Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1312 вуза, 5285 предмета.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

material1 / different / Allen&Holberg - Analog CMOS Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.21 Mб
Скачать
☆

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-19

Noise in Other Types of Inverters

Current Source Load Inverter -> same as active load inverter

Push-Pull Inverter-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vIN

 

 

 

 

 

 

 

 

vOUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rout =

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gds1

 

+ gds2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

= (g

m1

r

out

)2

e2

+ (g

m2

r

out

)2 e2

 

 

 

 

 

 

 

 

out

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

vout = −(gm1 + gm2)routvin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

gm1

 

 

2 2

 

 

 

gm2

2

2

 

 

 

 

 

 

e

=

 

 

 

 

 

 

 

e

 

+

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

eq

 

gm1 + gm 2

 

n1

 

gm1 + gm 2

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm2

2

e2

 

 

 

 

 

 

'

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KPBP L1

 

 

 

 

 

 

 

gm1

 

 

2

 

1 +

 

'

L

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

en1

 

2

 

 

 

K NBN

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

eeq

= en1

 

 

 

g

 

 

2

 

 

= en1

 

 

'

 

 

 

 

 

 

1 +

 

m 2

 

 

 

 

 

 

 

KP

W2L1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm1

 

 

 

 

 

1 +

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K NW1L2

 

 

To minimize noise - Reduce en12

and

 

en22 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page VI.1-20

SUMMARY OF MOS INVERTERS

Inverter Type

AC Voltage

AC Output

 

Bandwidth (CGB=0)

Equivalent,

 

 

input-referred,mean-

 

Gain

Resistance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

square noise voltage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p-channel

-gm1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm1 2

 

 

active load

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

gm2

 

 

 

 

 

 

2

2

 

sinking

gm2

 

 

 

g

m2

C

BD1

+C

GS1

+C

GS2

+C

BD2

vn1 gm2

+vn2

 

inverter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n-channel

-gm1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm1 2

 

 

active load

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

gm2+gmb2

 

 

 

 

2

2

 

sinking

gm2+gmb2

g

m2

+g

mb2

C

BD1

+C

GD1

+C

GS2

+C

BD2

vn1 gm2

+vn2

 

inverter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Current

-gm1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm1 2

 

 

source load

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

gds1+gds2

 

 

 

 

2

2

 

sinking

gds1+gds2

g

ds1

+g

ds2

C

BD1

+C

GD1

+C

GS2

+C

BD2

vn1 gm2

+vn2

 

inverter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Push-Pull

-(g +g

)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

gds1+gds2

 

 

 

 

2

 

2

2

2

inverter

m1

m2

gds1+gds2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vn1gm1

 

 

vn2gm2

 

gds1+gds2

CBD1+CGD1+CGS2+CBD2

gm1+gm2

+ gm1+gm2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.1-21

KEY MOSFET RELATIONSHIP USEFUL FOR DESIGN

Assume MOSFET is in saturation.

1.)

i

D

=

KW

(v

GS

− V

T

) 2

or

v

GS

=

2iD

 

− V

T

2L

KW/L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.)

v

DS

(sat) =

 

2iD

 

or

i

D

(sat) =

KW

v

DS

(sat)2

 

KW/L

2L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2IDKW

 

 

 

 

 

 

 

 

KW

 

− VT)

 

3.)

gm =

 

L

 

 

 

or

gm =

L

(VGS

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-1

VI.2 - DIFFERENTIAL AMPLIFIERS

Definition of a Differential Amplifier

v1 +

Differential

vOUT

Amplifier

v2 -

v1 vOUT = AVD(v1 − v2) ± AVC

Differential voltage gain = AVD Common mode voltage gain = AVC

+ v2

2

(100)

(1)

 

AVD

 

Common mode rejection ratio = AVC

(1000)

Input offset voltage = VOS(in) =

VOS(out)

AVD

(2-10mV)

 

(VSS+2V<VICMR<VDD−2V)

