立足基础理论，灵活解释您的仿真结果，进行设计与取舍---以基于平方率的单端共源共栅放大器设计为例

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rpg-72018/10/27IC菜鸟成长手记 IP:四川

现代模拟IC设计中，我们打交道最多的器件莫非MOSFET了，使用什么结构，如何给定MOSFET的参数，就是一个最重要的话题。

在现代CMOS工艺中，我们关心最多的参数：MOSFET的宽（W）和长（L）和由这两项参数构成的宽长比（W/L）。

而在0.5um及以上的工艺中，平方率方程是可以较为准确的描述MOSFET I-V特性曲线，方程如下：（饱和区，先暂时不考虑沟道长度调制效应）

$I_{D} = \frac{1}{2} μ_{N} C_{O X} \frac{W}{L} (V_{G S} - V_{T H})^{2}$

而式中uN×Cox可以简化为系数KN，（VGS-VTH）可以以过驱动电压VOD代替，简化方程如下：

$I_{D} = \frac{1}{2} K_{N} \frac{W}{L} V_{O D}^{2}$

在MOSFET小信号模型中，非常值得关注的参数是MOSFET的跨导gm和输出电阻ro，公式如下：

$g_{m} = \frac{I_{D}}{V_{G S}} = μ_{N} C_{O X} \frac{W}{L} (V_{G S} - V_{T H}) = \sqrt{2 μ_{N} C_{O X} \frac{W}{L} I_{D}} = \frac{2 I_{D}}{V_{G S} - V_{T H}}$

$r_{o} = \frac{\partial V_{D S}}{\partial I_{D}} = \frac{1}{\frac{1}{2} μ_{N} C_{O X} \frac{W}{L} V_{O D}^{2} λ} \approx \frac{1}{λ I_{D}}$

对于ro，我们一般使用后面的简化公式进行计算。

在MOS管共源放大器中，有重要参数--本征增益Av0，共源极放大器无论如何无法超过这个增益

$A_{v 0} = g_{m} r_{o}$

而共源共栅放大器，则是依靠极大的提升输出阻抗，来提供更大的增益。

本次设计电路图如下：

已知共源共栅放大器增益为

$A_{v, C a s c o d e} = g_{m N 0} [(g_{m, N 1} r_{o N 1} r_{o N 0}) / / (g_{m, P 1} r_{o P 1} r_{o P 0})]$

无法改动的参数：KN/KP、Lambda、

写在Spec里的参数：电源电压、功耗（决定电流ID）、输出摆幅（决定了给每个管子分配多少过驱动电压）

在设计时，我们可以调节的参数：宽长比，过驱动电压

这个设计的Spec：

VDD=5V,P<=0.2mW,Av>5000,对输出摆幅和频率特性不做要求

理论介绍完毕，在下一楼中，开始正儿八经的参数提取和设计

I_D=\frac12\mu_NC_{OX}\frac WL(V_{GS}-V_{TH})^2

[修改于 6年5个月前 - 2018/10/28 06:28:46]

来自：电子信息 / 电子技术

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~~空空如也

rpg-7

作者

6年5个月前修改于 6年5个月前 IP:四川

851730

1楼

管子参数提取&设计

参数提取部分：

下图为NMOS测试电路，以一个W/L=10/1的NMOS为例，对该管的KN，沟道长度调制系数（Lambda），体效应系数（Eta）进行计算

首先，在spectre中，导入仿真变量，进行DC-SWEEP仿真，设置输出为NM0漏极电流

不要忘记导入仿真参数文件（虽然先进的工艺库大多给你直接自动导入好了）

使用Tools->Parametric Analysis，对VGS进行仿真，仿真产生不同VGS下的VDS-ID曲线簇

扫描得出I-V特性曲线一张

另一张重要曲线图就是给定VDS=5，扫描VGS-ID曲线，主要用于粗略得出VTH

手工计算思路：首先选定典型IV特性曲线一条，选取饱和区的两端，计算得出KN×Lambda，将该值重新代入方程中，计算得出KN和Lambda

手工计算的结果：Lambda大约是7.14×10^-3

软件计算结果：Lambda=1/Vearly=9.91×10^-3，误差超过了20%。。。。。。。。

还是用软件算好了。。。。。

--------------------------------------------------------------------------下面为设计部分-------------------------------------------------------------------------------------------

首先，由电源电压和功率参数，我们可以得出结论：设计整体电流<=40uA

我们砍出一半，作为这个放大器的工作电流。

观察共源共栅结构的公式，我们可以得出如下结论：

（抱歉，未完待续）

引用