模拟CMOS集成电路设计复习提纲PPT
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CMOS模拟集成电路设计_ch3单级放大器
• 小信号等效分析
辅助定理：在线性电路中，电压增益等于-GmRout，其中Gm表示输出 与地短接时电路的跨导；Rout表示当输入电压为零时电路的输出电阻。
线性电路的输出端口可用诺顿定理来等效，可得，输出电压为-IoutRout， 定义Gm=Iout/Vin，可得Vout=-GmVinRout。 诺顿定理：线性有源单口网络等效 电流源的恒流源等于有源单口网络 的短路电流，内阻等于网络中所有 独立源不激励时的端口电阻。
33
2019/2/9
直流或低频下！
小信号增益
电阻负载
小结
输出电阻
( RD || rO )
g m2 1 g mb 2
输入电阻
摆幅
线性度
g m Rout
gm g m 2 g mb 2
∞ ∞ ∞
－
小
－
较好
共 源 级
二极管 负载
忽略λ
g m RD 1 g m Rs
忽略λ
{[1 ( g m g mb ) Rs ]rO Rs } || RD
AV 2 I D (1 1 ) I D ID
12 2019/2/9
共源级放大器
• 1.4 带源级负反馈的共源级放大器
– 小信号直接分析方法
Vin V1 gmV1 Rs Vout / RD gmV1 0 Vout gm RD RD Av Vin 1 gm RS 1 / gm RS
1 g mb
带源级 负反馈
－
小
好
差
忽略λγ
gm 1 g m g mb
共漏极
（电流源负载）
gm
忽略λ
忽略λ
{[1 ( g m g mb )rO ]Rs rO } || RD
CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件
如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅 与衬底间电容增大。
对于大的负偏置，则电容接近于CGC。
PPT课件
24
1.2 MOS管的极间电容(1)
G
S
C1
C2 C4
C3
Cbs
反型层 耗尽层
d
L
d
p型衬底
D
Cbd
PPT课件
25
1.2 MOS管的极间电容(2)
栅与沟道之间的栅氧电容：
C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；
CMOS模拟集成电路分析与设计
主讲教师：吴建辉 Tel：83795677
E-mail：wjh@
PPT课件
1
教材及参考书
教材：
吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设 计”(第二版)，电子工业出版社。
参考书：
Razavi B: Design of analog CMOS integrated circuits
11
1、有源器件
主要内容：
1.1 几何结构与工作原理 1.2 极间电容 1.3 电学特性与主要的二次效应 1.4 低频及高频小信号等效模型 1.5 有源电阻
PPT课件
12
1.1 MOS管几何结构与工作原理(1)
B p+
G
tox
S
D
G D
n+
n+
p+
n阱 p型衬底
(a)
S
B
p+
n+
W
多晶
d p+接触孔
PPT课件
3
模拟电路与模拟集成电路
分立元件音频放大电路
晶体管数 匹配性 电阻值 电容值 寄生效应影响
CMOS模拟集成电路设总复习
I VT ln(n) R1
Vout
mR2 R1
VT
ln(n) VEB3
Vout 2 ln(n) k VEB3 2m ln(n) 8.67 102 2.2 0
T
q T
只要满足右式的所有m，n均可 mln(n) 12.7
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
0.7
0.91V
M1饱和：VDS1 VGS1 VT
Vb VGS2 VGS1 VT
Vb VGS1 VGS2 VT
2I REF
K ' (W / L)2
2I REF K '(W / L)1
VT
2 0.1103
2 0.1103
110106 40 0.7 110106 40
1.11V
例题
L
COX
OX
tOX
K': 跨导参数
K ' COX 0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）：
iD
K'
W 2L
(vGS
VT
)2
线性区电流（以NMOS为例）：
iD
K'W L
[(vGS
VT
)
( vDS 2
)]vDS
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
小信号模型
MOS管的小信号模型
