Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design
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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 |
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SYSTEMS |
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Chapter 7 |
Chapter 8 |
Chapter 9 |
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CMOS |
Simple CMOS |
High Performance |
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Comparators |
OTA's |
OTA's |
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COMPLEX |
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CIRCUITS |
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Chapter 5 |
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Chapter 6 |
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CMOS |
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CMOS |
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Subcircuits |
Amplifiers |
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SIMPLE |
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Chapter 2 |
Chapter 3 |
Chapter 4 Device |
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CMOS |
CMOS Device |
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Characterization |
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Technology |
Modeling |
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DEVICES |
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Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design |
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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.1-4
Active Load CMOS Inverter Output Swing Limits |
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Maximum: |
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vSD2=|VT2| |
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VDD |
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vIN=0 |
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M2 |
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vOUT(max) ≈ VDD − |VTP| |
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iD |
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vOUT |
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Minimum: |
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vIN |
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M1 |
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Assume vIN = VDD, M1 active, |
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VSS |
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M2 saturated, and VT1 = VT2 = VT. |
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M1: |
i |
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−V |
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)v |
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− |
v |
DS1 |
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D |
= β1 (v |
GS1 |
T |
DS1 |
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2 |
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(vOUT−VSS)2 |
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−V |
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−V |
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)(v |
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−V |
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)− |
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= β1 (V |
DD |
SS |
T |
OUT |
SS |
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2 |
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M2: |
i |
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= |
β2 |
(v |
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−V |
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|
)2 |
|
= |
β2 |
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|
−v |
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|
|
|
−V |
|
)2 |
|
= |
β2 |
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|
+V |
|
|
−V |
|
)2 |
||||||||||||||||||||||||
D |
2 |
|
GS |
T |
|
2 |
|
(V |
DD |
OUT |
T |
|
2 |
(v |
OUT |
T |
DD |
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|
i |
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|
= |
β2 |
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−V |
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+V |
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+V |
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−V |
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)2 |
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D |
2 |
(v |
OUT |
SS |
SS |
T |
DD |
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|
= |
β2 |
(v |
OUT |
−V |
SS |
)−(V |
DD |
−V |
SS |
−V |
) 2 |
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T |
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Define |
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vOUT' = vOUT − VSS |
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and VX = VDD − VSS − VT |
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i |
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= β |
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v |
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'− |
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(vOUT')2 |
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(M1) |
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D |
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V |
X |
OUT |
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2 |
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i |
D |
= |
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β2 |
v |
OUT |
' − V |
X |
2 |
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(M2) |
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2 |
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Equate currents - |
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β |
2 |
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2 |
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2 |
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v |
OUT |
'2 |
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||||||||
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' |
− 2VXvOUT |
' + VX |
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2 vOUT |
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= β1 VXvOUT' − |
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2 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
or |
β2 |
vOUT |
'2 − 2VXvOUT |
' + VX2 |
= 2VXvOUT' − vOUT'2 |
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β1 |
β2 |
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β |
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β2 |
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|||||||||
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'2 − 2V |
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2 |
v |
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' + |
V |
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2 |
= 0 |
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||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 + |
|
|
v |
|
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|
1 + |
|
|
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|
|
|
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|
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|
β1 |
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|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
β1 |
|
|
|
|
|
|
|
OUT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β1 |
|
|
OUT |
|
|
|
|
X |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||
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vOUT'2 − |
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β2/β1 |
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||||||||||||||||||
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2VXvOUT' + |
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VX2 |
= 0 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1+β2/β1 |
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Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page VI.1-8
High Gain CMOS Inverters
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VDD |
|
VDD |
VGG |
M2 |
|
M2 |
|
I |
|
I |
|
vOUT |
vIN |
vOUT |
vIN |
M1 |
|
M1 |
|
|
|
|
VSS |
|
|
|
|
|
|
|
VSS |
|
Inverter with current source load |
|
Push-pull, inverter |
|
||||||||||
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M2 |
I |
M1 |
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|||||||
vIN = VSS |
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||||||
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vIN = VDD |
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.8VSS |
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.8VDD |
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.6VSS |
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|
|
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|
.6VDD |
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.4VSS |
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|
|
.4VDD |
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.2VSS |
|
I |
|
|
|
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.2VDD |
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
K |
|
H |
G |
F=F' |
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|
0 |
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|||||
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|||
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D' |
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|
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E' |
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|||
.2VDD |
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C=C' .2VSS |
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||
.4VDD |
|
|
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B=B'.4VSS |
|
|
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|
|
|
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|
E |
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|
|
.6VSS |
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D |
vOUT |
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|
|
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|
|
|
||
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









