模拟集成电路学习总结 一二三章


虽然考察范围差不多是整本书,但我们学校只讲到了第九章十章的样子,先整理这部分,剩下的部分再看。

当然光这些东西也好难。。。

 

第一章 模拟电路设计绪论 

  一些基础知识,首先是模拟电路的重要性。虽然数字电路运算能力强得多,大的模拟电路又不利于设计,但某些情景下模拟电路还是必不可少的。

  比如对自然信号的采集时,需要利用放大器、滤波器、ADC等,有时对性能要求很高,需要很专业的设计。

  比如数字通信,为了应对电缆的损耗,需使用多电平信号,仍要用到ADC和DAC

  比如硬盘读取时电平信号很小,噪声影响会很大,需要滤波器。

  比如无线接收器,需要高频、低噪声的滤波器和放大器。

  比如光接收器,应用于光纤系统。

  比如传感器,有时需要的精度极高。

  比如微处理器和存储器,应对高速信号、寄生参数等等,需要利用模拟电路处理。“高速数字电路设计实际上是模拟电路的设计”

  

  然后是研究CMOS电路的原因,CMOS上世纪六十年代问世,很快占领了数字电路市场。它的优点在于,只需要很少的元件以及只在开关瞬间消耗功率。此外,人们发现CMOS器件更容易按比例缩小,增加集成度,以及CMOS电路成本更低。

  

  但在模拟领域,MOSFET与双极性晶体管相比,缺点是速度相当慢,噪声相当大,应用因此受限。但由于其器件能够按比例缩小的优势,提高了MOSFET的速度,已经可以和双极性器件相比较了。目前几GHz的模拟电路已经生产了。

 

  鲁棒性的概念:音译自robust,强健的,坚固的,用来描述系统的性能时,表示系统在不同外界环境下(如温度、外电压)能够保持正常工作的能力。

 

  本章结束

 

 

第二章 MOS器件物理基础

  本章涉及到MOS器件的基本的特性、常见二级效应、以及MOS器件电容。

 

2.1 基本概念

  mos结构,记住一些概念就可以:

  衬底(bulk/body)

  两个重掺杂n区形成的源端(source)和漏端(drawn)

  重掺杂(用以导电)的多晶硅构成的栅(poly)

  一层薄SiO2使得栅与衬底隔离

  栅长、栅宽、有效沟道长度、沟道总长度、横向扩散长度、

  栅氧化层厚度也是非常重要的参数

  一般而言,管子的S、D都必须反偏,意味着NMOS的衬底要被连接到最低电压上。通常利用一个P+欧姆区来实现。

  阱的概念。一般N阱与最正的电源供给相连接。

 

  mos管的I/V特性:有一个物理意义上的简单推导,可以看一下,详细的推导要还看半导体器件物理。我记得很难,当时没学明白

 

2.2 二级效应

 

  1、体效应(背栅效应)

  VSB越大,阈值电压越大,书上的原理真的没咋看懂,(衬底电压越低,负电荷被驱赶到沟道,难道达到同等电荷密度不就需要更小的阈值电压了吗)

等到器件物理再仔细看看吧。

 

  2、沟道长度调制效应

  比较简单,具体原理没记,略

 

  3、亚阈值导电

  通常我们电路分析主要遇到上面两个,这个不太会遇到,只需要知道概念,即栅电压并不是在阈值电压时使沟道突然打开,二是在小于Vth时,仍然会有微弱的电流。

  影响在于此漏电流会导致较大的功率损耗,或是模拟信息的丢失。

 

  4、电压限制

  mos管也会有一系列击穿效应,但没怎么见过,看看就行了

 

  5、速度饱和

  书上没提,但却在其他书上常见,需要掌握。

  具体的好像在数集上面?概念是当源漏电压大到一定程度,电子运动速度将不会再随电场增大,电流强度也就不会再随电压增大。

 

2.3 MOS器件模型

  主要内容是器件的电容,这部分挺难的,要记住有哪些电容需要考虑,各自原理和来源,在各个工作区的变化。

  挺麻烦的,主要涉及到的地方是数集和频率特性那部分,先跳过了。计算的话就更不想看了,这部分算是比较繁琐的。

  其实电路涉及到电容都蛮繁琐的,比如信号与系统和通信电路。。。

 

第三章 单机放大器

  第三四五章,实际上是最基础的,要掌握后面必须要把这三章熟练掌握。当然也挺难的,内容也很多,主要是低频的分析。

  这遍总结的目标是总结一下涉及到的知识点和各种常用的电路模块、能够做到目测分析各个常用模块、了解各个设计的特性之间的折中。

 

3.1 基本概念

  八边形法则,也就是各个性能之间的折中,八个分别是增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、摆幅、输入输出阻抗

 

3.2 共源级

1、电阻负载的共源级,最简单的情况,不需要考虑体效应和沟长调制,(虽然考虑沟调也很简单)

  值得注意的是,增益随输入电平变化,由此会在大信号工作中产生非线性。

  跨导随输入电压的变化也容易求出,输入较小时,跨导逐渐变大,直到管子进入线性区,跨导逐渐减小。即在线性区边缘跨导最大。

 

  一个重要问题:如何提高增益?可以增大宽长比、增大电阻上的压降、或者减小电流。体现的折中关系很重要:尺寸越大,电容越大;电阻上的电压越大,摆幅越小。如果保持电压不变,减小电流,将必须使电阻增大,这样会导致输出节点的时间常数增大。总之,其中的折中关系为 增益、带宽、电压摆幅。更低的电源电压将会导致这种关系更加显著。

 

2、采用二极管连接的共源级

  是非常经典的模块,要熟练掌握。起的作用是一个小信号电阻,电阻为1/(gm+gmb)