输出电阻
VSG3 VDD VICmax VTN 2.5 2 0.7 1.2
VSG3
K 'P
2ID (W /
L)3
| VTP
| 1.2
模拟CMOS集成电路设计复习提纲(课堂PPT)
Summary # 20
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅级的输出阻抗（3）
Rup gm3ro3ro4
Rup
Rdown gm2ro2ro1
Rdown
Rout Rup || Rdown
Av0 g R m1 out
gm1 gm2ro2ro1 || gm3ro3ro4
Summary # 21
gm1 ro2 || ro1
Summary # 13
西电微电子：模拟集成电路设计
二极管接法MOSFET负载的共源级
Rup Rdown
Rup
1 gm2
Rdown ro1
Rout
Rup
|| Rdown
1 gm2
|| ro1
ro1 1 gm2ro1
1 gm2
(
1 gm2
ro1 )
Av0
Vout Vin
Summary #2
西电微电子：模拟集成电路设计 华大微电子：模拟集成电路设计
MOSFET的I-V特性
饱和区：I D
1 2
Cox
W L
VGS
Vth 2
沟长调制：I D
1 2
Cox
W L
VGS
Vth
21
VDS
线性区：I D
Cox
W L
VGS
Vth VDS
1 2
VD2S
深线性区：I D
Rout Rup || Rdown (RD || ro )
Vout Vin
gmRout
gm (RD
|| ro )
gmRD (RD ro )
Summary # 12
西电微电子：模拟集成电路设计
模拟CMOS集成电路设计课件
医学图像处理、音频处理
PPT学习交流
6
5
2、集成电路工艺
速度高， 功耗大， 集成度低
最早MOS工 艺，速度低
超高速、高频 IC
光电集成器件
主流工艺，集 成度高、功耗 低、速度快、 抗干扰性强
PPT学习交流
7
6
CMOS工艺
B
S
G
D
B
S
G
D
n+
n+
p+
p+
p 型衬底
n 型阱
n 阱CMOS工艺
B
S
G
D
20
沿沟道x点处的电荷密度为： 沟道x点的电势，以源级为参考点
电流为：
载流子为电子，电荷为负，电荷运动方向与电流 方向相反
其中： 得到：
v＝μE μ为载流子的迁移率，E为电场 E＝－dV(x）/dx
PPT学习交流
22
21
在整个沟道长度内积分得：
由于ID沿沟道方向是常数，因此：
电流随VGS的 增大而增加
漏极的反型层消失，出现由耗尽层
构成的夹断区。
➢电子沿沟道从源极向漏极运动，达
到夹断区边缘时，受夹断区强电场
的作用，很快漂移到漏极。 B
➢VDS的变化主要体现在夹断区上，
p+
对沟道长度和沟道内的场强影响不
大，因此可以近似认为沟道电流保
p-
持恒定。
VDS
-+
-+
VGS
G
S
D
n+
n+
夹断区
PPT学习交流
20
19
2、NMOS 管IV特性推导与分析
PPT学习交流
6
5
2、集成电路工艺
速度高， 功耗大， 集成度低
最早MOS工 艺，速度低
超高速、高频 IC
光电集成器件
主流工艺，集 成度高、功耗 低、速度快、 抗干扰性强
PPT学习交流
7
6
CMOS工艺
B
S
G
D
B
S
G
D
n+
n+
p+
p+
p 型衬底
n 型阱
n 阱CMOS工艺
B
S
G
D
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沿沟道x点处的电荷密度为： 沟道x点的电势，以源级为参考点
电流为：
载流子为电子，电荷为负，电荷运动方向与电流 方向相反
其中： 得到：
v＝μE μ为载流子的迁移率，E为电场 E＝－dV(x）/dx
PPT学习交流
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21
在整个沟道长度内积分得：
由于ID沿沟道方向是常数，因此：
电流随VGS的 增大而增加
漏极的反型层消失，出现由耗尽层
构成的夹断区。
➢电子沿沟道从源极向漏极运动，达
到夹断区边缘时，受夹断区强电场
的作用，很快漂移到漏极。 B
➢VDS的变化主要体现在夹断区上，
p+
对沟道长度和沟道内的场强影响不
大，因此可以近似认为沟道电流保
p-
持恒定。
VDS
-+
-+
VGS
G
S
D
n+
n+
夹断区
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2、NMOS 管IV特性推导与分析
模拟CMOS集成电路设计精粹ppt1
