模擬集成電路設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上模集復(fù)習(xí)筆記By 瀟然2018.6.202.2 I/V特性1. I-V特性2. 跨導(dǎo)定義：VGS對(duì)IDS的控制能力（IDS對(duì)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2.3 二級(jí)效應(yīng)1. 體效應(yīng)為體效應(yīng)系數(shù)，典型值0.3-0.4V-1/22. 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)2.4 MOS器件模型定義：信號(hào)相對(duì)于偏置工作點(diǎn)而言比較小、不會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)時(shí)用該模型簡(jiǎn)化計(jì)算由gm、gmb、rO等構(gòu)成低頻小信號(hào)模型，高頻時(shí)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(hào)模型 溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻 體效應(yīng)跨導(dǎo)2. 完整的MOSFE

2、T小信號(hào)模型用于計(jì)算各節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)、找出極點(diǎn)2.5 放大器的性能參數(shù) AIC設(shè)計(jì)的八邊形法則分別為：速度、功耗、增益、噪聲、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(jì)時(shí)需要在這些參數(shù)間折衷3.2 共源級(jí)1. 電阻負(fù)載理想情況：考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)：2. 二極管接法的MOS做負(fù)載 NMOS二極管負(fù)載存在體效應(yīng)時(shí)的阻抗：忽略隨Vout的變化時(shí)，增益只于W/L有關(guān)，與偏置電流、電壓無(wú)關(guān)，線性度很好。 PMOS管負(fù)載缺點(diǎn)：a. 大增益需要極大的器件尺寸 b. 輸出擺幅小提高輸出擺幅的方法：加電流源3. 電流源做負(fù)載4. 深線性區(qū)MOS管做負(fù)載5. 帶源極負(fù)反饋 增益與跨導(dǎo)隨著RS增大，

3、 Gm和增益都變?yōu)間m的弱函數(shù),提高了線性度；但以犧牲增益為代價(jià)。另外，可以通過(guò)如下方法簡(jiǎn)便計(jì)算：Av=“在漏極節(jié)點(diǎn)看到的電阻”/“在源極通路上看到的電阻” 輸出電阻3.3 源跟隨器（共漏） 1. 負(fù)載為Rs2. 負(fù)載為電流源3. 考慮rO和RL后的增益（注意分析過(guò)程）4. 負(fù)載為理想電流源時(shí)輸出電阻Ro3.4 共柵級(jí)1. 不考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)時(shí)增益，體效應(yīng)導(dǎo)致增益增加2. 輸入阻抗RD=0時(shí)，共柵級(jí)輸入阻抗相當(dāng)于源跟隨器輸出阻抗，故在RD較小時(shí)，輸入阻抗小3. 輸出阻抗計(jì)算結(jié)果同帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)的Rout，故輸出阻抗很大3.5 共源共柵級(jí)1. 增益（不考慮溝長(zhǎng)調(diào)制）（注意此處為約等于且結(jié)果

4、為負(fù)，具體增益參照P71，掌握方法即可）2. 輸出阻抗M2管將M1管的輸出阻抗提高為原來(lái)的（gm2+gmb2）rO2倍；有利于實(shí)現(xiàn)高增益3. 其他性質(zhì)： 作理想電流源，代價(jià)：輸出擺幅減小 屏蔽特性：Vout端有Vout的電壓跳變時(shí)，表現(xiàn)在X點(diǎn)的電壓跳變很小，屏蔽了輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入管的影響4. 折疊共源共柵5. 總結(jié)：4.2 基本差動(dòng)對(duì)1. 大信號(hào)差分特性上式假定了M1、M2均工作在飽和區(qū)，然鵝2. 大信號(hào)共模特性共模輸入電平必須滿足：3. 小信號(hào)差分特性因此，當(dāng)Vin為下值時(shí)跨導(dǎo)降為0：，其表征放大器所允許的最大輸入差分信號(hào)差模增益：用疊加法、半電路法均可求全差分時(shí)的差模增益，結(jié)論為： 單邊輸入