Common mode input range = VICMR

Power supply rejection ratio

 

(PSRR)

Noise

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-2

VI.2-1 - CMOS DIFFERENTIAL AMPLIFIERS

 

N-Channel Input Pair Differential Amplifier

 

 

 

 

 

 

VDD

 

M3

 

 

M4

 

 

 

iD3

 

iD4

 

 

iOUT

 

iD1

 

iD2

 

 

vOUT

 

 

 

 

 

vG1

+

M1

M2

 

+

vG2

 

 

 

 

 

 

vGS1

 

 

v

 

 

 

 

 

 

GS

 

 

-

 

 

-

2

 

 

 

 

 

VSS

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-3

P-Channel Input Pair Differential Amplifier

 

 

 

VDD

 

 

IDD

 

 

+

 

+

 

vGS1

 

vGS2

vG1

-

 

-

M1

M2

vG2

 

iD1=iD3

iD2

iOUT

 

 

iD4

vOUT

 

 

 

M3 M4

VSS

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-4

Large Signal Analysis of CMOS Differential Amplifiers

iD1

iD2

M1

M2

+

+

vGS1

vGS2

-

-

 

ISS

(1). vID = vGS1 − vGS2 =

2iD1

−

2iD2

β

 

 

β

(2). ISS = iD1 + iD2

 

 

 

 

 

 

 

Solving for iD1 and iD2 gives,

 

 

 

 

 

 

 

ISS

 

ISS

 

β

 

β2

2

(3). iD1

 

 

−

v ID

=

 

+

 

vID

 

ISS

4ISS2

 

 

2

 

 

2

 

 

And

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ISS

 

ISS

 

β

 

 

β2

2

(4). iD2

−

 

 

−

v ID

=

 

 

vID

ISS

4ISS2

 

 

2

 

 

2

 

 

IS S

∂iD1

 

βISS

 

 

Where vID < 2

β

gm = ∂vID

=

4

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

ISS

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

.8

 

 

 

 

 

 

iD2

 

 

 

 

 

 

.4

 

 

 

 

 

 

iD1 .2

 

 

 

vID

 

 

 

 

 

 

-2 - 2

 

 

 

2

2

ISS

 

 

 

ß

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-5

Transconductance Characteristics of the Differential Amplifier

Circuit

 

 

VDD = 5V

 

 

9u/3u

9u/3u

 

 

iD1

iD2

vOUT 50K

 

 

+

3u/3u

3u/3u

v-

 

 

 

v+

-

3u/3u 3u/3u

VSS = -5V

Simulation Results

140uA 120uA 100uA

80uA

 

 

 

iD1

 

 

 

 

 

 

60uA

 

 

 

 

 

40uA

 

 

 

iD2

 

20uA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0uA

 

 

 

 

 

-5V

-3V

-1V

1V

3V

5V

v+

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-6

Voltage Transfer Curve of n-channel Differential Amplifier

VDD

 

9u/3u

 

9u/3u

 

 

 

50kΩ

 

 

 

vOUT

v+

3u/3u

3u/3u

v-

3u/3u 3u/3u

VSS

Output Voltage

5

 

 

3

v- = 0V

v- = -1V

 

v- = 1V

1

-1

v- = -1V

v- = 0V

v- = 1V -3

-5

-5

-3

-1

1

3

5

Positive Input Voltage

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page VI.2-7

Voltage Transfer Curve for a p-channel Differential Amplifier

VDD

9u/3u 9u/3u

v+

9u/3u

9u/3u

v-

 

 

 

vOUT

 

3u/3u

3u/3u

50kΩ

 

 

VSS

Output Voltage

5

v- = 1V 3

v- = 0V

v- = -1V

1

-1

 

 

 

 

 

-3

 

v- = 1V

 

 

 

 

v- = -1V

v- = 0V

 

 

 

 

 

 

 

 

-5

-3

-1

1

3

5

-5

Positive Input Voltage

Соседние файлы в папке different
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности