

6 - 4
CHUNG-YU WU
GLeq=gds1+gds2+gm2+gmb2
CLeq=Cdb1+Cgs2+Csb2+CL
Applying the Miller's theorem, we have
V1
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Vo |
Vin |
RS |
G |
C |
C |
Cin |
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Leq |
Leq+ |
gd1 |
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(gm1-sCgd1)V1 |
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Cin=Cgs1+Cgd1(1+gm1/GLeq)
Gs (sC gd1 - gm1)>Av(s) @ [ ]
(sC in + Gs ) s(C Leq + Cgd1) +CLeq
*Right-Half-Plane Zero Sz = gm1/Cgd1
*Left-Half-Plane Poles Sp1= Gs/Cin (input pole)
Sp2= GLeq/(CLeq+Cgd1) (output pole).
If Cgd1 and CLeq are small >Sp1 is the dominant pole.
*If CL is large, the dominate pole is Sp2 (gm2+gmb2)/CL
*The input impedance can be approximated by
Zin@ |
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1 |
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near the upper 3dB frequency. |
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ù |
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é |
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+(1+ g |
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1 |
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C |
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)C |
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s |
||||
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m1 G Leq |
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|||||||
êê |
gs1 |
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gd1 |
úú |
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ë |
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û |
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* The exact Zin is |
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é |
1+ |
1 |
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(Cgd1 +CLeq )s |
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ù |
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ê |
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ú |
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|||||||||||
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G Leq |
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Zin Cgs1s|| ê |
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ú |
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êC |
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(1+ g |
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+ |
1 |
C |
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s) |
ú |
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gd1s |
m |
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Leq |
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ê |
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G Leq |
G Leq |
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ú |
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ë |
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If |
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1 |
(Cgd1 |
+ CLeq )s |
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<<1 and |
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1 |
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Cgds1s |
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(1+gm |
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), |
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G Leq |
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G Leq |
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G Leq |
Zin can be approximated by the previous formula.

6 - 5
§ 6-1.3 Cascode amplifer stage
CHUNG-YU WU
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Cdb2 |
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+VDD |
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+ |
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RS |
V1 |
Cgd1 |
-gm2V2 |
V3 |
Cgs3 |
gm3V3 |
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_ |
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||||
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Cdb1 |
Cgs2+ |
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Vo |
M3 |
Vin |
Cgs1 |
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gm1V1 |
Cgd2 |
Csb3 |
CL |
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Csb2 |
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Vo |
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rds1 |
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M2 |
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CL |
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RS |
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V2 |
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Vo |
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RS |
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Vin |
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C1 |
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C2 |
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1/g2 |
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gm2V2 |
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CLeq 1/gm3 |
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rds2, rds3, gmb2, gmb3 are neglected. |
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g2 |
= gm 2 |
+ |
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rds1 |
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C2 |
= Cgs1 |
+ (1 + |
|
gm 1 |
)Cgd1 |
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g m 2 |
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C2 |
= Cgd1 +Cdb1 + Cgs2 |
+Csb2 |
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CLeq = CL + Cgd 2 +Cdb2 + Csb3 +Cgs3 |
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A v |
(s) = |
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- Gs gm 2 (sCgd1 -gm 1 ) |
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(sC1 +G s )(sC 2 + g2 )(sC Leq |
+ gm 3 ) |
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RHP Zero:Sz = |
gm1 |
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|||||||||||||||||||||
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|||||||||||||||||||||||||||
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Cgd1 |
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|||||||||
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|
LHP Pole :Sp1 |
= - |
|
Gs |
|
; Sp 2 |
= - |
|
|
g2 |
|
; Sp 3 = |
- gm 3 |
|
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C2 |
CLeq |
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C1 |
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Sp1 usually is the dominant pole. |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
Þ f 3dB @ |
|
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|
= |
|
|
Gs |
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||||||||||||||
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|
Sp1 |
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|||||||||||||||||||||
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2pC1 |
|
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|||||||||||||||||||||
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|
2p |
|
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|
|
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|
|
|
* Typically, gm 1 = g m 2 ,then C1 = Cgs1 + 2Cgd1

§6-1.4 |
CMOS gain stage |
|
|
|
|
6 - 6 |
||||
|
|
|
|
CHUNG-YU WU |
||||||
|
+VDD |
|
|
|
|
Cgd2 |
|
|
||
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
gm2V1 |
|
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|
|
|
|
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|
Cgs2 |
|
gds2 |
|
Cdb2 |
RS |
M2 |
Vo |
RS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
V1 |
Cgd1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Vo |
||
Vin |
M1 |
CL |
Vin |
|
|
gm1V1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Cgs1 |
|
gds1 |
Cdb1 |
CL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
-VSS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RS |
|
Cgd1+ Cgd2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(gm1+ gm2)V1 |
|
Vo |
|
|
|
Vin |
|
|
Cgs1+ Cgs2 |
GLeq |
CLeq |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
RS |
V1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vo |
|
|
|
|
|
|
|
[gm 1+ g m 2-s(Cgd1+Cgd2)]V1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Vin |
|
|
Cin |
|
|
GLeq |
CLeq+Cgd1+Cgd2 |
|
||
|
|
|
G Leq |
= gds1 + gds2 |
CLeq |
= Cdb1 + Cdb2 + CL |
|
|
Cin = Cgs1 + Cgs2 + (1+ gm1 + g m 2 )(Cgd1 + Cgd2 )
G Leq
Av (s)
G s [s(Cgd1 + Cgd 2 ) − (gm 2 + gm 2 )]
[s(Cgd1 + Cgd2 + CLeq ) + G Leq ](sC in + G s )
RHP Zero:Sz = gm 1 + gm 2
Cgd1 + Cgd2
LHP Poleo:Sp1 = − G s
Cin
Sp 2 = −
G Leq
Cgd1 + Cgd2 + CLeq
If Rs is large enough ( Rs is the output resistance of the preceding stage),
Sp1 << Sp2
Sp1 is the dominant pole.

§6-1.5 |
CMOS differential amplifier |
|
|
|
|
6 - 7 |
|||
|
|
|
|
CHUNG-YU WU |
|||||
1.Differential-mode half circuit |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Cgd1 |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
rds4||rds1 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 Vid |
|
1 gm1Vid |
|
|
|
|
|||
Cgs1 |
|
CLeq |
|
1 V |
|||||
2 |
|
2 |
|
|
|
|
2 |
od |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CLeq º CL + Cdb4 + Cdb1 |
|
|
|
|||
|
|
+VDD |
|
|
|
+VDD |
|
|
|
VBIAS |
|
|
|
M3 |
|
M4 |
VBIAS1 |
||
M4 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 V |
CL |
|
CL |
|
|
|
1 V |
|
2 |
od |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
id |
|
|
|
|
M2 |
M1 |
|
|
|
M1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VBIAS2 |
|
|
|
|
|
|
-VSS |
|
|
|
|
|
|
|
-VSS
|
|
|
|
|
|
|
|
é |
|
1- s |
Cgd1 |
ù |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ê |
|
|
|
|
ú |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Vod |
|
|
|
gm1 |
|
gm 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
A d |
= |
= H (s) = - |
|
ê |
|
|
|
|
|
ú |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
gds4 + gds1 |
|
|
CLeq |
+ Cgd1 |
|
|
||||||||||||||||
|
|
Vid |
|
ê |
|
+( |
ú |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ê1 |
|
|
|
|
)s ú |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
gds4 |
+ gds1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
û |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
RHP Zero:f z |
= |
|
gm 1 |
|
|
|
fz >fp |
|
|
|Ad| |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2pCgd1 |
|
|
|
|
|
|
|
-60db/Octave |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
LHP Pole:f p |
= |
|
|
gds4 |
+ gds1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
2p(Cdb4 + Cdb1 +CL |
+Cgd1 ) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
fu A0f p = |
|
|
|
|
gm 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fu fz |
||||||
|
|
2p(Cdb4 +Cdb1 |
+CL + Cgd1 ) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
fp |
|||||||||||||||
|
2.Common-mode half circuit: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
(gds4 + sCM )Voc + gds1 (Voc - Vs ) +gm 1 (Vic |
|
-Vs ) +Cgd1s(Voc - Vic ) = 0 |