低电流时MOST工作在弱反型区说明沟道电导率很小。实际上此时沟道已经不存在了。 流过沟道的漂移电流，现在变成了扩散电流，这时的模型变得截然不同。模型的表达 式是指数特性，而不是平方率特性。更重要的是，要知道在什么区域弱反型区逐渐代 替强反型区。实际上这个区域很宽，也叫中等-反型区。对于设计者来说，知道两个 区域转变时VGS-VT的值，特别是电流的大小很重要。
通常需要用多大的VGS值？在高端，不让器件进入大电流区或速度饱和区，要远离速度饱和区的 转变点。后面将计算该转变点VGS-VT的近似值，当前的工艺大约为0.5V。在低电流端，也不想使用弱 反型区。∵该区域中电流和跨导的绝对值变得特别小，这时noise很大，另外电路速度也很低。在某 种情况下可能允许低信噪比和低速度，如生物学应用和生医探头。在其它大部分应用中，需要更好的 信噪比，更高的速度，这时希望器件工作在接近弱反型区的地方，但不是弱反型区里面，典型值VGSVT为0.15～0.2V。下面给出这样设计的原因。
先来研究一下线性区。 在很多应用场合，MOST只是用于简单的开关。VDS很小，MOST工作在线性区（也称欧姆区）。在 这个区域，MOST晶体管实际上是一个小电阻，提供了线性的V-A特性。此时沟道两端即源端和漏端有 相同的导电能力。 接下来研究一下这个电阻的精确阻值是多少？
对于很小的VDS，看一下图中的左下角，IDS～VDS曲线是线性的，MOST工作特性表现为电阻。 KP：工艺参数，属于特定的CMOS工艺 A/V2
既然我们已知如何描述一个处在中间电流区（强反型区）的MOST管，下面重点研究低电流区（弱 反型区）和大电流区（速度饱和区）的晶体管，希望找出在这些区域转变时的VGS的临界值。在低电 流时得到了弱反型区，也叫低阈值区，∵大多数情况下，它的输入电压<VT。亦叫指数区，∵电流-电 压特性呈指数关系，比例系数是nkT/q，很接近于双极型管的kT/q。k是玻尔兹曼常数，q是电子的电 量，∴在300k（27℃），kT/q≈26mv。和双极型管的区别还是前面提得的n，n取决于偏置电压，其值 不精确，这与双极型器件相比时，MOST的一个不利因素。
模拟CMOS集成电路设计复习提纲
物理验证与DRC/LVS检查
01
02
03
物理验证
检查版图是否符合工艺要 求，确保可制造性。
DRC检查
进行设计规则检查，确保 版图满足工艺要求。
LVS检查
进行电路原理图与版图一 致性检查，确保两者匹配。
03
CMOS集成电路的模拟技 术
SPICE模拟器简介
1
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）：一种用于模拟和分析集成 电路性能的软件工具。
新工艺
新型工艺技术如纳米压印、电子束光刻等不断涌现，这些新工艺能够制造更小尺寸的集成电路，提高集成度并降 低制造成本。
集成电路的可扩展性挑战
制程节点
随着集成电路制程节点不断缩小，制 程技术面临物理极限的挑战，如量子 隧穿效应、漏电等问题，需要探索新 的物理机制和制程技术。
异构集成
为了实现更高效能、更低功耗的集成 电路，需要将不同材料、不同工艺的 芯片集成在一起，形成异构集成技术， 这需要解决不同芯片之间的互连、兼 容等问题。
功耗优化
总结词
功耗优化旨在降低CMOS集成电路的功 耗，以提高芯片的能效和延长电池寿命 。
VS
详细描述
功耗优化主要通过降低晶体管导通电阻、 减小时钟信号功耗和优化电路结构来实现 。例如，采用低阻抗材料和工艺技术来降 低导通电阻，采用时钟门控技术来减小时 钟信号功耗，优化电路逻辑和结构等。这 些措施有助于降低功耗，提高能效，延长 电池寿命。
和规范，如元件选择、布线规则、版图设计等。
设计实践
02
结合具体的设计案例，分析可靠性设计的实际应用和效果，总
结经过实验和仿真等方法，对设计的可靠性进行验证和评估，确
CMOS模拟集成电路设计ch图实用PPT课件
2021/4/5
16
第16页/共22页
3、衬底耦合
• 衬底耦合效应
2021/4/5
17
第17页/共22页
• 减小衬底耦合效应的措施
▪采样差动电路形式
▪数字信号与时钟以互补形式分布
▪采样更精确的工作模式， 如信号采样
▪与衬底相连的内引线的电 感最小 ▪保护环
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18
第18页/共22页
叉指数N↑→CP↑
CP
N 1 (2E 2
2W N
)C jsw
N 1
[(N 1)E N W ]C2j0s2w1/4/5
3
第3页/共22页
• 2.2 对称性
2021/4/5
4
第4页/共22页
• 2.2 对称性（续）
2021/4/5
5
第5页/共22页
• 2.2 对称性（续）
2021/4/5
6
第6页/共22页
N: 圈数
Use a value that gives a layo2u0t21c/4o/n5 venient to work other parts of
