雖然考察范圍差不多是整本書,但我們學校只講到了第九章十章的樣子,先整理這部分,剩下的部分再看。
當然光這些東西也好難。。。
第一章 模擬電路設計緒論
一些基礎知識,首先是模擬電路的重要性。雖然數字電路運算能力強得多,大的模擬電路又不利於設計,但某些情景下模擬電路還是必不可少的。
比如對自然信號的采集時,需要利用放大器、濾波器、ADC等,有時對性能要求很高,需要很專業的設計。
比如數字通信,為了應對電纜的損耗,需使用多電平信號,仍要用到ADC和DAC
比如硬盤讀取時電平信號很小,噪聲影響會很大,需要濾波器。
比如無線接收器,需要高頻、低噪聲的濾波器和放大器。
比如光接收器,應用於光纖系統。
比如傳感器,有時需要的精度極高。
比如微處理器和存儲器,應對高速信號、寄生參數等等,需要利用模擬電路處理。“高速數字電路設計實際上是模擬電路的設計”
然后是研究CMOS電路的原因,CMOS上世紀六十年代問世,很快占領了數字電路市場。它的優點在於,只需要很少的元件以及只在開關瞬間消耗功率。此外,人們發現CMOS器件更容易按比例縮小,增加集成度,以及CMOS電路成本更低。
但在模擬領域,MOSFET與雙極性晶體管相比,缺點是速度相當慢,噪聲相當大,應用因此受限。但由於其器件能夠按比例縮小的優勢,提高了MOSFET的速度,已經可以和雙極性器件相比較了。目前幾GHz的模擬電路已經生產了。
魯棒性的概念:音譯自robust,強健的,堅固的,用來描述系統的性能時,表示系統在不同外界環境下(如溫度、外電壓)能夠保持正常工作的能力。
本章結束
第二章 MOS器件物理基礎
本章涉及到MOS器件的基本的特性、常見二級效應、以及MOS器件電容。
2.1 基本概念
mos結構,記住一些概念就可以:
襯底(bulk/body)
兩個重摻雜n區形成的源端(source)和漏端(drawn)
重摻雜(用以導電)的多晶硅構成的柵(poly)
一層薄SiO2使得柵與襯底隔離
柵長、柵寬、有效溝道長度、溝道總長度、橫向擴散長度、
柵氧化層厚度也是非常重要的參數
一般而言,管子的S、D都必須反偏,意味着NMOS的襯底要被連接到最低電壓上。通常利用一個P+歐姆區來實現。
阱的概念。一般N阱與最正的電源供給相連接。
mos管的I/V特性:有一個物理意義上的簡單推導,可以看一下,詳細的推導要還看半導體器件物理。我記得很難,當時沒學明白
2.2 二級效應
1、體效應(背柵效應)
VSB越大,閾值電壓越大,書上的原理真的沒咋看懂,(襯底電壓越低,負電荷被驅趕到溝道,難道達到同等電荷密度不就需要更小的閾值電壓了嗎)
等到器件物理再仔細看看吧。
2、溝道長度調制效應
比較簡單,具體原理沒記,略
3、亞閾值導電
通常我們電路分析主要遇到上面兩個,這個不太會遇到,只需要知道概念,即柵電壓並不是在閾值電壓時使溝道突然打開,二是在小於Vth時,仍然會有微弱的電流。
影響在於此漏電流會導致較大的功率損耗,或是模擬信息的丟失。
4、電壓限制
mos管也會有一系列擊穿效應,但沒怎么見過,看看就行了
5、速度飽和
書上沒提,但卻在其他書上常見,需要掌握。
具體的好像在數集上面?概念是當源漏電壓大到一定程度,電子運動速度將不會再隨電場增大,電流強度也就不會再隨電壓增大。
2.3 MOS器件模型
主要內容是器件的電容,這部分挺難的,要記住有哪些電容需要考慮,各自原理和來源,在各個工作區的變化。
挺麻煩的,主要涉及到的地方是數集和頻率特性那部分,先跳過了。計算的話就更不想看了,這部分算是比較繁瑣的。
其實電路涉及到電容都蠻繁瑣的,比如信號與系統和通信電路。。。
第三章 單機放大器
第三四五章,實際上是最基礎的,要掌握后面必須要把這三章熟練掌握。當然也挺難的,內容也很多,主要是低頻的分析。
這遍總結的目標是總結一下涉及到的知識點和各種常用的電路模塊、能夠做到目測分析各個常用模塊、了解各個設計的特性之間的折中。
3.1 基本概念
八邊形法則,也就是各個性能之間的折中,八個分別是增益、速度、功耗、電源電壓、線性度、噪聲、擺幅、輸入輸出阻抗
3.2 共源級
1、電阻負載的共源級,最簡單的情況,不需要考慮體效應和溝長調制,(雖然考慮溝調也很簡單)
值得注意的是,增益隨輸入電平變化,由此會在大信號工作中產生非線性。
跨導隨輸入電壓的變化也容易求出,輸入較小時,跨導逐漸變大,直到管子進入線性區,跨導逐漸減小。即在線性區邊緣跨導最大。
一個重要問題:如何提高增益?可以增大寬長比、增大電阻上的壓降、或者減小電流。體現的折中關系很重要:尺寸越大,電容越大;電阻上的電壓越大,擺幅越小。如果保持電壓不變,減小電流,將必須使電阻增大,這樣會導致輸出節點的時間常數增大。總之,其中的折中關系為 增益、帶寬、電壓擺幅。更低的電源電壓將會導致這種關系更加顯著。
2、采用二極管連接的共源級