5、時(shí)差模增益為-gmRD 差分輸入時(shí)差模增益為-gmRD 單邊輸入時(shí)單端輸出增益為-gmRD/24. 小信號(hào)共模特性若電路完全對(duì)稱，則流過(guò)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），RD1和RD2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(wú)窮大 尾電流內(nèi)阻非無(wú)窮大時(shí) 若電路完全對(duì)稱，則VP會(huì)隨Vin,CM的變化而變化，導(dǎo)致尾電流變化， Vout1和Vout2會(huì)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(shí)跨導(dǎo)為2gm） 共模增益為： 輸入管

6、失配對(duì)共模響應(yīng)的影響 共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：5. CMRR-共模抑制比Common-Mode Rejection Ratio，用來(lái)綜合反映差分放大器的性能5.1 基本電流鏡原理：利用輸出電流與參考電流的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓相同因此復(fù)制精度受工藝（寬長(zhǎng)比）、溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)的影響5.3 有源電流鏡 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，則是在所關(guān)心的頻率下的小信號(hào)增益，通常為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們一般用低頻增益來(lái)代替AV，這樣足可以使我們深入理解電路的頻率特性。6.2 極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)1. CS放大器的簡(jiǎn)化頻率特性分析如果忽略輸出結(jié)點(diǎn)與輸入結(jié)點(diǎn)的相互作用，我們可以利用密勒定理得到CS放大器的兩個(gè)極點(diǎn)頻

7、率：2. 共源放大器的頻率特性（理論推導(dǎo)）將分母化為：其零點(diǎn)：總而言之：若題目出到圖6.2.1，根據(jù)公式給出極點(diǎn)、零點(diǎn)，之后若表達(dá)傳輸函數(shù)，則模仿理論推導(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(dòng)，引起導(dǎo)體兩端電壓波動(dòng) 電阻的熱噪聲 ，教材上默認(rèn)f=1Hz MOS管溝道區(qū)的熱噪聲 單個(gè)MOS管能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓： （也即如果有負(fù)載，ro要替換為負(fù)載RD） 減少gm可降低噪聲。當(dāng)gm不影響其他關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡量小2. MOS管的閃爍噪聲（1/f噪聲） 來(lái)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(lái)模擬 表達(dá)式： 1/f噪

8、聲的轉(zhuǎn)角頻率fC 熱噪聲和1/f噪聲曲線的交叉點(diǎn) 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(jì)算電路中各噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲例：求如圖所示共源級(jí)電路的總輸出噪聲電壓2. 方法二：輸入?yún)⒖荚肼曤妷涸谳斎攵擞靡粋€(gè)信號(hào)源來(lái)代表所有噪聲源的影響對(duì)于上例，3. 用電壓源與電流源共同表示輸入?yún)⒖荚肼暼鐖D，4. 輔助定理源漏之間的噪聲電流源可以等效為與柵級(jí)串聯(lián)的噪聲電壓源（對(duì)任意的ZS）條件：均由有限阻抗驅(qū)動(dòng)；低頻時(shí)7.4 單級(jí)放大器中的噪聲1. 共源級(jí)（已在上邊講過(guò)，不贅敘）例：M1和M2均工作在飽和區(qū)。計(jì)算： 輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷?若負(fù)載電容為CL，求總輸出熱噪聲 若輸入是振