14
circuits
第14页/共22页
• 2.5 连线
▪利用差动信号将 串扰转换成共模 干扰 ▪屏蔽
▪电压降
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15
第15页/共22页
N-well 1000 -1500 20000 30000
R V1
V2 I
RO
Hale Waihona Puke 1TC(T
25 ) 2021/4/5
VC
第11页/共22页
(V1 V2 ) BC
(V1 V2 2
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共源共栅电路的热噪声
低频情况下，共栅管几乎不贡献噪声！！！
折叠共源共栅电路的热噪声
为了降低这种电路的噪声，应提高Vdsat3
差分对的热噪声
为了降低这种电路的噪 声，应提高负载管的 Vdsat
共源共栅运放的噪声
Vie2q
2V12
1
gm7 gm1
其中V12
4kT
2 3gm1
Rout rI1 || gm2ro2 ro1 || rI2
折叠点看进去的电阻为 ro1 || rI2
Av0 gm1Rout
第四章 差分放大器
• 差分放大器的输出电阻 • 差分放大器的增益 • 输入共模电平Vin,CM的范围
差分放大器的输出阻抗与增益（1）
Rout＝RD || ro1
增益的计算
Av0 gm2 gm4ro4ro2 || gm6ro6ro8
小信号带宽
• 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu • 3dB频率f3dB与fu的示意如下（均为对数坐标）
GBW与小信号建立时间(1)
设放大器的低频增益A0 ,带宽BW fd. 则增益带宽积GBW A0fd 若该放大器为单极点系统
华大微电子：模拟集成电路设计
复习提纲
华大微电子：模拟集成电路设计
第二章 器件模型
• MOSFET的I-V特性
– 饱和区电流公式 – 线性区电流公式 – 沟道长度调制效应
• MOSFET的小信号模型
– 低频小信号模型：图2.36
• gm、ro的表达式
– 完整小信号模型：图2.38
华大微电子：模拟集成电路设计
s
1 A0
1
0
1
s
A0
0
电压-电压反馈
Vout
A0
Vin 1 A0
• 前馈网络A0：V-V；反馈网络：V-V • 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联
• 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联
• 也称串联-并联反馈：
– “串联-并联反馈”，反馈信号与输入信号串联，检测信号与输出信号并 联
共源共栅差分对
Rout gm3ro3ro1 || gm5ro5ro7
Av0 gm1Rout
第六章 频率特性
• Miller效应 • 极点与结点的关联
第七章 噪声
• 噪声类型：热噪声、闪烁噪声 • 总输出噪声 • 输入参考噪声 • 单级放大器的噪声
– 共源级： – 共源共栅级： – 折叠共源共栅级
Rup gm3ro3ro4
Rup
Rdown gm2ro2ro1
Rdown
Rout Rup || Rdown
Av0 g R m1 out
gm1 gm2ro2ro1 || gm3ro3ro4
折叠共源共栅的输出电阻与增益
Rout rI1 || gm2ro2ro1
Vout Vin
gmRout
gm (RD
|| ro )
gmRD (RD ro )
电流源负载的共源级
Rup ro2
Rdown ro1
Rup Rdown
Rout Rup || Rdown ro2 || ro1 Av0 g R m1 out
gm1 ro2 || ro1
完整的MOSFET小信号模型
• 用于计算各节点的时间常数 • 找出极点
第三章 单级放大器
• 共源级 • 共漏级 • 共栅级 • 共源共栅级
共源级
• 电阻负载 • 电流源负载 • 二极管接法的MOSFET负载 • 源级负反馈
共源MOSFET
Vgs V1 Vin
Rout
Vout I out
Vout
R0
Iin 1 R0GmF
电流-电流反馈
Iout
AI
Iin 1 AI
• 前馈网络AI：I-I；反馈网络：I-I • 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 • 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 • 也称并联-串联反馈
电流-电流反馈的特性
• 输入端并联，
– 输入电阻减小
Av0
g R m1 out
g m1ro1 RD RD ro1
gm1RD (ro1 RD )
Rout＝