是非常經典的模塊,要熟練掌握。起的作用是一個小信號電阻,電阻為1/(gm+gmb)
將此模塊做負載時,會發現增益變為跨導的比值,由於電流相同,會進一步等於寬長比的比值,線性性很好。
但增益不易提高。要達到10倍增益,需要寬長比的比值變為100倍,即需要強的輸入器件和弱的負載器件,這樣會造成器件尺寸不均衡,從而引起大的輸入和負載電容。同時還有另外一個嚴重局限:電壓擺幅減小,增益與過驅動電壓的比值成正比,要求的增益越大,要求的負載管過驅動電壓也就越大,擺幅就越小。
此處的例3.3很經典,因為當時一度困惑了很久,無法直觀理解。本質上,增益與過驅動電壓的關系,是給定尺寸下,增益與跨導的關系的體現。同時要注意負載的那個不是受控源,而是一個大信號電流源。由於電流變為四分之一,過驅動電壓變為了1/2,同時跨導變為1/2,相當於阻抗變為二倍。由此過驅動電壓相對增益變化了四倍。增益與過驅動電壓的矛盾減小了。
3、電流源做負載
略了,很直觀。
4、帶源極負反饋的共源級
這部分是比較難的,同時也需要熟練掌握,很多情形中會見到。
首先先忽略二級效應,計算增益,就比較簡單,也很容易直觀理解。值得注意的是,反饋電阻很大時,增益近似線性,相當於用增益換了線性性
然后是考慮二級效應時,會使直觀的理解變得很難。需要借助輔助定理,先求跨導再求輸出阻抗,最后得到增益。
先是得到跨導Gm,這個是通過定律推導的,需要記住,而且至今沒感覺有什么直觀理解的方式,估計其實是沒有,就先記住。
輸出電阻,個人倒是覺得比較直觀,我比較喜歡把Rs放在外面,物理意義比較明顯。當然后面基本也是利用近似,只保留乘積項。
最后是兩者相乘,得到增益。依據是輔助定理,這里也不太懂,如同諾頓等效一樣,不直觀,記住好了。
加入負載后的增益也可以推出來,結果就是跨導乘以 輸出阻抗和負載 的並聯。
3.3 源跟隨器
這里考慮的是有體效應、無溝長調制的情況,增益推導出的結果好像也不太直觀,記住吧。
這里的例題比較特殊,利用了迭代的方法,用於手算,平時沒怎么見過。
對於輸出阻抗,管子的柵極短路,相當於一個二極管連接的mos管,結果比較直觀,為1/(gm+gmb)
輸出阻抗還有更為直觀的理解方式,小信號電路可以等效為gmb與負載的並聯,再與gm串聯。考慮ro時,同理,直接並聯在負載上。
結論:源跟隨器表現出高的輸入阻抗和中等(其實已經很小了)的輸出阻抗,代價是非線性和電壓余度的減小。折中關系可以詳細討論。
關於非線性:即使負載無窮大也會有非線性,與器件有關,大概在百分之幾
電壓余度:由於源跟隨器會使信號直流點平發生平移,因此消耗電壓余度,從而限制擺幅。輸入存在一個較大的最小值。
同時,源跟隨器的驅動能力也一般,不是有效的驅動器。
缺點總結:體效應的非線性,電壓余度,驅動能力差。(后面還會講,源跟隨器引入大噪聲)
因此應用很受限,一般用作點平移動。
3.4 共柵級
增益:如不考慮ro,即輸入和輸出之間不存在反饋。增益比較容易考慮,Av =(gm+gmb)RD,比較直觀。
輸入阻抗比較小,如果沒有ro,也比較容易分析,1/(gm+gmb),也很直觀。
接下來的例題好像很關鍵,由於共柵級的負載不會對輸入阻抗有影響,可以通過調節晶體管尺寸確定輸入阻抗。傳輸線中,負載必須等於特征阻抗時,才不會有波反 射,因此共柵級可以應用與此。
如果考慮ro,就不太直觀了,只能老老實實推導。記不住,我覺得記那個簡單的就可以(模集真的好難吶)
輸入阻抗:這個其實相對來講比較直觀,,但結果也要記,同時要知道,負載等於零時,相當於源跟隨和二極管連接,負載無窮大時,輸入阻抗也是無窮大。
例題也盡量記一下,如果負載是電流源,那么增益比較直觀: Av = (gm+gmb)ro + 1
輸出阻抗分析過了,也比較簡單。
3.5 共源共柵級
最突出的特性在於輸出阻抗很高,近似為ro1*ro2*(gm1+gm2),比較容易理解,也很常用。
層疊更多的管子會增大輸出阻抗,但會減少電壓余度。
比較增大增益的兩種方法:
1、利用共源共柵 2、保持偏置電流不變減小寬長比
計算表明兩種方法在增益和電壓余度的折中里受到同樣的限制。
共源共柵結構不一定起放大器的作用,一個普遍應用是恆定電流源,原因是輸出阻抗較高,(雖然還是有電壓余度不夠的問題)
對於電壓余度這個概念,一般來講,套筒結構多一個管子,就相當於電壓余度少一個過驅動電壓。
屏蔽特性的概念:輸出端電壓變化,幾乎不影響源級的電壓。即共源共柵晶體管 屏蔽 輸入器件,不受輸出節點電壓變化的影響。
折疊共源共柵的概念:略
下面這段倒是沒咋看懂:我們本章設法增大了輸出電阻來達到高增益,或許看起來這會使電路的速度容易受負載電容的影響,盡管如此,如第八章解釋,如果放大器工 作在一個適當的反饋回路里,高輸出阻抗本身並不會造成嚴重問題。
3.6 器件模型的選擇
有點廢話
這就是前三章了,可以說第三章是非常基礎的了,最好能做到直觀理解。