9、幅為Vm的低頻正弦信號(hào)，求輸出信噪比 （利用交流小信號(hào)模型，ro1與ro2在漏端并聯(lián)） 頻帶內(nèi)積分，得總輸出熱噪聲 輸入信號(hào)在輸出端產(chǎn)生的信號(hào)振幅為： SNR（Signal and Noise Ratio）為功率之比：2. 共源共柵級(jí)（只考慮熱噪聲）M2的噪聲對(duì)輸出噪聲的貢獻(xiàn)很小，因?yàn)閳D（c）中從M2柵極到輸出的增益很?。ㄍ瑤г礃O負(fù)反饋的放大器）3. 折疊共源共柵電路的熱噪聲（M2為共柵管，其熱噪聲可忽略不計(jì)，即右式第二項(xiàng)可省去）（gm1ro1的由來(lái)：易得Vn22=4kT*2/(3gm2)，由知Vn,out，最后該項(xiàng)與Vin,2呈現(xiàn)一個(gè)gm1RD倍的關(guān)系）7.5 差動(dòng)對(duì)中的噪聲輸入?yún)⒖荚肼曤妷?/p>

10、是共源級(jí)的兩倍7.6 噪聲帶寬總噪聲：噪聲帶寬為：8.1 反饋概述1. 基本概念X(s)：輸入信號(hào)Y(s)：輸出信號(hào)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(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)，開(kāi)環(huán)增益G(s)：反饋網(wǎng)絡(luò)；若與頻率無(wú)關(guān)，可用代替H(s)× G(s)：環(huán)路增益 ：反饋系數(shù)2. 反饋系統(tǒng)的組成部分： 前饋放大器 檢測(cè)輸出的方式 反饋網(wǎng)絡(luò) 產(chǎn)生反饋誤差的方式3. 反饋電路的特性 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 反饋結(jié)構(gòu)例：反饋結(jié)構(gòu)包括哪四種，它們對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出阻抗有何要求，對(duì)整個(gè)電路的閉環(huán)輸入、輸出阻抗有何影響？四種反饋的記憶方法：

11、明確命名方式，如，電流-電壓反饋指的是輸出端電流反饋，輸入端電壓反饋（輸出、輸入的位置千萬(wàn)別搞反了！） 明確一個(gè)“正統(tǒng)原則”，也即：一般來(lái)說(shuō)提到電壓都是串聯(lián)，提到電流都是并聯(lián)，然后我們?cè)儆涀∫暂斎霝檎y(tǒng) 開(kāi)始列表格，左邊一列四行寫(xiě)下四種反饋：電壓-電壓、電流、電壓、電壓-電流、電流-電流 根據(jù)和，確定每一種反饋方式的基本電路圖（腦補(bǔ)也行，知道大概即可），比如：電流-電壓反饋，輸出端電流，輸出端非正統(tǒng)，因此電流對(duì)應(yīng)了串聯(lián)；輸入端電壓，輸入端正統(tǒng)，因此電壓對(duì)應(yīng)了串聯(lián) 記住最后一個(gè)原則：串聯(lián)端的反饋會(huì)要求對(duì)應(yīng)端反饋網(wǎng)絡(luò)低阻抗（理解為避免串聯(lián)分壓）、使對(duì)應(yīng)端閉環(huán)阻抗增加（想象電阻串聯(lián)，阻抗肯定增加咯）

12、；并聯(lián)端的反饋會(huì)要求對(duì)應(yīng)端反饋網(wǎng)絡(luò)高阻抗（理解為避免并聯(lián)分流）、使對(duì)應(yīng)端閉環(huán)阻抗下降。比如：電流-電壓反饋，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，要求反饋網(wǎng)絡(luò)兩端都低阻抗。是不是瞬間感覺(jué)簡(jiǎn)單了很多呢QUQ1. 電壓-電壓反饋：串聯(lián)-并聯(lián)，反饋與輸入串聯(lián)，檢測(cè)與輸出并聯(lián)要求：反饋網(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 輸出端并聯(lián)， 輸出電阻減小 2. 電流-電壓反饋：串聯(lián)-串聯(lián)，反饋與輸入串聯(lián)，檢測(cè)與輸出也串聯(lián)3. 電壓-電流反饋：并聯(lián)-并聯(lián)4. 電流-電流反饋：并聯(lián)-串聯(lián)8.3 負(fù)載的影響9.1 運(yùn)算放大器概述1. 定義：高增益的差分放大器2.

