折叠共源共栅放大器的零极点分析.docx

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折叠共源共栅放大器的零极点分析

折叠共源共栅放大器的零极点分析

摘要

运算放大器是模拟集成电路中最重要的单元电路，在各种模拟电路和数模混合电路中得到了广泛的应用。

近年来，以电池作为电源的微电子产品得到了广泛使用，因而对放大器性能的要求亦逐渐增加。

通过分析零极点可以分析出放大器工作特性，零极点的分析需要借助传输函数，在传输函数中，取其分子为零，可得零点，取其分母为零，可得极点，而传输函数则需要通过分析小信号模型等效电路得到。

零点、极点可以看成是电路分析中抽象出来的辅助方法，因而可以通过零极点分析电路动作特征。

本论文主要研究折叠共源共栅放大器的零极点产生机理，对于放大器的零极点而言，其产生跟放大器的寄生电容，以及本身需要的节点与节点之间的电容，还有负载电容跟电阻有关。

当电容或者电阻发生变化时会影响到放大器的工作特性。

基于以上原理，本文简要分析了当放大器输出端加载一个大负载电容，在放大器进入稳定工作状态瞬间，其输出端会产生一个尖峰电流，这种电流的存在会影响电路的正常工作。

本文运用运放零极点相关原理和解决手段，根据分析这种现象的原因是，极点发生变化，为了抑制极点变化，可以在运放输出端与负载电容之间加载一个电阻，让该电阻与负载电容组成STC网路，分离极点。

关键词　放大器；零极点；尖峰电流

Pole-zeroAnalysisOfFoldingCommon-sourceAndCommon-gateAmplifier

Abstract

AnalogICopampisthemostimportantunitcircuit,hasbeenwidelyusedinvariousanalogcircuitsanddigital-analoghybridcircuit.Inrecentyears,thebatteryasapowersourcemicroelectronicproductshavebeenwidelyused,andthustheamplifierperformancerequirementsarealsoincreasing.Byanalyzingthepole-zeroamplifieroperatingcharacteristicscanbeanalyzed,pole-zeroanalysisneedsthetransferfunction,thetransferfunction,whichevermoleculeiszero,wegetzerowhicheverdenominatoriszero,wecangetthepole,andthetransferfunctionisrequiredByanalyzingsmall-signalequivalentcircuitmodeltoget.Zero,polecircuitanalysiscanbeseenasanauxiliarymethodintheabstract,itispossibleactionbythepole-zeroanalysiscircuitcharacteristics.

Inthisthesis,atotalcommon-gateamplifierfoldedpole-zerosourcegenerationmechanism,thepole-zeroamplifier,itscapacitanceisgeneratedbetweentheparasiticcapacitancewiththeamplifier,andthenodewiththenodeitselfneeds,aswellastheloadcapacitancewithresistancerelated.Whenthecapacitanceorresistancetochangewillaffecttheoperatingcharacteristicsoftheamplifier.

Basedontheaboveprinciple,thepaperanalyzes,andwhentheoutputoftheamplifiertoloadalargeloadcapacitance,theamplifierintothesteadystatemoment,itsoutputwillgenerateapeakcurrent,thepresenceofthiscurrentwillaffectthenormaloperationofthecircuit.Inthispaper,thepole-zeroopamprelevantprinciplesandmeansofsettlement,accordingtotheanalysisofthereasonsforthisphenomenonisthatthepolechanges,inordertosuppressextremechangesintheoutputofopampbetweentheloadandtheloadcapacitanceofaresistor,sothattheresistanceandtheloadcapacitorsSTCnetwork,separatepoles.

Keywords　Amplifiers,Pole-zero,Peakcurrent

摘要

Abstract

学校s

第1章绪论

1.1研究背景及意义

自从集成电路出现后，因其具有很低廉的成本，很小的体积、损耗的功率小，信任度高等好处，导致了集成电路的技术得以快速发展，并且因为其集成度在快速的升高，从而让其更加的强大，方面更多。

目前，信息的进步，电子范围的扩展，也导致了集成电路可以快速的实现越来越强的趋势。

集成运算放大器（IntegratedOperationalAmplifier）即集成运放，目前，运放常用于模拟IC中，因为它的特点就是具有很高的增益，决定了它在模拟IC中应用的很频繁。

