CMOS模拟集成电路设总复习

vout ( g m1 g m 2 ) AV vin g ds1 g ds 2
Rout 1 g ds 2 g ds1
2
3dB
g g ds 2 1 ds1 RoCo CL
f 3dB
CMOS反相器的频率响应
反相器极点频率近似计算方法：
1 p ROUT COUT
Vb VGS 2 VGS 1 VT
2 I REF VT K ' (W / L)1
2 0.1103 2 0.1103 0.7 6 11010 40 110106 40
1.11V
例题
M2饱和： VDS 2 VGS 2 VT
VGS 1 (Vb VGS 2 ) VGS 2 VT
的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的快慢 的量度]（cm2/Vs）
COX : 单位面积栅氧化物电容（F/cm2） W : 器件的宽长比 L
K ' : 跨导参数
COX
OX
tOX
K ' COX 0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）：
W iD K ' (vGS VT ) 2 2L
解：AV
( g m1 g m 2 ) 2 K ' N (W1 / L1 ) I D 2 K ' N (W1 / L1 ) I D g ds1 g ds 2 N I D P I D
2 110106 1 3 104 2 50106 2 3 104 18.6 6 6 0.04 30010 0.05 30010
2
AVD：差模增益 AVC：共模增益 AVD/AVC：共模抑制比 VICMR：共模输入电压范围 理想差放
Vout AVD (v1 v2 )
电流镜负载差分放大器
大信号分析——输入共模范围ICMR
求ICMR方法：令vID=0,改变vIC直到有一个管子退出饱和区。 最小输入共模电压：
VIC min VGS 2 VDS 5sat VGS 1 VDS 5sat
1.频率响应的极点约等于节点到地的电容和电阻乘积的倒数。 2.电路中的每一个节点对传输函数贡献一个极点。
有源负载反相器的频率响应
例.假设下图所示电路中M1的宽长比为2um/1um，M2的宽长比为1 um/1um,Cgd1=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF,Cgs2=2fF,CL=1pF,漏电流ID= 100uA，求小信号增益和-3dB频率。 K ' N W1 L2 110 2 解： A g m1 2.1 V gm2 K 'P W2 L1 501 -3dB角频率约等于主极点频率：
电流镜
1.电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）
iO W2 L1 iI W1 L2
2.从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系
电流镜
例.下图所示电路中，假设M1和M2的宽长比为40/1, M3和M4的宽长 比为120/1,，IREF=0.1mA,试确定VX的值和Vb的允许范围（忽略衬偏 效应）。
2 I REF 2 0.1103 0.7 0.91 V VX VGS 1 VT 解： 6 11010 40 K ' (W / L)1
VDS 1 VGS 1 VT M1饱和： Vb VGS 1 VGS 2 VT
2 I REF K ' (W / L) 2
N+ P--Si
P型Si衬底 (Semiconductor)
MOSFET的工作原理—导通过程
VGS > 0时, 在栅极 下面的二氧化硅中将产 生一个指向P型衬底、且 垂直衬底表面的电场。 电场排斥空穴，吸引电 子到半导体表面。 吸引到栅极附近P型硅表面的电子积累形成N型反型薄层。器 件表面的导电类型从原来的P型反型到现在的N型，导电沟道 形成。
VGS S G D 反型层
N+
E
N+
P--Si
VGS越大吸引到半导体表面的电子就越多，当VGS >VT时，
MOSFET的工作原理—导通过程
继续增大VGS可使形
成的反型层增宽(N型导电 沟道)，将源区和漏区连接 起来。VGS越大,反型层越 宽, 源漏间的导电能力越 强。 将开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压VT , 也称为阈值电压。 开启电压VT是增强型MOSFET的重要参数，其大
解：M2工作在饱和区 2 110 2
iD 2 2 (vGG VTN ) 2
(vGG 0.7) 2 100
VGG 2.05V
M1工作在饱和区
iD1
1
2
(VDD vin | VTP |)2
g m1 AV 24.8 增益： g ds1 g ds 2
vin 3.4V
50 5 (5 vin 0.7) 2 100 2
CMOS反相器的频率响应
例.假设下图所示电路中M1的宽长比为1um/1um，M2的宽长比为2 um/1um,Cgd1=0.5fF, Cgd2=0.5fF,Cbd1=10fF, Cbd2=10fF, CL=1pF,漏电流 ID=300uA，电源电压5V，求小信号增益和-3dB频率。
VGS(V)
0
VT VGS =VT
0
5
10 15
20
VDS(V)
VDS =VGS -VT
输入特性曲线
输出特性曲线
MOS管的大信号模型
MOS管的电流电压关系（以NMOS为例）：
iD
0COX W
L
[( vGS VT )vDS
1 2 vDS ] 2
0 : 器件表面迁移率[载流子（电子和空穴）在单位电场作用下
线性区电流（以NMOS为例）：
vDS W iD K ' [( vGS VT ) ( )]vDS L 2
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
MOS管的小信号模型
小信号模型
输出电阻 增益
1 ro I D
跨导
W g m 2K ' I D L
Av gmro
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
带隙基准源
带隙基准源基本不受电源和温度的影响 三极管的基极发射极 电压VBE是负温度系数。
VBE T
300 K
2.2mV / C
两个三极管工作在不 同的电流密度下，其 基极发射极电压的差 值 VBE 是正温度系数。
VBE
kT ln n VT ln n(n为两三极管电流比值 ) q
gm2 p (CM COUT ) 2 K 'P (W / L) 2 I D CL
2 50106 1100106 100M (rad / s) 12 110 -3dB频率 f 3dB 16 M ( Hz ) 2
反相器
例 . 下图所示电路假设M1和M2都工作在饱和区，求需要加多大的 偏置电压VGG可使流过M1和M2的电流为100uA；此时输入电压vin 的直流值为多少；放大器的小信号电压增益为多少。
Vb VGS 1 VT
2 I REF VT VT K ' (W / L) 2
2 0.1103 1.4 6 11010 40
1.61V
获得稳定的输出 电流要求所有管 子饱和，则此时
1.11 V Vb 1.61 V
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
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
差分放大器
Vout 差动工作方式优点： •抑制共模噪声 •增大了可得到的最大电压摆幅 vID v1 v2 : 差模输入电压 •偏置电路相对简单 v1 v2 •线性对相对高 vIC : 共模输入电压 v1 v2 AVD (v1 v2 ) AVC ( ) 2
-3dB角频率： p ( g ds1 g ds 2 ) (N I D P I D ) (CM COUT ) CL
300106 (0.04 0.05) 27M (rad / s) 12 M ( Hz ) 2
解：假设(W/L)5=m(W/L)1
Vout k V 2 ln(n) EB3 2m ln(n) 8.67102 2.2 0 T q T
Vout mR2 I D1 VEB3 VT I ln(n) VEB1 R1I D1 VEB2 R1 m R2 Vout VT ln(n) VEB3 R1
VG S
S
G
D
反型层
N+
E
N+
P--Si
小主要取决于SiO2层的厚度以及衬底掺杂浓度。
MOSFET的工作原理—饱和过程
器件导通以后，此时在漏源之间加上电压VDS便会产生漏
极电流 ID , 随着VDS的增加ID增加。 由于沟道存在电位梯度,栅极 靠近源极的电位为VGS ,而栅极靠近 漏极的电位则为VGD＝VGS－VDS，靠 近漏极的电场较弱，使沟道形状成
只要满足右式的所有m，n均可 m ln(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