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 - 8 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Cgd5 + Cdb5 + Csb1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CHUNG-YU WU |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
g |
|
(V - V |
) + V ( |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
s) -g |
|
(V |
- V ) - C |
|
s(V - V ) = 0 |
||||||||||||||||||
|
2r |
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
ds1 |
s |
|
oc |
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m1 |
|
ic |
s |
|
gs1 |
ic |
s |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ds5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V [ |
1 |
|
+ |
1 |
(C |
|
|
+ C |
|
+C |
|
)s + C s] = -[g |
|
+sC |
|
+sC |
]V + (C |
|
s +C |
|
s)V |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
s |
2rds5 |
2 |
|
|
gd5 |
|
|
|
db5 |
|
|
sb1 |
|
|
gs1 |
|
|
ds4 |
|
|
|
M |
|
gd1 |
oc |
|
gs1 |
|
gd1 |
ic |
|||||
V = - |
[gds4 +sC M |
|
+ sCgd1 ]Voc -(Cgs1s +Cgd1s)Vic |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
s |
|
|
é |
|
|
1 |
|
|
|
Cgd5 +Cdb5 + Csb1 |
|
|
|
ù |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
s +C |
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
ê2r |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
ú |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gs1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ds5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+VDD
|
|
|
|
|
Vic |
|
Cgd1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Voc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
VBIAS1 |
M4 |
Voc |
|
|
|
gm1(Vic-Vs) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Cgs1 |
gds1 |
gds4 |
|
CM |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Vic |
M1 |
|
CL |
|
|
|
VS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
VS |
|
(Csb1+Cgd5+Cdb5)/2 |
|
|
2/gds5 |
|
|
|
|
|
|||||
VBIAS2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2M5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
CM=CL+Cdb4+Cdb1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
-VSS |
|
|
|
|
|
gmb1 is neglected |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Þ A c (s) = Voc |
|
-Cgd1 ( Cgd5 +Cdb5 + Csb1 |
+ Cgs1 )s2 +[( Cgd5 + Cdb5 +Csb1 |
+Cgs1 )gm1 |
|
|||||||||||
= - |
|
+ Cdb5 |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
+Cdb5 + Csb1 |
|
|
||||
|
V |
|
Cgd5 |
+ Csb1 |
+ Cgs1 )(CM + Cgd1 )s |
|
Cgd5 |
+ Cgs1 ) |
||||||||
|
ic |
|
( |
|
2 |
|
2 +[( |
2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
- |
1 |
Cgd1 - (gds1 + gm 1 )(Cgs1 |
+ Cgd1 )]s + |
1 |
gm1 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2rds5 |
|
|
|
|
|
2rds5 |
|
|
|
|
|
||
|
CM |
+Cgd1 |
+ (CM |
+ Cgd1 )(gds1 + gm1 )]s + |
g |
|
+g |
ds1 + (gds1 +g m1 )gds4 |
|
|||||||
(gds4 +gds1 ) + |
2rds5 |
|
|
ds4 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2rds5 |
|
|
|
|
|
|||
Solve the pole-zero position : Þ 1 RHP zero, 1 LHP zero,2 LHP poles |
|
|
|
|||||||||||||
dB |
Ad |
|
|
|
|
fZR |
fZL |
|
|
|
fp1 |
fp2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Ac |
|
|
|
|
|
fZR >> fZL |
|
|
CM |
(Cgd5+Cdb5+Csb1)/2 |
|||||
|
|
fZL |
|
fp2 |
|
|
|
|
|
|
fp1 < fp2 |
|
|
|
||
|
p1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
CMRR |
|
|
|
|
|
|
|
Load pole |
|
|
tail pole |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CMRR
degradation region