运放的组成也很明确，多个放大电路共同构成了一个完整的运算放大器。

运算放大器现在已经在多个领域有所应用，在目前来说，运算放大器已经是集成电路中数量最多，种类最多的。

现今而言，集成电路了设计已经离不开放大器，对于放大器的类型不同，功能有时也不同，比如有些放大器作为比较器来应用，但无论作为什么器件来应用，其放大器自身的特性还是需要符合要求的。

对于放大器而言，极点和零点起着很重要的作用，就其中的一点增益而言，当零点先于极点，也就是零点的数值小于极点是，增益就会上升，此时的增益曲线就不是我们所期望的，所以我们要控值零极点的相对值，因而就要分析零极点产生的原因。

就上述增益为例，可以看出分析零极点的重要性，因此，研究这一课题，还是很有价值的。

1.2国内外研究现状

自1947年以来，第一个晶体管发现于诺贝尔实验室，再至1958年第一块半导体集成电路诞生，历经60多年的历史，集成电路行业使得整个世界发生了变化，构成现代信息社会的基础。

无论是钟表、手机、电脑、各种数字电器，还是航空航天和现代高科技产业，舞步以来与集成电路的发展和支持。

以集成为主导的微电子产业更已成为国加发展和人类发展不可或缺的“食粮”。

美国半导体工业协会（SIA）更把微电子技术称为美国经济发展的驱动器。

可以说集成电路带来的数字革命已经渗透到人类的生活的方方面面，IC产业已经成为构成国民经济基石的支撑技术，关乎社会的发展的现在，也决定着未来。

1975年，Intel公司创始人之一GordonE.Moore提出所谓“摩尔定律”：

芯片的单位面积上可容纳的晶体管数目每18个月便增加一倍，即芯片集成度每18个月翻一番。

也就是指工艺技术的发展IC集成度的提高起着乘积的作用，使每个芯片可以集成的晶体管数量急剧增加。

自从上个世纪90年代后期，工艺水平进入微米级水平开始，半导体研究者们就开始探索系统集成芯片技术，随着超深亚微米工艺技术的不断发展成熟，集成电路的超微型化发展使得更快更复杂的电路得意集成到更小型的产品中。

1978年时，科学界普遍认为光学光刻的极限是1微米，但是到了20世纪末，这个数值已经退进了0.05微米，也就是50纳米，人们认识到摩尔定律的尽头，也就是光学光刻的尽头。

2000年，集成电路主流技术达到0.25微米，通敌0.15和0.13微米已经投产，而今的工艺水平65纳米级芯片已经发展成熟，28纳米集成电路也已经投产，实验室电路已经达到10纳米级，技术的发展速度总比预计的要快。

现代集成电路的主要设计与制造过程包括：

利用专用的设计软件进行电路设计，由得到的设计图对硅晶原进行加工制作成芯片成品，再对加工完毕的芯片采取各种电特性和功能性能测试封装，经应用开发把它们配置在系统上跟消费者见面。

2010年以来。

以汽车，石油，钢铁为主导的悠久工业的第一大产业的宝座现今已被以集成电路核心的电子信息产业所夺取。

多数发达国家的国民经济生长的总产值的增长部分的65%与集成电路产业息息相关，甚至在美国的国际军事防御等预算中，电子技术所占的比重也已经达到40%以上。

以上事实证明，发展具有自主知识产权的集成电路产业，已经逐渐变成经济发展的关键因素、社会进步的坚实基础及国家安全的根本保障。

集成电路产业的发展设计高新领域的方方面面，以集成电路设计和集成系统生产制造为核心的微电子技术产业是当今世界经济竞争的焦点，同时也是各项科技产业之间的引领性科技范畴。

其涉及到的领域包括：

基础半导体材料的生产加工；随着集成电路设计制造技术的不断发展而不断更新的电路设计方法和工具研究；集成电路测试与封装技术等等。

随着半导体集成电路朝着超大规模（VLSI）及极大规模（ULSI）的发展，逐步发展起来的集成电路自动化设计产业已经逐步取代常规落后的设计手段。

2013年Cadence设计系统公司宣布已经胜利做到20纳米系统级芯片流片测试，而美国科学家也第一次使用纳米尺寸的绝缘体氮化硼和金量子点，完成量子遂穿效应，研究创作成了不包含半导体的晶体管。

经历几十年，电子设备逐渐变得更小，科学家们已经把百万计个半导体集成制作到硅片上，纳米级工艺的研发陈述，各种新型材料的应用开发，将会是制造出更快捷的，耗电更少的，更致密，散热更好的芯片。

