模拟CMOS集成电路设计精粹ppt 第二章

PSRR（power supply rejective ratio） 解决偏置的一个更好的方法，直流输入V产生的直流输出电压相等。电流被分流到两个晶体管上，增 益由两个管子的尺寸比率或VGS-VT的比率精确定义。另一个优点是将上述一系列相似的电路进行级联 。由于单级增益小，当管子的尺寸比率为25时，提供了增益=5.为了得到更大的增益，必须将更多级 电路的级联，由于所有的源端接地，不再存在体效应。If 应用在高f，只能采用nMOST。缺点：直流 功耗是原来电路的两倍，常用于宽带放大器，如光接收机电路中。
一个晶体管通过并联反馈构成一种二极管，对于双极型晶体管把集电极接到基极上，就形成了一个基 板-发射极二极管。在MOST管中并没有栅-源二极管，但将漏极连接到栅极形成了类似的二极管。将图 中线性区和饱和区分界成的曲线VDS=VGS-VT,向右平移VT后，就得到二极管的电流-电压曲线。∴可以应 用MOST在饱和区的电流-电压特性，曲线非线性强，类似于二极管的特性曲线。可用这个简单的电路 将电流转换成电压。
在增益表达式中，保留输出电阻，能较好地理解同样的输出电阻是怎样来决定输出极点或者带宽的。 在计算GBW时，这个输出电阻被消去，这和单管情况一样。但GBW变成了2倍，∵单管的跨导增大了2倍， ∴这是电流复用的一个简单例子。GBW是最重要的技术指标，它表明在任意f下，可以获得多大的电压 增益。它通过gm取决于电流。
加一个小信号电流到直流电流中，如图所示的小信号等效电路。小信号等效电阻 1 rds=1/gm‖rDS,∵rDS>&似。
m
在高f，这种电压-电流转换器的性能很好，引入了MOST的两个最重要的CGS和CDS，产生了一个非常高 1 的带宽BW。BW取决于 g m ，与上述两个C的和。CGS和CDS尺寸相似，大小相等。因此带宽近似与fT/2.为 了获得大带宽，需要设计高fT的晶体管，∴VGS-VT要大，沟道长度要小。
最后电路中可能增加的一个电容CF，是从输出端到输入端的反馈C，也称密勒C。∵这个C从输出端达 到输入端，它和输入端的源电阻生成了时间常数，但大小被×AV。，与CGS起到了同样的作用。由于输 出信号的幅度是输入信号的AV。倍，因此从输入端看过去，CF同样增大了AV。倍。GBW与晶体管参数不 相关，这正是所期望的∵反馈电路增益和放大器的参数不再相关，只取决于外部反馈元件的值。 带宽由输入端的源电阻生成的时间常数决定。但大小×AV。，与CGS起同样的作用。Miller效应从输入 端看过去的阻抗起了作用，对输出端的阻抗没有起作用。
只要L和C串联损耗阻抗为0，L和C就不产生noise，在无源器件中，只有电阻产生额外的noise。电路 中加入了L就会使得gm和输出电阻都与f有关。如果不含串联的R or L，输入阻抗ZinL是容性的，现在 则变成了纯阻性的，其值为gmLS/CGS,或LSω T，原因是输入CGS被电感抵消了。这样输入电阻可以很容 易地被设计成50 ，从而与50传输线（同轴电缆，天线等）相匹配。这种方法可设计出一个超高f低 noise放大器。
采用两种相同的电流偏置，但右边电路（2）中M2和M1并联，哪一种更好呢？（2）放大器中，输出电 阻较大，∴增益相对较高，相应的带宽窄一些。可用另一个晶体管构成电流源，这个晶体管是PMOST 器件，它的栅极与参考电压相连，产生直流偏置电流。还存在下面两种电路形式。
第一种放大器有一个恒定的直流偏置电流，∵作为电流源的M2的栅极与一个直流参考电压相连。低f 情况下，负载CL不起作用， 此时，M1和M2的直流电流不随信号电平而变化。被定义为A类放大器。第 二种，连接并同时驱动两个管的栅极，结果完全不同。根据所输入信号电平的不同，流过两个管的电 流变化非常大。这就是AB类放大器。实际上，在数字输入信号和模拟输入信号中都有可能采用第二种 放大器。
由于只有输出端存在一个大C，易确定BW和GBW。if负载C较小，晶体管电容就开始起作用。Eg. 源内 阻RS比较大，那么输入电容2CGS将产生另外的时间常数2RSCGS，产生了另一个极点，称为非主极点，if RS非常大，非主极点逐渐起主要作用，if RSCGSt乘积比rDSCL大，非主极点就高得更加重要。可从小信 号等效电路中算得。这种情况下，GBW取决于RSCGS的乘积，与单晶体管一样，GBW取决于fT和电阻比率。
当输入信号变高时（从0→1）输出会变低。反之亦然，在两种情况下都没有电流流过，这就是数字反 相器最主要优点。只在转换期间消耗功率。现在，成千上万个数字反相器可以集成在同一硅片上，并 不消耗太多的功耗。作为模拟放大器使用时，设置输入偏置电压使输出电压为电源电压VDD和地之间 的一个适当的值。这样一个小信号输入电压被放大（或反相）到了输出端。
实现这样一种串联反馈电阻的一个简单方法是采用一个nMOST管，让其工作在线性区。但只有当VDS2很 小，在100mV～200mV之间才有可能。两个晶体管的VGS也不同。 MOST M1工作在饱和区，包含一个参数 K‘，而M2是作为一个电阻使用，包含参数KP，它们的参数n不同，n本身也是一个不确定的值
实际上，Miller C在传输性能上产生了一个零点。这样一个单个电路可以产生与两个极点同样的相移。 而在通常情况下，每个C只能产生一个极点。
单管放大器中通常应用一个RS实现串联反馈。有RS的效应-环路增益（1+gmRS），它影响了电路的所有 其它参数。环路增益↓gm，if RS较大，跨导相当于降低了1/RS，跨导gm和电流无关。一个主要效应是 输出阻抗急剧↑，其增大的比例系数是环路增益。输出阻抗↑→放大器增益↑。反馈电路使输入C↓， RS↑→输入电容↓。If 用一个直流电流源代替RS ，那么输入C可忽略。这就构成了后面源级跟随器 （source followers）。RS的主要问题是它们的noise，∴在低noise RF电路中常用L代替RS.