6 - 9
CHUNG-YU WU
§6-1.6 CMOS differential-input-to-single-ended output converter
Vi
Vo
Vi = Vid + Vic Vo = Vod + Voc |
|
+VDD |
|
|
The hail-circuit method cannot be used in |
|
|
||
|
|
|
|
|
the high frequency analysis. |
|
M4 |
M3 |
|
Two unequal signal paths to the output |
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
Þ Load path and tail path |
|
|
CE |
Vo |
Þ Both Cs and CE appears in the Ad(s) |
|
Load |
CLeq |
|
expression. |
|
|
|
|
|
M1 |
M2 |
|
|
There are two dominate poleo in Ad. |
Vin |
|
||
|
Tail |
|
||
gds1 + gds4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Output pole Wp1 |
|
Io |
|
|
CLeq |
Ro |
CS |
|
Mirror pole |
Wp2 |
|
gm 34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-VSS |
|||||||||||||||
CE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Tail path:A1 |
(s) = |
|
|
A0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1+ |
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Wp1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Load path: A2 (s) = |
|
|
|
|
|
|
A 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
s |
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
(1 + |
|
|
)(1 + |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Wp1 |
Wp 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A0 |
(2 + |
s |
|
) |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Ad (s) = A1 (s)As (s) = |
|
|
|
|
|
|
|
Wp 2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
(1 + |
|
|
|
s |
)(1 + |
|
s |
|
) |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wp1 |
|
|
Wp2 |
|||||||||||
LHP zero: W |
2gm 34 |
|
= 2W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
z1 |
|
|
CE |
|
|
p2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Approximate analysis: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
The dominant pole of |
Ad |
(s) |
is Sp1 = − |
gds1 + gds4 |
(output pole) |
||||||||||||||||||||||||||
|
CLeq |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ad (s) |
|
|
|
|
|
|
|
|
gm1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
sC Leq |
+ (gds1 + gds4 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
1 |
) + sCs |
||
|
|
|
|
|
|
|
gds1 |
|
||||||
The A c (s) can be written as |
Ac (s) − |
|
|
|
|
R0 |
||||||||
|
2gm 4 |
|
sC Leq +(gds1 + gds4 ) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
The dominant pole of A c (s) |
is |
Sp1 = − |
gds1 + gds4 |
|
||||||||||
|
|
|
|
CLeq |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
But the left-half-plane zero is |
SzL |
= − |
1 |
|
|
( |
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
R 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Cs |
|
|
|
|
|
The CMRR (≡ A d ) is degradated by 20dB/decade at high frequency. A c
6 - 10
CHUNG-YU WU
§6-2 Frequency Compensations
+VDD
|
|
Ml1 |
Ml2 |
|
|
|
|
|
|
Mg1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
Ms1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cd |
gdsl+gdsi |
|
|
|
CC |
gdsgl+gdsg2 |
|
||||
~ |
|
Mi1 |
|
|
~ |
|
|
|
|
V2 |
|
CL |
|
|
|
Mi2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
vi1 |
|
vi2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Mg2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VBIAS |
|
|
|
|
|
|
Ms2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-VSS |
|
|
|
|
Without CC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
SP 1 |
= − 1 ( gdsl + gdsi ) |
, SP 2 |
= − 1 ( gdsg1 |
+ gdsg 2 ) |
|
|
|
|
|||||
|
|
Cd |
|
|
CL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
C |
|
gmg1+gmg2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Cd CL |
|
|||||
equivalent |
gmi(vi1-vi2) |
gdsl+gdsi |
gdsg1+gdsg2 |
|
|
|
|||||||
circuit |
Þ |
=gmivd |
|
|
|
|
v |
|
≡ v |
− v |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
i 1 |
i 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

6 - 11
CHUNG-YU WU
H ( s ) = |
|
v 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vi1 |
− vi 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ g mi ( gmg1 + gmg 2 )Rd Ro ( 1 − |
|
sCC |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
g mg1 + gmg 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 + s[( C |
L |
+ C |
C |
)R + ( C |
C |
+ C |
d |
)R |
d |
+ C |
( g |
mg1 |
+ g |
mg 2 |
)R R ] + ( C |
C |
L |
+ C |
C |
d |
+ C |
C |
L |
)R R |
s2 |
|||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
O |
|
|
C |
|
|
O d |
C |
|
C |
|
d |
|
O d |
|
where |
Ro |
º - |
1 |
|
|
Rd |
º - |
|
1 |
|
|
||||
gdsg1 + gdsg 2 |
gdsl + gdsi |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Þ |
' |
» - |
|
1 |
|
|
|
' |
» - |
|
CC ( gmg1 + gmg 2 ) |
||||
Sp 1 |
|
|
|
|
|
|
Sp 2 |
|
|
||||||
( gmg1 + gmg 2 )RO Rd CC |
|
|
CO CL + Cd CL + Cd CC |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Sz ' |
» |
gmg 1 + gmg 2 |
à RHP Zero |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
CC |
|
|
|
|
|
|
|
gain dB
|
|
|
|
|
|
RHP zero |
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f p1 |
' |
f z ' |
f p 2' |
|
|
|
|
log(f) |
|
|
|
||||
|
phase |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0 o |
|
|
|
- 45 o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 180 o |
|
|
|
|
- 135 o |
Þ Phase margin is not |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
large enough |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
log(f) |
|
|
|
|||
Feedforward effect on |
CC |
|
|
ICC |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
How to solve this problem ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
V1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V2 |
||||||
If I CC |
=( gmg 1 + gmg 2 )Vd , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
C |
|
|
|
|
|
I o |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
I o |
= 0 and V2 = 0 |
|
|
|
|
C |
|
Ro |
|
|
(gmg1+gmg2)v |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Þ A zero is formed.

