(拉扎维)第十一章带隙基准(模拟cmos集成电路设计)
模拟CMOS集成电路_拉扎维_实验二
实验二单级放大器的设计一、实验目的及任务1、掌握单级放大器的原理和性能。
2、设计一个采用电阻做负载的共源级放大器。
二、实验相关知识1、采用电阻做负载的共源级放大器电路的大信号分析。
如果输入电压从零开始增大，截止，（如图2.1（b））。
当接近时，开始导通，电流流经，使减小。
如果不是非常小，饱和导通，我们可以得到：这里忽略了沟道调制效应。
进一步增大，下降更多，管子继续工作在饱和区，直到（图2.1（b）中的A点）。
在A 点出满足：从上式可以计算出，并进一步计算出。
当时，工作在线性区：如果足够高以使进入深线性区，，从图2.1(b)的等效电路可以得到：2、采用电阻为负载的共源级放大器小信号特性由于在线性区跨导会下降，通常要确保,工作在图2.1(b)中A 点的左侧。
式(2.1)表征输入输出特性，并把它的斜率看作小信号增益，可以得到：此结果可以从下面的观察中直接得到：将输入电压的变化转换为漏极电流的变化，进一步转换为输入电压的变化。
从图2.1(d)的小信号等效电路也可以得到同样的结果。
V DD R DM 1V outV inV outV inV THV in1V outV inR DR onV DD V +-+-V 1outg m V 1R D(a)(c)(d)(b)图2.1 (a)共源级；(b)输入-输出特性；(c)MOS管工作在线性区的等效电路；(d)饱和区的小信号模型三、实验内容和步骤1、根据实验相关知识所述，画出采用电阻做负载的共源级放大器的原理图。
2、根据所画原理图编写电路网表。
3、调入SMIC0.35um混合信号工艺库。
4、先计算电路的直流工作点，随后进行仿真并得到电路的直流工作点，将仿真结果与计算结果进行比较。
5、在网表中加入DC分析的激励语句，做DC大信号仿真，得到放大器的直流转移特性曲线，并对的出的曲线进行分析说明。
6、在网表中加入AC分析的激励语句，做小信号仿真，得到放大器的AC频率特性和低频小信号增益，并对仿真结果给出分析和说明。
模拟CMOS集成电路设计 第1章 模拟集成电路设计绪论
模拟设计困难的原因是什么？
E. 模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题 ，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析 仿真结果。 F. 现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开 发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征 尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应 增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计 技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电 路，需不停开发新的电路和结构。
A. 模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电 源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路只需 在速度和功耗之间折衷。 B. 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要 敏感得多。 C. 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要 严重得多。
模拟设计困难的原因是什么（1） ？
D. 高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多 数字电路都是自动综合和布局的。
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 9
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
激光二极管
光敏二极管
光纤系统
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 10
传感器
(a) 简单的加速度表
(b) 差动加速度表
汽车触发气囊的加速度检测原理图
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 11
为什么要学模拟CMOS集成电路设计？
组合二进制数据 DAC
传送端
多电平信号
ADC
接收端
确定所传送电平
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 7
磁盘驱动电子学的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 8
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱
接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分。
带隙基准源的设计
《模拟CMOS集成电路设计》---与电源无关的电流源课程设计院系：电子与信息工程学院专业：电子09-2姓名：王艳强学号：0906040221指导教师：李书艳摘要模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。
而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。
值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。
采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。
关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺综述我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。
电压基准源是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定的参考电压源。
它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。
随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。
另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。
微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。
其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。
双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。
拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 13
重邮光电工程学院
I/V特性的推导(4)
1 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS2 ] 2 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
W ox L
取最大值，且大小为： nCox W ID (VGS VTH )2 2 L
