超大规模集成电路-------基础·设计·制造工艺
第1节 基本的CMOS模拟电路
更新于2008-09-15 12:10:03

基本电路有电流反射镜(current mirror)、源极接地放大器(source common amplifier)、漏极接地放大器(drain common amplifier)、源极跟随器、栅极接地放大器(gate common amplifier)、源极耦合差动放大器(differential pair amplifier)等。表6.1示出电流反射镜电路及其特性式。这是一个输出端电流与输入端电流成比例的恒流电路。电流反射镜应用于放大器的负载电阻、差动放大器的电流源、放大器的信号通道、提供偏置等电路。表6.2示出源极接地放大器、漏极接地放大器、栅极接地放大器等基本放大器及其特性式。另外在表6.3中还示出了差动放大器及其特性式。将这些基本电路组合起来,可以构成将源极接地放大器与栅极接地放大器串接起来的共源共栅放大器(cascode amplifier)、差动结构的共源共栅放大器等。表6.4示出共源共栅放大器及其特性式。
 

表6.1电流反射镜电路及特性式

电路




等效电路




特性式:
iout=iin
Rout=rds2

表6.2基本放大电路及其特性式

电路:
源极接地放大器



漏极接地放大器



栅极接地放大器




小信号等效电路:
源极接地放大器



漏极接地放大器



栅极接地放大器





表6.3差动放大器及特性式

电路:
电阻负载



n-MOS二极管负载



p-MOS二极管负载



电流反射镜有源负载




小信号线性等效电路特性式:
电阻负载  n-MOS二极管负载  p-MOS二极管负载



电流反射镜有源负载


 

 

特性式:
设g,gdigl,gmi,则有:
Adm=-gmigl
Acm=-g2gl
CMRR=2gmigoAdm=-gmigml
=-(W/L)i(W/L)lAdm=-gmigml
=-μn(W/L)iμp(W/L)l设gdigl,gmi,则有:
Adm=-gmigl
Acm=-go2gl
CMRR=2gmigo

模拟电路应该用电压增益、信号带宽、输入阻抗、输出阻抗、失调电压、输入电压范围、输出电压范围等多种特性进行评价。
通常,对于模拟电路中的MOS,工作范围设计在输出阻抗高的饱和区。需要设计各晶体管的gm=W/L(设定漏极电流)、有效栅极电压(Vgs-Vt)、栅极面积WL。放大器的增益和带宽由gm决定,而gm由W/L和Vgs-Vt决定。MOS的低频噪声中处于支配地位的是闪变效应噪声,这种噪声功率与栅极面积WL成反比。作为这种噪声的超低频成分,2个MOS的阈值电压偏差可以作为差动放大器的失调电压来进行观测,它与栅极面积的平方根成反比。设计模拟电路时,往往是根据要求的精度相对应地增大栅极面积[1]。

表6.4共源共栅放大器及特性式

电路:
可伸缩式共源共栅放大器



共栅放大器



特性式:



表6.5示出源极接地放大器的频率特性。利用MOS的线性模型(图2.7)求出小信号等效电路,计算其传输函数。由于传输函数的分母是s的1次式,所以频带ω-3dB内的增益与直流增益比为-3dB(=1/ 2),相位滞后45°。这个ω-3dB基本上由[RinCgd1(1+gm1R2)]-1决定,栅漏电容(Cgd1)是放大器的增益(gm1·R2)倍,所以频率带宽变窄,这种效应叫做米勒电容。另一方面,在共源共栅放大器中,由于栅极接地的输入阻抗低,所以源极接地的漏极输出电压的变动小,不会发生米勒效应,所以频带宽。

表6.5源极接地放大器的频率特性

小信号等效电路



传输函数


 

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