与此同时，中国电子产业的窘况却不容忽视，有专家认为中国大陆电子产业近乎一片空白。

全球近95%的笔记本电脑，90%的台式机，80%的手机都在中国大陆生产，然而中国大陆屋恩没有电子产业。

原因很简单，拆开电脑手机，除了最低端的显示器有少量大陆厂商供应，其他的任何一个零部件，包括外壳大都是外资企业制造。

目前，大陆境内的半导体制造厂非常少，二位多数上产线盈利能力不强，国外企业也只将封装测试中低端缓解部分转移到大陆境内，而要求较高的高端设计，基础设备和特殊的材料仍然被牢牢控制。

因而发展中国自己的集成电路行业变得刻不容缓。

集成电路固有的体积小重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好的特点，同时成本低，便于大量生产。

所以集成芯片被广泛应用于人类所能触及的各个领域，再生产生活以及国家经济发展安全保障方面，至关重要。

1.3论文章节

折叠式共源共栅放大器零极点分析主要包括以下几方面工作：

分析产生的大电流、确定所需原件，设计电路结构，还有电路的相关比较跟优化。

论文共分四章：

第一章：

主要讲述课题背景，课题研究的目的及意义。

第二章：

简要介绍CMOS放大器的基本结构，理论以及设计基础，简要的介绍了几种放大器类型，选取研究所需放大器。

第三章：

参考国内外技术文献，进行折叠共源共栅放大器的零极点的具体分析，同时简要分析当放大器为了实现某些功能，比如外加负载定容来滤波时，对放大器输出的影响，以及零极点分析。

将放大器的自身正常工作状态下的零极点，与加上负载电容的零极点进行对比，分析得出解决方案。

第四章：

采用HSPICE等仿真工具对设计出电路所需的基本元件，总体电路进行仿真验证。

第2章CMOS运算放大器的设计基础

该章节主要介绍了电路设计的原理和模型，包含其所需原件的原理模型，从最基本的MOS管的开始，介绍了电流比较器，模拟设计的八边形法则，设计的总体框图，各类放大器的工作特性，优缺点，确定最后的电路模型。

2.1电路设计的基本原理

2.1.1运放大电流控制基本原理

对于用运放上电过程中，电源电压从0增加到稳定值时，该过程中负载电容充电，在放大器到达稳定工作状态的瞬间，由于外加大电容负载会导致放大器本身的相位特性，分析此时电路的零极点，可得极点向前偏移，电流瞬时增大，更会使得电路产生自激震荡。

为了消除这个影响，我们需要在放大器输出端与电容之间加载一个电阻，分离电容对电路极点产生的影响。

2.1.2电流比较器基本原理

电流比较器是根据电压比较器得来，在此介绍电压比较器的工作原理，即可得电流比较器的工作原理。

电压比较器是差分运用运算放大器得来，当差分放大器处于开环状态时，即为电压比较器。

运放由两个输入端，正相输入端和反相输入端，当正相输入端的电压大于反向输入端的电压时，即VA>VB时，输出电压Vout为1，当正相输入端电压小于反相输入端电压，即VA

如图2-1所示：

图2-1比较器原理图

2.2MOS器件原理及模型

想要得到设计所需的MOS管的尺寸，除了知道设计所需要的各类参数，还需要根绝实际情况仿真模拟得出结果，这就要利用设计仿真软件得到：

HSPICE、Cadence等。

但在仿真模拟之前，也学要手动计算出所需参数的理想值，这就必须了解必要的半导体器件知识，特别是MOS器件的原理和模型。

下面是MOS管的基本原理和模型介绍。

a）四端口b）三端口

图2-2MOS管子符号

通过2-2展现的电路图，其中每个电路均都有着其各自的作用。

图中前两个表示为四端口电路，因为其比后两个MOS器件多了一个衬底连接，同样可知道后两个则表示为三端口连接，四端的符号各有其代表含义，其中S端表示为电路的源级，G端表示为电路的栅极，D端表示为电路的的漏极，最后B端是电路的衬底。

PMOS和NMOS的区别在于，PMOS的衬底一般用于连接电路的电源，而NMOS的衬底则要和电路的地端相接。

衬底和源级相接不会产生背栅效应，而大多数电路都会选择将衬底接在最高或最低点。

为了电路的需要，以下的电路图都会用三端口形式来表示。

当我们做出一个基本电路后，为了能够更有效地去计算各种各样的参数值，通常说。

我们会画出该电路的小信号模型，利用小信号可以方便于我们去计算分析我们的电路是否达到我们的标准。

由于小信号的模型是根据电路所设计出来的，所以它的各项值都可以视为是准确一致的。

举个例子来说，如图2-3所示，可以仔细分析[1]。

2.2.1MOS管的大信号模型

NMOS管的输出特性曲线，如图2-3所示，根据输出特性曲线，NMOS可分为三个工作状态：

线性区，饱和区，截止区。

1．截止区

（2-1）

满足式（2-1）条件，即栅源电压小于阈值电压，当栅源电压不够大时管子没法形成导电沟道，即MOS管不导通，此时的MOS管处于开路状态，漏一源电流Ids（ID）表达式为：