1 gm3
|| ro1
1 gm3
Av0
g R m1 out
g m1 gm3
( ro1
1 gm3
)
差分放大器的输出阻抗与增益（2）
Rout ro1 || ro3
Av0 gm1 ro1 || ro3
|Vin 0
Vin
0时，Iout
Vout ro
Rout ro 单管增益
Vout Vin
gmro
二极管接法的MOSFET
Rout
1 gm
1 ro
1 gm
(gmro 1)
带电阻负载的共源级
Rup Rdown
Rup RD
Rdown ro
Rout Rup || Rdown (RD || ro )
2
Vdsat
1
2Cox
W L
ID
1
L
华大微电子：模拟集成电路设计
MOSFET小信号模型（1）
• VBS=0时的低频小信号模型 • 用于计算输出电阻、低频小信号增益
华大微电子：模拟集成电路设计
MOSFET小信号模型（2）
• 考虑衬偏效应时的低频小信号模型 • 用于计算输出电阻、低频小信号增益
Iout
Gm
Vin 1 Gm RF
• 前馈网络Gm：V-I；反馈网络RF：I-V • 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 • 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 • 也称串联-串联反馈 • Gm：前馈网络增益，导纳的量纲 • RF：反馈网络增益，电阻的量纲 • Gm×RF：无量纲
第八章 反馈
• 反馈概述
– 降低增益灵敏度 – 扩展带宽 – 环路增益、开环增益、闭环增益等概念
• 四种反馈结构 • 负载的影响
– 四种二端口网络模型
反馈
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，可用代替 H(s)× G(s)：环路增益 ：反馈系数
A(s) A0 1 s
电压-电流反馈的应用：光纤接收器
• 左图，输入阻抗R1
– 时间常数大，带宽小
• 右图，输入阻抗为R1/(1+A)
– 时间常数小，带宽大
电压-电流反馈的特性
• 输入端并联，
– 输入电阻减小
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
Rin ,c l
1
Rin R0GmF
Rout ,c l
Rout 1 R0GmF
共源共栅级的输出阻抗（2）
参考源极电阻负反馈的共源级电路
Rt ro1 ro2 (gm2 gmb2 )ro2ro1
Rt
(gm2 gmb2 )ro2ro1
gm2ro2ro1 （忽略衬偏效应）
Rout gm3ro3Rt
gm3ro3 gm2ro2ro1
共源共栅级的输出阻抗（3）
O1 T11 X1 T12 X 2
O2 T21X1 T22 X 2
反馈网络类型
X1
X2
电压-电压反馈 电压（并联检测）电流
O2 电压（串联返回）
G模型
短路求T22
开路求T11 串联 -并联
电流 -电压反馈 电流（串联检测）电流
电压（串联返回）
Z模型
开路求T22
开路求T11 串联 -串联
VDS
线性电阻：Ron
Cox
W L
1
VGS
Vth
华大微电子：模拟集成电路设计
几个常用的表达式
饱和区：I D
1 2
Cox
W L
VGS
Vth
2
Vdsat VGS Vth
gm
Cox
W L
Vdsat
2ID Vdsat
ro
1
I D
2
I
D
Cox
W L
gmro
MOSFET的I-V特性
饱和区：I D
1 2
Cox
W L
VGS
Vth 2
沟长调制：I D
1 2
Cox
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
W L
VGS
Vth
21
VDS
线性区：I D
Cox
W L
VGS
Vth VDS
1 2
VD2S
深线性区：I D
Cox
W L
VGS
Vth
电流-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
• 输出端串联，
– 输出电阻增大
Rin,cl (1 Gm RF )Rin Rout,cl (1 Gm RF )Rout Iout Gm Vin 1 Gm RF
电压-电流反馈
Vout
R0
Iin 1 R0 GmF
• 前馈网络R0：I-V；反馈网络gmF：V-I • 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 • 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 • 也称并联-并联反馈 • R0：前馈网络增益，电阻的量纲 • GmF：反馈网络增益，导纳的量纲 • R0×GmF ：无量纲