6 - 12
CHUNG-YU WU
§6-2.1 Using a unity-gain buffer in the feedback path
Unity Gain
Buffer
CC
V1 |
V |
2 |
|
|
|
+ |
|
CC |
~ V2 |
|
V1 |
- |
|
V |
2 |
|
|
|
Isolate node 1 from node 2 to prevent feedforward.
Keep the Miller effect unchanged.
Source follower can act as a unity gain buffer.
g V + |
|
V1 |
|
+ C sV + (V −V )C |
s = 0 |
|
--------- (1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
mi |
|
d |
|
|
Rd |
d |
|
1 |
|
1 |
|
2 |
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(g |
|
|
|
|
+ g |
|
|
)V + |
|
|
1 |
V + C |
sV |
|
|
= 0 |
|
|
--------- (2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
mg1 |
|
mg 2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ro |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H( s ) = |
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Vd |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gmi( gmg1 + gmg 2 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 + s[R |
C |
c |
+ R ( C |
d |
+ C |
c |
) + C |
( g |
mg1 |
+ g |
mg2 |
)R R ]+ ( C |
C |
L |
+ C |
C |
L |
)R |
R |
s |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
o d |
c |
|
d |
|
o |
d |
|
|||||||
Sp1 |
' |
≈ − |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
(unchanged) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
(gmg1 + gmg 2 )Ro Rd Cc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Sp 2 |
' |
≈ − |
Cc ( gmg 1 + gmg 2 |
) |
|
|
|
RHP Zero has be eliminated. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
CcC L +Cd CL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

6 - 13
CHUNG-YU WU
Actual Circuits :
1 |
VDD |
|
2 |
|
VDD |
|
|
|
|
|
|
||
|
M1 |
VBIAS |
|
|
M1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
CC |
|
|
|
|
CC |
|
|
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VBIAS or |
V1 |
M2 |
|
V1 |
|
M2 |
connected to the |
|
|
output |
||||
|
V2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
-VSS |
|
|
|
-VSS |
|
|
|
|
|
|
Cgs1 |
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CC |
|
|
Cout |
|
|
1 2 Þ |
Rout |
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
C +C |
|
|
|
|
|
|
|
L gd1 |
+
+
- αV2
-
Cgs1 may introduce a RHP zero. But usually this RHP zero is large.
Cgs1 is very small.
R |
|
»( |
1 |
|
1 |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
out |
|
|
|
|
gm1 |
|
gm 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
g V |
+ |
V1 |
|
+ C sV + (V − αV |
|
)( |
1 |
|
+ |
|
1 |
)−1 = 0 |
|||||||||||||
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|||||||||||||||||||
mi d |
|
|
Rd |
|
|
|
d |
1 |
|
|
1 |
|
|
Cc s |
|
+ Couts |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rout |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
If |
|
1 |
|
|
³ C |
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Rout |
|
|
|
|
out |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
æ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
÷ |
|
Cc s |
|
|
|
|
|
|||||||
Þ ç |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
÷ |
» |
|
|
|
|
|||||||||||
ç |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ç Cc s |
|
|
|
|
|
+ Cout s ÷ |
|
Cc Rout s + 1 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
Rout |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
è |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|