（2-2）

2．饱和区

（2-3）

满足式（2-3）条件时，沟道从形成到夹断，因为当漏源电压大于过驱动电压时，NMOS管沟道被夹断，此时漏-源电流Ids几乎不变，其电压电源（V-I）特性如（2-4）式所示：

（2-4）

3．线性区

（2-5）

满足式（2-5）条件时，此时的漏源电压小于过驱动电压，沟道形成，但没有被夹断，此时NMOS管工作在线性区，其电压电源（V-I）特性如式（2-6）所示：

（2-6）

图2-3NMOS管输出特性

表2-1放大器相关参数

Ids

漏-源电流

VDS

漏-源电压

VGS

栅-源电压

Vth

阈值电压

μn

（NMOS管）沟道表面电子迁移率

Cox

单位面积栅氧化层电容

W

晶体管栅极宽度

L

晶体管栅极长度

2.2.2MOS管的二级效应

上述分析中，运用很多理想化假设，但是这些理想化假设在很多现实情况中是不完全符合的，下面就将介绍三个模拟电路中不可或缺的二级效应：

体效应，沟道长度调制效应，亚阈值导电性。

这些效应影响着电路的正常工作状态。

1．体效应

当衬底与源级之间的电压差VSB不为零时就会产生体效应，也可称之为背栅效应，此时MOS管的阈值会发生下式所显示的变化：

（2-7）

如上式可以看出，背栅效应的存在会给阈值电压产生影响，当衬底与源级之间的电压增加时，阈值电压也会随之增加，反之，则降低。

而此效应的存在，会使得电路设计变得越来越复杂，给电路设计带来困难。

式（2-7）中个参数的含义是：

表2-2MOS管参数含义

VSB

源衬电压

Vth0

VSB为零时的阈值电压（即体效应为零时的阈值电压）

γ

体效应系数

ΦF

饱和沟道表面电位

2．沟道长度调制效应

如图2-2所示，当漏源电压逐渐增加时，电子的活动性增加，但是此时由于栅级电压过大，会使得所产生的沟道夹断，此时漏源电流Ids不会再像之前一样变化很快，而是仅会有一点点增加，这种现象叫“沟道长度调制效应”。

由于沟道长度调制效应的影响，饱和区的电压电流（V-I）特性如式（2-8）所示：

（2-8）

式（2-8）中，沟道调制效应参数λ，用来代表当漏源电压VDS变化时对沟道产生的影响参数，其中λ值很小。

在沟道长度调制效应的影响下，电路设计中的栅的长度需要根据具体情况来确定，或大或小，不能单靠简单的理论论断。

3．亚阈值导电

在分析MOS管时，我们一直把其工作特性看成理想状态来分析，但是实际情况却不是这样，在栅源电压小于阈值电压时，我们认为MOS管不导通，但实际情况是，当栅源电压跟阈值电压相等时，此时也由会由一个弱的反型层存在，产生了漏源电流，当栅源电压小于阈值电压时，MOS管也漏源之间也是会有很小的电流存在，该电流值跟栅源电压成指数关系。

