Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
49
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.21 Mб
Скачать

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.6-1

V.6 - SUMMARY

The circuits in this chapter represent the first level of building blocks in analog circuit design.

The MOS transistor makes a good switch and a variable resistor with reasonable ranges of linearity in certain applications.

Primary switch imperfection is clock feedthrough. In order for switches to be used with lower power supplies, VT must be decreased.

The primary characteristics defining a current sink or source are VMIN and Rout. VMIN 0 and Rout → ∞. Typically the product of VMIN times Rout is a constant in most designs.

Current mirrors are characterized by:

Gain accuracy

Gain linearity

VMIN on output

Rout

Rin

Reasonably good power supply independent and temperature independent voltage and current references are possible. These references do not satisfy very stable reference requirements.

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.0-1

VI. CMOS AMPLIFIERS

Contents

VI.1 Simple Inverting Amplifier

VI.2 Differential Amplifiers

VI.3 Cascode Amplifier

VI.4 Output Amplifiers

VI.5 Summary

Organization

Chapter 10

Chapter 11

D/A and A/D

Analog Systems

Converters

 

SYSTEMS

 

 

Chapter 7

Chapter 8

Chapter 9

CMOS

Simple CMOS

High Performance

Comparators

OTA's

OTA's

 

 

COMPLEX

 

 

CIRCUITS

 

 

Chapter 5

 

Chapter 6

CMOS

 

CMOS

Subcircuits

Amplifiers

SIMPLE

 

 

Chapter 2

Chapter 3

Chapter 4 Device

CMOS

CMOS Device

Characterization

Technology

Modeling

 

DEVICES

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-1

VI.1 SIMPLE INVERTING AMPLIFIERS

CHARACTERIZATION OF AMPLIFIERS

We shall characterize the amplifiers of this Chapter by the following aspects:

Large Signal Voltage Transfer Characteristics

Maximum Signal Swing Limits

Small Signal Midband Performance

Gain

Input resistance

Output resistance

Small Signal Frequency Response

Other Considerations

Noise

Power

Etc.

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-2

VI.1.1 - CMOS INVERTERS

Types

+

vIN

-

 

VDD

 

 

 

VGG2

 

 

M2

M2

 

M2

+

 

+

+

 

+

M1

M1

vIN

M1

vOUT

+

vOUT

vOUT

 

vIN

 

 

-

-

- -

-

Active

Current

 

Push-pull

Load

Source

 

 

inverter

Inverter

Inverter

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page VI.1-3

ACTIVE LOAD INVERTER - VOLTAGE TRANSFER CURVE

 

CMOS Active Load Inverter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VDD 3 0 DC 5.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2

 

v IN=5V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.0

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

=4.5V

 

 

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

=4V

 

(mA)0.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

=3.5V

 

 

D

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

=3V

 

 

 

 

 

 

 

 

IN

0.2

 

 

 

 

 

 

 

vIN=2.5V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

=1V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

=2V

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

vIN=1.5V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2 vOUT

3

 

 

4

 

 

 

 

 

5V

 

 

 

 

 

W2

15 m

 

 

 

=

 

 

 

L

3 m

 

 

M2

2

 

 

 

 

 

W1

=

15 m

+

 

3 m

 

L

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

M1

 

 

+

 

vOUT

 

vIN

 

 

-

-

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

vOUT

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

 

 

 

vIN

 

 

SPICE Input File:

VIN 1 0 DC 0.0

M1 2 1 0 0 MNMOS1 W=15U L=3U

M2 2 2 3 3 MPMOS1 W=15U L=3U

.MODEL MNMOS1 NMOS VTO=0.75 KP=25U LAMBDA=0.01 GAMMA=0.8 PHI=0.6

.MODEL MPMOS1 PMOS VTO=-0.75 KP=8U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.4 PHI=0.6

.DC VIN 0 5 0.1

.OP

.PRINT DC V(2)

.PROBE

.END

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page VI.1-4

Active Load CMOS Inverter Output Swing Limits

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maximum:

 

iD=0

 

 

 

 

vSD2=|VT2|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VDD

 

 

vIN=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vOUT(max) VDD |VTP|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD

 

vOUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Minimum:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vIN

 

 

 

 

 

 

M1

 

 

 

 

Assume vIN = VDD, M1 active,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VSS

 

 

M2 saturated, and VT1 = VT2 = VT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M1:

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

)v

 

 

 

 