13、 小信號(hào)帶寬：?jiǎn)挝辉鲆骖l率fu3dB頻率f3dB與fu的示意如下（均為對(duì)數(shù)坐標(biāo)）3. 共模輸入、輸出擺幅（通過(guò)以下例子掌握方法） 方法概括：a.結(jié)果先用每個(gè)管子的VGS或Vov（過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓）/Vdsat表示，最后化為只含有Vov與Vth b.如果出現(xiàn)Vb等柵電壓，優(yōu)先用Vb來(lái)表征Vin或Vout c.求下限往下看，求上限往上看 單級(jí)運(yùn)放的輸入共模電平范圍 共源共柵運(yùn)算放大器，如下左圖（重點(diǎn)掌握，必要時(shí)可只看圖當(dāng)做題目，之后與標(biāo)準(zhǔn)答案對(duì)照） 增益表達(dá)式： 輸入共模電平范圍： 輸出共模電平范圍： 雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍（注意輸出要乘以2?。?4. 共源共柵運(yùn)放設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)流程： 已知：VDD

14、、功耗、Av0、輸出擺幅 確定各晶體管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，放大管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：200mV負(fù)載管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：200 500mV尾電流管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：300 500mV 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(gè)電流管的電流大小 根據(jù)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與支路電流，確定各晶體管寬長(zhǎng)比 由簡(jiǎn)單電流公式確定各晶體管的寬長(zhǎng)比 根據(jù)增益的要求，確認(rèn)各晶體管的尺寸（寬長(zhǎng)比不變，增益不滿足要求時(shí)，可增加L） 由已知條件可算得跨導(dǎo)gm，再根據(jù)增益，求得輸出電阻Rout； 又由于，可知，進(jìn)而用推斷L 根據(jù)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與輸出擺幅要求，確定各偏置電壓（注意留出余量）5. 增益提高技術(shù)原理記住上面的圖總結(jié)：通過(guò)

15、提高輸出阻抗提高增益！6. 運(yùn)放噪聲10.1 穩(wěn)定性概述1. 負(fù)反饋系統(tǒng)振蕩條件2. 增益交點(diǎn)GX：使環(huán)路增益的幅值為1的頻率點(diǎn) 相位交點(diǎn)PX：使環(huán)路增益的相位等于-180°的頻率點(diǎn)10.3 相位裕度定義：PM =180° +H( = GX )PM取60°最好10.4 頻率補(bǔ)償1. 原理：修改H的傳輸函數(shù)，使GX<<PX，使PX移向更高的頻率，GX移向更低的頻率2. 方法： 減小總相移，使相位交點(diǎn)PX外推（減少信號(hào)通路中的極點(diǎn)數(shù)） 降低增益，使增益交點(diǎn)GX內(nèi)推對(duì)于單端輸出套筒式運(yùn)放： 降低CX、CA、CN等寄生電容 pA=gm5/CA、pN等非主極點(diǎn)頻率 PX外推。具體措施：高頻應(yīng)用時(shí)L取最小尺寸 增加CL負(fù)載電容的值 主極點(diǎn)頻率降低 GX內(nèi)推3. 極點(diǎn)位置與相位裕度的關(guān)系10.5 兩級(jí)運(yùn)放的密勒補(bǔ)償1. 原理：使兩級(jí)間的極點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，使輸出極點(diǎn)向離開(kāi)原點(diǎn)的方向移動(dòng)通過(guò)使，E點(diǎn)處的極點(diǎn)頻率下降；當(dāng)CC>>CE時(shí)理論可知，也即輸出極點(diǎn)A點(diǎn)的極點(diǎn)頻率上升2. 影響： 傳統(tǒng)方法通過(guò)增加負(fù)載電容，fE（主極點(diǎn)）減??；但此時(shí)fE與fA（第一非主極點(diǎn)）同一數(shù)量級(jí)，為了45°相位裕度，fu=fA，因此犧牲了帶寬； 此處