  将此模块做负载时,会发现增益变为跨导的比值,由于电流相同,会进一步等于宽长比的比值,线性性很好。

  但增益不易提高。要达到10倍增益,需要宽长比的比值变为100倍,即需要强的输入器件和弱的负载器件,这样会造成器件尺寸不均衡,从而引起大的输入和负载电容。同时还有另外一个严重局限:电压摆幅减小,增益与过驱动电压的比值成正比,要求的增益越大,要求的负载管过驱动电压也就越大,摆幅就越小。

  

  此处的例3.3很经典,因为当时一度困惑了很久,无法直观理解。本质上,增益与过驱动电压的关系,是给定尺寸下,增益与跨导的关系的体现。同时要注意负载的那个不是受控源,而是一个大信号电流源。由于电流变为四分之一,过驱动电压变为了1/2,同时跨导变为1/2,相当于阻抗变为二倍。由此过驱动电压相对增益变化了四倍。增益与过驱动电压的矛盾减小了。

 

3、电流源做负载

  略了,很直观。

 

4、带源极负反馈的共源级

  这部分是比较难的,同时也需要熟练掌握,很多情形中会见到。

  首先先忽略二级效应,计算增益,就比较简单,也很容易直观理解。值得注意的是,反馈电阻很大时,增益近似线性,相当于用增益换了线性性

  然后是考虑二级效应时,会使直观的理解变得很难。需要借助辅助定理,先求跨导再求输出阻抗,最后得到增益。

 

 

  先是得到跨导Gm,这个是通过定律推导的,需要记住,而且至今没感觉有什么直观理解的方式,估计其实是没有,就先记住。

  输出电阻,个人倒是觉得比较直观,我比较喜欢把Rs放在外面,物理意义比较明显。当然后面基本也是利用近似,只保留乘积项。

  最后是两者相乘,得到增益。依据是辅助定理,这里也不太懂,如同诺顿等效一样,不直观,记住好了。

  

  加入负载后的增益也可以推出来,结果就是跨导乘以 输出阻抗和负载 的并联。

  

 

  

3.3 源跟随器

  这里考虑的是有体效应、无沟长调制的情况,增益推导出的结果好像也不太直观,记住吧。

  这里的例题比较特殊,利用了迭代的方法,用于手算,平时没怎么见过。

 

  对于输出阻抗,管子的栅极短路,相当于一个二极管连接的mos管,结果比较直观,为1/(gm+gmb)

  输出阻抗还有更为直观的理解方式,小信号电路可以等效为gmb与负载的并联,再与gm串联。考虑ro时,同理,直接并联在负载上。

  

  结论:源跟随器表现出高的输入阻抗和中等(其实已经很小了)的输出阻抗,代价是非线性和电压余度的减小。折中关系可以详细讨论。

  关于非线性:即使负载无穷大也会有非线性,与器件有关,大概在百分之几

  电压余度:由于源跟随器会使信号直流点平发生平移,因此消耗电压余度,从而限制摆幅。输入存在一个较大的最小值。

  同时,源跟随器的驱动能力也一般,不是有效的驱动器。

  缺点总结:体效应的非线性,电压余度,驱动能力差。(后面还会讲,源跟随器引入大噪声)

  因此应用很受限,一般用作点平移动。

 

 

3.4 共栅级

  增益:如不考虑ro,即输入和输出之间不存在反馈。增益比较容易考虑,Av =(gm+gmb)RD,比较直观。

  输入阻抗比较小,如果没有ro,也比较容易分析,1/(gm+gmb),也很直观。

  接下来的例题好像很关键,由于共栅级的负载不会对输入阻抗有影响,可以通过调节晶体管尺寸确定输入阻抗。传输线中,负载必须等于特征阻抗时,才不会有波反          射,因此共栅级可以应用与此。

 

  如果考虑ro,就不太直观了,只能老老实实推导。记不住,我觉得记那个简单的就可以(模集真的好难呐)

 

  输入阻抗:这个其实相对来讲比较直观,,但结果也要记,同时要知道,负载等于零时,相当于源跟随和二极管连接,负载无穷大时,输入阻抗也是无穷大。

 

  例题也尽量记一下,如果负载是电流源,那么增益比较直观: Av = (gm+gmb)ro + 1 

 

  输出阻抗分析过了,也比较简单。

 

 

3.5 共源共栅级 

  最突出的特性在于输出阻抗很高,近似为ro1*ro2*(gm1+gm2),比较容易理解,也很常用。

  层叠更多的管子会增大输出阻抗,但会减少电压余度。

  

  比较增大增益的两种方法:

  1、利用共源共栅 2、保持偏置电流不变减小宽长比

  计算表明两种方法在增益和电压余度的折中里受到同样的限制。

  

  共源共栅结构不一定起放大器的作用,一个普遍应用是恒定电流源,原因是输出阻抗较高,(虽然还是有电压余度不够的问题)

  对于电压余度这个概念,一般来讲,套筒结构多一个管子,就相当于电压余度少一个过驱动电压。

  

  屏蔽特性的概念:输出端电压变化,几乎不影响源级的电压。即共源共栅晶体管 屏蔽 输入器件,不受输出节点电压变化的影响。

 

  折叠共源共栅的概念:略

 

  下面这段倒是没咋看懂:我们本章设法增大了输出电阻来达到高增益,或许看起来这会使电路的速度容易受负载电容的影响,尽管如此,如第八章解释,如果放大器工      作在一个适当的反馈回路里,高输出阻抗本身并不会造成严重问题。

 

3.6 器件模型的选择

  有点废话

 

 

这就是前三章了,可以说第三章是非常基础的了,最好能做到直观理解。

  

  

 

 

  


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