在高f下，由于寄生C，电压增益↓,负载C最大（它包括了所有的与下一级的互联C和反馈C.低f增益AV 和前面一样。在增益开始↓的那一点f称为带宽BW（或-3dBf）。它只取决于RC时间常数。
为了更好地研究BW和GBW与低f增益的关系，引入波特图，显然GBW=AVBW,在BW f点处相移-45°，而在 高f，相移增加到-90
2
点1和7没有电流，此时输出为“1”或“0”。在中间位置电流达到最大为IDSA.模拟放大器的偏置设在此 点。不易精确计算。只有在特殊点1，4，7处。用SPICE可精确计算。下面只研究在点4的情况。
先确定精确的偏置电压。当输入电压是，一般要求输出电压是电源电压的一半，并不是必须的。如果 1 是多级电路相级联。这是个较好的方法。此时两管有相同的VGS=2 VDD ，有相同的电流。这种情况下，在 ‘ ‘ 它们的值与它们 W 的K‘值成反比时，才可能存在。∵K n =2K p ，∴pMOST的W/L值=2nMOST的W/L。当 1 L VGS=2 VDD 时 晶体管I的表达式。
放大器采用晶体管作为负载时，增益非常低，约在3～5倍左右，增益大小也与电源电压相关。但并不 总是得到合适的电阻值。在数字CMOS工艺中，不能提供大阻值的电阻。因此许多电路中都采用MOST作 1 为负载，如该 采用nMOST连接成二极管，其小信号电阻为 。最后增益是跨导的比率， 值很小，但 g m2 十分精确，∵它主要由晶体管尺寸的比率决定。电路的主要优点是没有用PMOST管，也因为其输出阻 抗十分小，放大器可获得高的带宽。缺点是直流输出电压=电源电压-VGS2.由于M2的体效应，这个直流 输出电压不十分确定，下一级偏置会受到影响。
深亚微米CMOS器件提供的电压增益越来越小。但if L相对大时，如取2.5 （当VE=4V/ ）,则VEL≈10V， m 当VGS-VT=0.2V产生的AV≈100.对于最小的90nm沟道长度,∵VE变化不大，∴AV=3.6，∴需用所有的电 路技巧去提高增益，共源共栅结构有可能使增益↑，if AV=100，在一般运放中，需获得106的电压增益 需要三级放大器，而if采用双极型只需二级放大器。
If 没有负载C,但有一个大的输入CGS,带宽由输入决定。用于许多传感器和生物医学预放大器，它们 的源阻抗非常大（>1M ）。此时，带宽BW有输入端的RC决定。但GBW不象BW那么简单，晶体管的许多 参数将会起到重要作用，其中一些参数与高f参数fT相关。要获得高f性能，增大fT往往不够，需将 fTrDS进行转化，这是工艺技术的挑战。如GBW所示，它与沟道长度不相关，但W和VGS-VT必须取小。
欲建立晶体管的电流转移曲线，两个晶体管直流电流相同。直流电流不流过C。在低f下，AC电流也不 能流过C。VDS之和等于VDD（VDD=VDS1+VDS2），VGS之和也等于VDD(VDD=VGS1+VGS2)。输入电压较低时，VGSn较 低，VGSP则较高。nMOST截止，pMOST导通。它们的IDS-VDS曲线的交点是1。此时pMOST作为一个小电阻 Vout=VDD。随着输入电压↑，交点从1→2等一直到点7，pMOST截止，nMOST的VGS很大，但VDS很小。 nMOST处于线性区，相当于一个小电阻，这时Vout=0，管子的I=0.当输入电压等于电源电压一半，晶体 管流过电流，输出电压= 1 VDD ，在点4。这是该电路作为模拟放大器应用时的偏置电压。
所有analog circuits都是由基本单元构成，对这些基本单元进行仔细研究是分析复杂电路的基础。
所有的analog circuits中，OP是最通用的电路模块。它是由一个差分输入部分和单端output构成。OP 的增益非常大，通常用于一个反馈环路中。该电路第一级是一个差分对管，load是一个电流镜。第二 级是一个单管放大器，负载是一个直流电流源，是电流镜的一部分。
单个晶体管可以构成的单元模块数量是很少。一个单管可被用作一个放大器，源极跟随器或者共源共 栅管。也可用一个共源共栅管做增益提升（gain boosting），只要将共源共栅管与一个放大器组合即 可。一个MOST管也可做成一个开关。用两个晶体管可构成另外两种组态，分别是差分对和电流镜电 路，将它们进行组合就构成了一个全差分的四晶体管的电压和电流放大器。这种差分的电流放大器可 以做到四个input，其电路形式非常多样。