1、CMOS 混合集成电路 一、图 1 是典型的共栅放大器的电路图，请画出电路小信号等效电路图，采用小信号分析方法，推导框内公式，并给出共栅放大器的优点和典型应用。 图 1 解答：共栅放大器的小信号等效电路图如下所示，其中 LR 为负载电阻 +_+GSBD V oV g sV b sg m V g sr og m b V b sV iIDRLR得到， ibsgs VVV （ 1） obsmbgsmLD rViVoVgVgRVoRVoI )( （ 2） 由（ 1），（ 2）解得： oLDombmrRRrggViVoAv1111 ombmLDmbmombmLDoombmLDoLDombmoLDirgg
2、RRggrggRRrrggRRrRRVorggrRRVoIViR)(/)(1)(/)(1/)11(1111当输出短接时的等效跨导为： oiimbim rVVgVgI mbmombmim ggrggVIG 1计算输出电阻的小信号等效电路如下所示： +_GSD V oV g sg m V g sr og m b V b sIDRSR+_oVB 得到： sbsgs RIVV （ 3） Dobsmbgsmoso RVVgVgr RIVI （ 4） 由（ 3）（ 4）可得到：sombmDosombmDoo RrggRrRrggRIVR )/ / ()(1/ / 共栅级放大器具有较低的输入电阻，高的输出电
3、阻和单位电流增益，可以用于电流缓冲器，适用于高频和高带宽电路。 二、图 2 是典型的共漏放大器的电路图，请画出电路小信号等效电路图，采用小信号分析方法，推导框内公式，并给出共漏放大器的优点和典型应用。 图 2 解答： 共漏放大器的小信号等效电路图如下所示 +_GSBDV g sg m V g sr og m b V b sV i+_V oLRI得到， obsoigs VVVVV , （ 1） Looobsmbgsm RVrVVgVg （ 2） 由（ 1），（ 2）解得，xrggrgRRrgggVVAvombmomLLombmmio 11)(111当 输出短接时的等效跨导为： mimimgVIG
4、VgI 由上式可以得到： LombmmoRrggGAvR 111共漏级放大器具有输入电阻高、输出电阻低，增益近似为 1，也称为源极跟随器， 可用于输入级、输出级和缓冲级电路。 三、图 3 是共源放大器的典型应用的电路图，请画出电路小信号等效电路图，采用小信号分析方法，推导框内公式，并给出其的优点。 图 3 解答：共源放大器的小信号等效电路图如下所示，其中 LR 为负载电阻 +_GSDV g sg m V g sr oV iV oSRLRouti得到， sigs RIVV （ 1） Loosogsm RVr RIVVgI （ 2） 由（ 1），（ 2）解得，omLLossmomio rgRRrR
5、RgrgVVAv 1)1(1当 输出短接时的等效跨导为： ossim rRIRIVgI )( smmossmmim RggrRRg gVIG 11计算输出电阻的小信号等效电路如下所示： +_GSDV g sg m V g sr oV oSRo u ti+_ososm r IRVIRgI osmsosmoo rRgRrRgIVR )1()1( 共源级放大器的高频等效电路如下所示： +_GSDV g sg m V g sV iV oSRIGSCSCIgIRSCIVGSmsGSi SC RgRSC RgIV GS smsGS smi 11得到： smGSinR RgCC 1 共源级放大器具有电压增益
6、高，输入电阻较大，适用于一些多级放大器电路的中间级或输出级。 四、 图 4 所示（ 1）指出放大器的类型， M2 管的作用是什么；（ 2）如果有源负载为简单的镜像电流源，请分析电路工作电压范围、输出阻抗、增益、和极点频率；（ 3）如果有源负载为增强型共源 -共栅电流镜，请分析电路工作电压范围、输出阻抗、增益、和极点频率 ；（ 4）比较（ 2）（ 3）两种情况下的电路性能。 图 4 解答： （ 1）放大器为共源共栅级放大器， M2 管共栅级连结提高输出阻抗，但是会产生电压余度消耗问题，在 M2 栅源间接一个放大器，可以提高 M2 的跨导，相应阻抗也提高了，但并不会消耗过多的电压余度。 （ 2）当
7、有源负载为简单的镜像电流源时，电路如下图所示： V b +_V i nM 1M 2M 3V D DC LI o u t V o u tI r e f PY输入电压工作条件： THYTH TVVinT 输出电压摆幅 ： )()( 123 THGSTHGSSGDD VVVVVV 输出阻抗： 3020123020120201 /)1( omomo u t rrrAgrrrgArrR 增益： )/( 3020121 ommoutmV rrrAggRGA 极点频率：LoutCRw1 （ 3）当 有源负载为增强型共源 -共栅电流镜时，电路如下图所示： V b +_V i nM 1M 2M 3V D DC
