(yīng)會要求對應(yīng)端反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)高阻抗理解為防止并聯(lián)分流、使對應(yīng)端閉環(huán)阻抗下降.比方：電流-電壓反應(yīng),我們已經(jīng)腦補(bǔ)出它輸入端串聯(lián)、輸出端也串聯(lián),因此兩端閉環(huán)阻抗都增加,要求反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)兩端都低阻抗.是不是瞬間感覺簡單了很多呢QUQ1.電壓-電壓反應(yīng)：串聯(lián)-并聯(lián),反應(yīng)與輸入串聯(lián),檢測與輸出并聯(lián)Fctrd-ForwaidnetworkLowU要求：反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)高輸入阻抗、低輸出阻抗特性：輸入端串聯(lián),-輸入電阻增大%(1

18、+46)4輸出端并聯(lián),輸出電阻減小FeedforwardAmplifieri+4萬2.電流-電壓反應(yīng)：串聯(lián)-串聯(lián),反應(yīng)與輸入串聯(lián),檢測與輸出也串聯(lián)4.電流-電流反應(yīng)：并聯(lián)-串聯(lián)41+4.夕Low斤心址RfLowflin3.電壓-電流反應(yīng)：并聯(lián)-并聯(lián)High月m,|3FaedtorwardAmplifierFeedforwardAmplifierFeedbackNetworkNetworkFeedbackNetwork8.3負(fù)載的影響選擇二端網(wǎng)絡(luò)模型表述反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)類型描述對應(yīng)模型電壓電壓反應(yīng)電流電壓反應(yīng)lrV,電壓電流反應(yīng)V2=X21Vi+X2?l2G模型電流電流反應(yīng)IfZ模型Y模型H模型

19、9.1運(yùn)算放大器概述1.定義：高增益的差分放大器2.小信號帶寬：單位增益頻率fu3dB頻率f3dB與fu的示意如下均為對數(shù)坐標(biāo)f(logaxis)3.共模輸入、輸出擺幅通過以下例子掌握方法方法概括：a.結(jié)果先用每個管子的Vgs或Vov過驅(qū)動電壓/Vdsat表示,最后化為只含有Vov與Vthb.如果出現(xiàn)Vb等柵電壓,優(yōu)先用Vb來表征Vin或Voutc.求下限往下看,求上限往上看單級運(yùn)放的輸入共模電平范圍保證所有晶體管均處于飽和區(qū),輸入卜限：V=V+Vvinnun%CSSVGSJ-m+V111l-Vdsail輸入上限：V3Vdd-|V疝十Vthl設(shè)所有晶體管的V&相等,那么“皿而'

20、DE>T'3卜引dsjitl共源共柵運(yùn)算放大器,如下左圖重點掌握,必要時可只看圖當(dāng)做題目,之后與標(biāo)準(zhǔn)答案對照電(hi增益表達(dá)式:輸入共模電平范圍: 保證所有晶體管均處于飽和區(qū) 輸入卜*限:=Vkt+V山血 輸入上限： 設(shè)所有晶體管的V.T相等,那么VinjnaOurnnnMrm3Vgt Vb>|Vth4|+3V4sat"Vb越大,輸入共模電平擺幅越大輸出共模電平范圍:一VDQAhthlEMa 保證所有晶體管均處于飽和區(qū),設(shè)所行晶體管的|Vd以相等 輸出下限：V+=V-+:,oiit.giiiribGS4chat4 輸出上限:vC,ddTV0s7H公#乂4&

21、.二V而凡時叫 輸出擺幅V由g/V曲.JYgTVM卜Vb-NMQVdM %越小,輸出擺幅越大 輸出擺幅的最大值為VDD'lVih7l'5Vd雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍注意輸出要乘以2!保證所有晶體管均處于飽和區(qū),設(shè)所有晶體笆的尸&,輸出下限：outJinn-b1GS4+'dsatJ輸出上限：vM-vb：+|vGS6i-|vdiat6|.+Vvb2*tlui愉出擺幅2(VoliUiiaK-olit.uuji尸2(Vb3+Vd5at-Vbl+Vlb4),Vk越大,輸出撰幅越大%越小,輸出擺幅越大輸出撰幅的最大便為2(VDD-5Vdsa()4.共源共柵運(yùn)放設(shè)計設(shè)計

22、流程：VDD功耗、Av0、輸出擺幅 確定各晶體管的過驅(qū)動電壓根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,放大管過驅(qū)動電壓：200mV負(fù)載管過驅(qū)動電壓：200500mV尾電流管過驅(qū)動電壓：300500mV 確定各支路的直流電流(功耗分配)根據(jù)總功耗要求,確定各個電流管的電流大小根據(jù)過驅(qū)動電壓與支路電流,確定各晶體管寬長比由簡單電流公式j(luò)v2L二'L確定各晶體管的寬長比根據(jù)增益的要求,確認(rèn)各晶體管的尺寸(寬長比不變,增益不滿足要求時,可增加L)由條件可算得跨導(dǎo)gm再根據(jù)增益,求得輸出電阻Rout；,_Li|0/J九一又由于.,可知入,進(jìn)而用工推斷L根據(jù)過驅(qū)動電壓與輸出擺幅要求,確定各偏置電壓(注意留出余量)5.增益提升

23、技術(shù)原理左圖:右胤vv-V(1I、/通過提升輸出阻抗提升增益！31十+(1+4-=V；i%)公Vf1I);於由二廣=%一+一+(1+4)居心%1/G2/與4心也道記住上面的圖總結(jié)：通過提升輸出阻抗提升增益!6.運(yùn)放噪聲共源共柵運(yùn)放的噪聲假設(shè)考慮1/颼聲=而彳=山(【田"gQJ6Km10.1穩(wěn)定性概述1.負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)振蕩條件X+pHs加($)=-1,系統(tǒng)振蕩砌/".期$助判據(jù):如果|陽.)器1并且N&TGM二-180,那么振蕩2.增益交點GX使環(huán)路增益的幅值為1的頻率點10.3相位裕度定義：PM=180°+/3H(co=GX)PMB60°最好2.方法：減小總相移,使相位交點PX外推減少信號通路中的極點數(shù)降低增益,