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
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数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光1
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端 接收端
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磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
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无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
1 2 ID nC [(VGS VTH)VDS VDS ] 2 V' DS VGS VTH (Pinch off )
W ox L
ID
nCox W
2 L
(VGS VTH )2
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 16
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饱和区MOSFET的I/V特性
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重邮光电工程学院cmos西安交通大学出版社2003重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1自然界信号的处理adca自然界信号的数字化b增加放大器和滤波器以提高灵敏度重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽10110100组合二进制数据dac传送端多电平信号adc接收端确定所传送电平重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1无线接受机无线接收天线接收到的信号幅度只有几微伏和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声工作在高频并能抑制大的有害成分重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch1差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图重邮光电工程学院模拟集成电路设计绪论ch110模拟设计困难的原因是什么1
拉扎维模拟CMOS集成电路设计作业答案中文共40页文档
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
拉扎维模拟CMOS集成电路设计作业 答案中文
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
Байду номын сангаас
40
模拟CMOS集成电路_拉扎维_实验一
实验一：NMOS管的I-V特性曲线仿真一、实验目的和任务1、掌握HSPICE线路模拟软件的使用方法。
2、掌握HSPICE语言，可以熟练使用。
3、验证NMOS管的I-V特性曲线。
二、实验相关知识1、HSPICE软件的简单介绍HSIPCE线路模拟软件在早期是美国Meta-Software公司根据Berkeley SPICE2G.6、SPICE3及其他线路模拟软件所发展的工业级线路分析软件。
HSPICE在基本功能部分和其他SPICE软件相似，可应用于下列领域的电子电路研发，即稳态（直流分析）、暂态（时间分析）及频率（交流分析）等领域。
2、NMOS管I-V特性的推导先定性了解NMOS管的I-V特性，如果栅源偏置电压大于NMOS 管的阈值电压,则在P型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。
当漏区相对于源区电压加正电压时，器件内部的沟道中就会产生电流，即。
1)非饱和区的I-V特性。
此时，漏电流为：式中为沿电流方向的电荷密度，v表示电荷的移动速度。
由的表达式可知的表达式：其中，负号是因为载流子电荷为负而引入的，v表示沟道电子的漂移速度。
对于半导体，，其中是载流子的迁移率，为电场。
注意到，电子迁移率用表示，得到：为了求得，将式(1.3)两端乘以积分可得：2)饱和区的I-V特性由于反型层局部的电荷密度正比于，故当接近时，则下降为0，即略大于时，则反型层将在处终止，沟道夹断。
故对式(1.3)积分的左边必须从到,其中是下降为0的点，右边从到，有：此式表明，如果近似等于，则与无关。
上述并未考虑二级效应。
三、实验原理及步骤根据实验原理图，在记事本中编辑电路的网表文件，保存为*.sp 的文件，在Star-Hspice中进行仿真，得出I-V特性曲线。
实验原理图：图1.1 测量NMOS管I-V特性原理图四、思考题1、什么是工艺角？2、若考虑二级效应，NMOS管I-V特性有何变化？实验一附录实验所需网表：*NMOS AnalysisM1 2 1 0 0 n50 W=5u L=1uVDS 2 0 5VVGS 1 0 1V.LIB 'D:\asic\smic035\MS035_v0p2.lib' TT .OP.DC VDS 0 5 0.2 VGS 1 5 1.PROBE DC I(M1).END。
拉扎维模拟cmos集成电路课件Lecture_2
diff
0
I dx W Dn
0
L
Q dQCS dx W dx
QD
kT q dQC
QC QS
I D I0 e
VGS q kT
There is no “simple” expression for the “moderate inversion” region.
4
In weak inversion, the diffusion term dominates over the drift term.
I diff W Dn
dQC kT dQ W C dx q dx
In weak inversion
L
QC exp(qV GB VCB / kT )
7
EE 510 Lecture 2 Handout
Spring 2013
For the output resistance in saturation
i gO D vDS
gO ID
Q
2 W VGS VTH 1 gO n Cox 2 L
1 VDS
ID
For saturation operation:
i gm D vGS
Q
1 W vGS VTH iD n Cox 1 vDS L 2
2
1 V 2I D 2 W VGS VTH DS n Cox W I D gm nCox 1 V DS L L VGS VTH
EE 510 Lecture 2 Handout D. Short (deep submicron)-channel Effects (Note: Chapter 16 topic of your textbook.)
拉扎维模拟CMOS集成电路设计 前十章全部课件
重邮光电工程学院
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！ *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
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MOS器件符号
MOS管等效于一个开关!