8、LI o u t V o u tI r e f PYM 4输入电压工作条件： THYTH TVVinT 输出电压摆幅： )()( 1234 THGSTHGSSGSGDD VVVVVVV 输出阻抗为： 4330201243343020120201 /)/ / ()1( oommoomoomout rrgrrAgrrgrrrrgArrR 增益： )/( 4033020121 ommmoutmV rrgrrAggRGA 极点频率：LoutCRw1 （ 4）当 有源负载为简单的镜像电流源时，输出范围较有源负载为增强型共源 -共栅电流镜宽一个 GSV ，（ 3）中由于负载电流连接成共源共栅结构，输出电阻
9、较（ 2）增大，因此输出增益也增大，同时也造成（ 3）中极点频率降低，这会导致电路的驱动能力和速度下降。 五、 求 MOS 器件及 R 负载构成的共源放大器输出及输入噪声。令 MOS 器件输出噪声电流为 2.innI ，热噪声电流为 2.RnI ，输出噪声为 2.outnV ，等效输入噪声为 2.innV ，等效电路如图 5 所示。 图 5 解答： MOS 管会产生热噪声和 1/f 噪声， 负载电阻 R 会产生热噪声，并且各种噪声是非相关的。 )/()3/2(4 22 /1.2 .2 . W L fCKggkTIII OXmmfnthninn ， DRn RkTI /42. 。 因此输出总噪声
10、： 2222 .2 .2. /4)/()3/2(4)( DDOXmmDRninnoutn RRkTW L fCKggkTRIIV 共源级放大器的增益： DmV RgA 输入总噪声： )/(4)/()3/2(41/4)/()3/2(41)(222222222 .2 .2.DmOXmDmDDOXmmDmDRninninnRgkTWL fCKgkTRgRRkTWL fCKggkTRgRIIV带隙基准电路的设计 摘要： 基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前 ,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、 A/ D和 D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和
11、抗噪声 干扰能力直接影响到芯片 ,甚至整个控制系统的性能。因此 ,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自 1971 年 Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后 ,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压 ,以及可以与标准 CMOS 工艺兼容的特点 ,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。 一 设计指标： 1、 温度系数：refFVTC VT 2、 电压系数：refF ddVVC VV 二、带隙基准电路结构 图 6 参考电路图 三、 性能指标分析 如果将两个具有相反温度系数（ TCs）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数
12、。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量VREF。 VREF= a1VBE+ a2VT (n) 其 中 , VREF为基准电压 , VBE为双极型三极管的基极 -发射极正偏电压 , VT为热电压。对于 a1 和 a2 的 选 择 ， 因 为 室 温 下 / 1 .5 m /BE TV V K , 然而/ 0 . 0 8 7 m /TV T V K , 所以我们可以选择令 a1=1, 选择 a2lnn 使得2( l n ) ( 0 . 0 8 7 / ) 1 . 5 /m V K m V K ,也就是 2 ln 17.2n ，表明零温度系数的基准为： 1 7 .2 1 .2 5R E F B E TV V V V 对于带隙基准电路的分析，主要是在 Cadence环境下进行瞬态分析、 dc扫描分析。 各器件参数 Mp1(nvp) 1/5 Mn1(nvn) 3/5 Mp2(nvp) 1/5 Mn2(nvn) 3/5 Mp3(nvp) 1/5 Mn3(nvn) 3/5 Mp4(nvp) 1/5 Mn4(nvn) 3/5 Mp5(nvp) 1/5 Q1(pnp10) 1 Mp6(nvp) 1/5 Q2(pnp10) 8 R0 20k Q3(pnp10) 1 R1 220K 1、瞬态分析 电源电压 Vdd=5v时， Vref 1.2378V，下图为瞬态分析图。