此为亚阈值导电特性。

当VDS>200mV左右时，这一效应可用公式（2-9）表示为：

（2-9）

式（2-9）中，ξ>1是一个非理性因子，Vth=kT/q，常温下约26mV。

此时器件工作在弱反型区。

2.2.3MOS管的小信号模型

当我们做出一个基本电路后，为了能够更有效地去计算各种各样的参数值，通常说。

我们会画出该电路的小信号模型，利用小信号可以方便于我们去计算分析我们的电路是否达到我们的标准。

由于小信号的模型是根据电路所设计出来的，所以它的各项值都可以视为是准确一致的。

利用大信号模型得出的直流偏置点，在直流偏置点附近的很小的信号变化，利用该变化计算其他参数。

图2-4是完整的MOS管小信号模型[1]。

图2-4完整的MOS管小信号模型

图中：

（2-10）

（2-11）

（2-12）

表2-3小信号模型参数含义：

ro

输出电阻

gm

饱和区跨导

gmb

衬底效应跨导

CSB

源-衬底耗尽层电容

CDB

漏-衬底耗尽层电容

CGS

栅一源电容

CGB

栅一衬底电容

CGD

栅-漏电容

通过手动计算理想的参数值，需要根据电路得出其简化电路，也就是小信号模型。

图2-5所示为简化模型。

图2-5MOS管简化小信号模型

模拟电路设计的八边形法则：

增益、速度、功耗、电源电压、噪声、电压摆幅、输入输出阻抗等为运放的主要性能参数。

模拟电路设计的八边形法则如下图2-6所示：

图2-6模拟电路八边形法则

设计一个运放时，需要全面考虑其主要性能参数，因为这些参数中的很多是相互影响，相互制约的，故而设计统筹兼顾，全面优化。

如图“模拟电路设计的八边形法则”所示，参照下图的结构，更明确地看出设计所在的重点及难处，此时就需要一个比较这种的方案，来使得各个参数都能达到理想值[1]。

2.3运算放大器概况及分类

运放的电路有很多种，每一种不同的运放都有不同的作用及其功能，我们需要根据自己所设计的电路去选择适合自己电路的不同的运放。

运放的作用顾名思义就是用来提高电路的增益，很多情况下，由于运放的不足之处使得，我们需要对运放设计进行二级放大，二级放大的作用在于使得该电路的增益获得更高的增益，因此我们需要选好一个电路的运放，避免电路的不必要浪费。

如下图2-7所示就是一个二级运放的电路图。

图2-7常用的两级运算放大器的框图

图2-7的框图，描述了运放的重要组成部分。

双极型运放和CMOS运放在结构上非常相似，但是现今所用的放大器大多为CMOS运放[3]。

输入级：

结构主要为差分电路结构，在某些情况下还会提供一个差分到单端的变换。

根据差分电路的的对称性，可以使得电路有一个大的共模抑制比，降低噪声，减少失调性能对电路的影响。

增益级：

使电路产生一个更高的增益。

在电路所生成增益不足以满足电路要求时，可以使用该级。

输出级：

输出级一般由源极跟随器或推挽放大器组成，用于降低输出电阻，维持大的信号摆幅。

偏置电路：

主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作点。

补偿电路：

在运算放大器加负反馈时，保持整个电路工作的稳定。

在理想情况下，运算放大器具有无限大的差模电压增益、无限大的输入电阻和零输出电阻。

但是现实情况下，运算放大器的性能只能接近这些值。

图2-8显示了运放的电路符号：

图2-8运算放大器的符号

图2-8中，“－”表示反向输入端，“+”表示同向输入端。

在非理想状态下，输出电压

，的表达式为：

（2-13）

表示开环差模电压增益；

和

分别是作用在同相端和反向端的输入电压。

在运放的增益足很大时，运放电路外加的负反馈电路后，其输入与输出形成反馈回路，而输入端口就形成了零子端口，外接入端口的电压为零时，输出亦为零。

在图2-6中，假设：

（2-14）

（2-15）

那么：

（2-16）

下图2-9展示了一个由运放所构成的电压放大器，输入端接电压根据运放特性，得到输出端一个放大了的电压。

图2-9用运算放大器构成的电压放大器

输出电压通过R2接至反向输入端，形成负反馈通路，用来控制放大器工作在稳定状态，输入加在同相输入端时，输出电压与输入电压方向相同，加在反相输入端时，输出电压与输入电压方向相反。

当只提供输入信号Vinp，此时Vinn=0，输入点压接在同相输入端，此时电压放大器称为同向放大器。

当只提供输入信号Vinn时，此时Vinp=0，输入电压接在反相输入端，此时电压放大器称为反向放大器[4]。

20多年前，为了适应各种各样的不同的电路设计与要求，很多放大器被制造成各种通用模块，以便更好，更方便的应用。

有时盲目追求某个单独的高指标，会造成其他指标的不符合，而这些是很不希望看到的。

与此相反，今天的运算放大器设计不再盲目的追求单项指标，而是方各项指标的综合考虑，在寻求高增益的情况下，带宽，摆率，低功耗等也会有很好的适应值。

放大器主要有差分放大器，共源共栅放大器，套筒式共源共栅放大器，折叠共源共栅放大器等。

2.3.1简单的共源共栅放大器

图2-10为共源共栅放大器结构，英文俗称cascode。

简要分析