重邮光电工程学院
MOS器件的阈值电压VTN（P）
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
)v(x) 1 2
1 VDS2 2
v(x)
]
2
)]vDS 0
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I/V特性的推导(4)
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 VDS2 ] 2
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID nCox W (VGS VTH )2
。
t ≈ 50A, C
ox
ox
t ≈ 0.02 m, C
ox ox
6.9 fF/ m 2 1.75fF/ m 2
t ≈ 0.1 m, C 0.35fF/ m 2
ox
ox
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MOS器件电容
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 45
重邮光电工程学院
减小MOS器件电容的版图结构
对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw 对于图b: CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw CSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw= = WECj +2(W+2E)Cjsw
模电课件 第十一章
In
Icj I sj
)CW
(
n/2 j 1
UT
In
Icj I sj
)CCW
n/2
(
j 1
Icj I sj
)CW
n/2
(
j 1
Icj I sj
)CCW
Isj Aj J sj
n/2
(
j 1
Icj Aj
)CW
n/2
(
j 1
Icj Aj
)CCW
n/2
n/2
( Jcj )CW ( Jcj )CCW
开关电容积分器的工作情况
（a)1为高时；（b）2 为高时
第十一章 模拟集成电路设计新技术
开关电容积分器实现理想积分运算的条件：fc f信号频率
开关电容有耗积分器和差分积分器
第十一章 模拟集成电路设计新技术
（a) RC状态变量滤波器 (b) 相应的开关电容网络实现
2 1
1
ic1
1 2
iL
IB
(
iL 2IB
)2
1
2
第十一章 模拟集成电路设计新技术
若负载电流 | iL | IB ，则有
ic2
IB
1 2
iL
1 ic1 IB 2 iL
若负载电流
|
i L
|
I B
，则有
ic1 0
或相反：
ic2 0
ic2 iL
ic1 iL
第十一章 模拟集成电路设计新技术
第十一章 模拟集成电路设计新技术
11.1 模拟集成电路设计——电流模法
11.1.1 电流模法的特点及原理
电流模电路优点：工作速度很高，电源电压很低，具有动态范 围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等。
模拟IC课程论文-带隙基准
模拟集成电路课程设计报告一、实验目的（1）学会使用数模混合集成电路设计EDA工具进行简单的模拟集成电路设计的流程，包括cadence的virturso原理图输入、版图设计，cadence的spectre 电路仿真，及mentor的calibre：版图规则检查（DRC）、电路图版图一致性检查（LVS）。
（2）学会使用仿真进行性能的调整，包括DC仿真、AC仿真、TF仿真、PSRR仿真、温度仿真。
二、实验任务设计一款带隙基准源（bandgap），为其他电路提供温度系数和电源抑制比较好的参考电压。
三、设计指标要求（1）采用0.35µm 2P4M CMOS工艺；（2）电源电压：3.3V；（3）工作电源电压：2.97V~3.63V；（4）工作温度：-20 o C~120 o C；（5）输出电压1.5V（6）温度系数小于或等于10ppm；（7）PSRR（电源抑制比）< -40dB@1kHz；（8）版图总面积小于500μm ⨯500μm；四、电路设计与仿真4.1带隙基准电路设计Bandgap voltage reference，也被称为Bandgap。
最经典的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。
因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。
实际上利用的不是带隙电压。
现在有些Bandgap 结构输出电压与带隙电压也不一致。
模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。
产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。
在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：（1）与绝对温度成正比；（2）常数Gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；（3）与温度无关。
要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。
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Bandgap Ref Ch. 11 # 10
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
正温度系数电压
VBE VBE1 VBE 2 VT ln
nI0 I VT ln 0 VT ln n I S1 IS2
VBE k ln n T q
Bandgap Ref Ch. 11 # 11
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 28
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap R11 # 4
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 5
华大微电子：模拟集成电路原理
与电源无关的偏置
如何产生IREF？
Bandgap Ref Ch. 11 # 9
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
负温度系数电压
Eg VBE 4 mVT E g q VBE VT I C V ln 4 m T 2 VT T T IS T kT T
当VBE＝750mV，T＝300K，为－1.5mV/K
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
Bandgap Ref Ch. 11 # 18
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 19
华大微电子：模拟集成电路原理
华大微电子：模拟集成电路原理
第十一章 带隙基准
程梦璋 Email:cheng100us@
2014年
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华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
VTH 1 VTH 5 VTH 3 VDD
VGS 1 VTH 5 VGS 3 VDD
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华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
R2 Vout 2VBE 2 1 R 2VT ln(m n) VOS 3
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华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
Bandgap Ref Ch. 11 # 17
Bandgap Ref Ch. 11 # 22
华大微电子：模拟集成电路原理
恒定Gm偏置
Bandgap Ref Ch. 11 # 23
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 24
2 I out 1 1 I out RS n COX W L N K
I out
2 1 1 1 2 n C ox W / L N RS k
2
Bandgap Ref Ch. 11 # 7
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与电源无关的偏置
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
PMOS 电流镜保证Q1－ Q4的集电极电流相等
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实例分析
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华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 27
I out
VDD W L 1 R1 1 g m1 W L 2
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华大微电子：模拟集成电路原理
与电源无关的偏置
2 I out VTH 1 n COX W L N
2 I out VTH 2 I out RS n COX K W L N
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华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
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华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
R2 Vout VBE 2 1 R VT ln n VOS 3
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华大微电子：模拟集成电路原理
概述
基准是直流量，与电源和工艺参数的关系小，与 温度的关系是确定的。 目的：建立与电源和工艺无关，具有确定温度特 性的直流电压和电流。 形式：与绝对温度成正比（PTAT） 常数Gm特性 与温度无关
PTAT电流的产生
Bandgap Ref Ch. 11 # 20
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PTAT电流的产生
VREF VBE3
R2 VT ln n R1
Bandgap Ref Ch. 11 # 21
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
VREF=α1VBE+α2(VTln n) α1=1 根据室温时温度系数 之和为零， 得到：α2 ln n＝17.2 VREF＝VBE+17.2VT=1.25
Bandgap Ref Ch. 11 # 12
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
R2 Vout VBE 2 VT ln n 1 R 3