模拟集成电路拉扎维1.pptx

模拟CMOS集成电路设计本课程基于贝赫扎德·拉扎维的经典教材，探索模拟CMOS集成电路设计的基础理论与实践应用。我们将深入研究从晶体管物理到复杂系统设计的全过程，帮助你掌握现代电子系统的核心技术。作者：

课程简介掌握模拟电路设计核心原理理解CMOS技术基础，建立系统分析能力学习实用设计技巧从基本单元到复杂系统的设计方法论培养创新思维解决实际电路设计中的关键问题

模拟信号vs数字信号模拟信号连续变化的电压或电流理论上可以表达无限精度的信息容易受噪声影响例如：人声、温度、光强度数字信号离散的电压电平（通常为高低两级）有限精度但抗噪能力强处理和存储方便例如：计算机数据、数字音频

模拟集成电路的基本构建模块晶体管有源器件，实现信号放大和开关功能电阻控制电流流动，设置偏置点电容储存电荷，滤波和稳定电路

MOSFET的基本结构栅极(Gate)控制沟道的形成，绝缘层上方的金属或多晶硅结构源极与漏极(SourceDrain)电流的入口和出口，掺杂类型与衬底相反体(Body)也称为衬底，形成PN结隔离源漏区域

MOSFET的工作模式截止区栅源电压小于阈值电压(VgsVth)沟道未形成，器件不导通线性区VgsVth且VdsVgs-Vth沟道形成，器件像电阻一样工作饱和区VgsVth且VdsVgs-Vth沟道夹断，电流基本恒定

MOSFET的重要参数Vth阈值电压使MOSFET从截止区进入导通区的最小栅源电压gm跨导栅源电压变化引起的漏极电流变化率ro输出电阻漏源电压变化引起的漏极电流变化的反比

大信号分析vs小信号分析大信号分析考虑器件在整个工作范围内的非线性特性用于确定直流工作点和极限操作状态小信号分析在工作点附近线性化器件特性使用等效电路简化分析互补应用大信号决定偏置点，小信号分析动态行为

MOSFET的小信号等效电路共源极配置输入在栅极，输出在漏极，源极接地1共栅极配置输入在源极，输出在漏极，栅极接地2共漏极配置输入在栅极，输出在源极，漏极接电源3

单级放大器：共源极电路特点最基本的放大器结构输入信号控制栅极电压输出从漏极获取提供电压增益和信号相位反转偏置考虑需确保晶体管工作在饱和区漏极电阻决定增益和直流电压降

共源极放大器的小信号分析电压增益Av=-gm×(ro||RD)负号表示输出与输入相位相反输入阻抗Rin≈∞MOSFET栅极近似为开路输出阻抗Rout=ro||RD输出电阻与负载电阻并联

共源极放大器的频率响应

单级放大器：共栅极1应用场景高频电路和阻抗匹配2主要优势低输入阻抗和高带宽3基本特性电压增益接近1，无相位反转4基本结构输入信号加到源极，栅极接交流地

共栅极放大器的小信号分析参数公式典型值电压增益Av=gm(ro||RD)5-20输入阻抗Rin≈1/gm数百欧姆输出阻抗Rout=ro||RD数十千欧

单级放大器：源极跟随器电压跟随特性输出信号跟随输入信号，无相位反转阻抗转换高输入阻抗，低输出阻抗缓冲器应用理想用于驱动重负载或传输线

源极跟随器的小信号分析电压增益Av=gm×RS/(1+gm×RS)≈1增益接近但略小于1输入阻抗Rin≈∞非常高，适合驱动高阻抗电路输出阻抗Rout≈1/gm非常低，适合驱动低阻抗负载

电流镜电路基本电流镜由两个匹配的晶体管组成，一个连接为二极管配置多输出电流镜可同时向多个电路提供相同或比例放大的电流叠栈式电流镜提高输出阻抗和电流精度的改进结构

改进的电流镜结构宽摆幅电流镜降低最小输出电压要求适用于低电压应用结构更复杂高输出阻抗电流镜采用叠栈或反馈技术提高输出阻抗减少沟道长度调制效应提高电流精度

差分对基本结构两个完全对称的晶体管，尾端由恒流源偏置输入信号加在两个栅极上，输出从两个漏极获取工作原理对差模信号有放大作用对共模信号有抑制作用尾电流在两个晶体管间分配是模拟电路最基本的单元之一

差分对的小信号分析差模增益Ad=gm×(ro||RD)，两个输入信号相反时的放大倍数共模增益Ac≈0，两个输入信号相同时的放大倍数，理想情况下为零共模抑制比CMRR=Ad/Ac，越高越好，表示电路抑制共模干扰的能力

有源负载基本概念用晶体管代替电阻作为负载元件可以获得更高的增益和更好的面积效率PMOS有源负载与NMOS驱动管配合使用形成互补结构，提高电压摆幅电流镜有源负载利用电流镜结构作为负载提供高输出阻抗，获得最大增益

电流源偏置技术基准电流生成通过基准电压和电阻产生初始电流电流复制使用电流镜复制基准电流到多个电路温度补偿采用带隙基准电路减小温度影响抗电源噪声采用叠栈结构减小电源变化影响

频率补偿Miller补偿在高增益级的反馈路径上添加电容零点消除添加电阻与Miller电容串联消除右半平面零点极点分离使主极点远