 

v

DS1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

= β1 (v

GS1

T

DS1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(vOUTVSS)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

V

 

 

)(v

 

 

 

 

 

 

V

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= β1 (V

DD

SS

T

OUT

SS

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M2:

i

 

 

=

β2

(v

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

)2

 

=

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

V

 

)2

 

=

β2

 

 

 

 

 

+V

 

 

V

 

)2

D

2

 

GS

T

 

2

 

(V

DD

OUT

T

 

2

(v

OUT

T

DD

 

i

 

 

=

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

+V

 

 

 

+V

 

 

V

 

 

 

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

2

(v

OUT

SS

SS

T

DD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

β2

(v

OUT

V

SS

)(V

DD

V

SS

V

) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Define

 

vOUT' = vOUT VSS

 

 

 

and VX = VDD VSS VT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

= β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

'

 

(vOUT')2

 

 

 

 

 

 

 

(M1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

V

X

OUT

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

D

=

 

β2

v

OUT

' V

X

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(M2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Equate currents -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

OUT

'2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

2VXvOUT

' + VX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 vOUT

 

 

 

 

 

 

= β1 VXvOUT'

 

 

2

 

 

 

 

 

 

or

β2

vOUT

'2 2VXvOUT

' + VX2

= 2VXvOUT' vOUT'2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'2 2V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

v

 

 

 

 

' +

V

 

 

2

= 0

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1

 

 

 

 

 

 

 

OUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1

 

 

OUT

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vOUT'2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2/β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2VXvOUT' +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VX2

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+β2/β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-5

v

 

' = V

 

± 1

β2/β1

 

= V

 

1

 

OUT

1

 

 

1

 

 

 

 

X

 

 

1+β2/β1

 

X

 

1 + β2/β1

vO U T (min.) = VD D VT

V D D VSS VT

1 + β2/β1

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-6

Interpretation of vOUT(min.)

 

1

 

 

 

vOUT(min.) = (VDD VSS VT) 1

 

β

 

+ VSS

 

 

1 +

2

 

 

 

 

 

 

β1

VDD = VSS = 5V

VT = 1V

vOUT

5

3 v MAX

1

0

0.1

-1

v MIN

-3

-5

Gain ~

β1

β2

 

β1

β2

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-7

Active Load Inverters

Small Signal Characteristics

Model:

5V

S2=B2

M2

 

gm2vgs2

rds2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D1=D2=G2

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

M1

+ G1 +

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm1vin

rds1 g

 

v

 

r

vout

 

vOUT

 

 

 

v

in

m2

out

 

g

v

rds1

vout

 

 

 

ds2

 

 

vin

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

m1

in

 

 

-

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

vIN

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1=B1

 

 

 

 

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Small Signal Voltage Gain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

out

= g

m1

v

in

+ g

m2

v

r

ds1

|| r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

out

 

 

d s 2

vout

= g

 

 

 

 

gm1

 

 

 

 

gm1

=

v

ds1

+ g

ds2

+ g

m 2

g

m2

 

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vout

 

KN' W1L2

µNO W1L2

v

=

K

'

W

L

=

 

µ

W

L

 

in

 

 

P

 

2

 

1

 

 

PO

2

 

1

W1

 

 

2KN L1 I1

=

β1

W2

β2

 

2KP L2 I2

 

 

W1/L1

vout

= 6.67

using the parameters of Table 3.1-2

If W

2

/L

2

= 20, then v

 

 

in

 

 

 

Small Signal Output Resistance

 

rout =

1

 

1

 

 

 

 

gds1 + gds2 + gm 2

gm2

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page VI.1-8

High Gain CMOS Inverters

 

VDD

 

VDD

VGG

M2

 

M2

 

I

 

I

 

vOUT

vIN

vOUT

vIN

M1

 

M1

 

 

 

 

VSS

 

 

 

 

 

 

 

VSS

 

Inverter with current source load

 

Push-pull, inverter

 

 

 

M2

I

M1

 

 

vIN = VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vIN = VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.8VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.8VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.6VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.6VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.4VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.4VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.2VSS

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

.2VDD

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

K

 

H

G

F=F'

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E'

 

.2VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C=C' .2VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.4VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B=B'.4VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

.6VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

vOUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VSS

 

H' G'

.5VSS

0

 

 

 

 

 

 

VDDA=A'

K' J' I'

.5V

 

 

 

 

 

 

 

DD

 

 

Large signal transfer characteristics of inverter with a current source and push pull inverter

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]