【模拟集成电路设计】学习笔记（一）

前言：

  持续更新，若有后续更新，更新链接将附于文末，后续有时间会对内容更新。

课堂tips

1、放大器

  放大器放大的是小信号，只有在特定的静态工作点下，小信号放大才有意义，因此一些小信号指标常与某个DC点相关联，若小信号幅度超过系统输入范围要求，则将会发生线性失真，合适的静态工作偏置点是实现信号放大的前提条件。

2、有源器件

  有源器件除了PN结，其他至少有三个或以上的端口，是信号可以放大的物理结构前提条件，

3、设置静态工作点Q的原因

  有源器件正常工作的条件是需要设置合适的静态工作点，在此前提下，线性近似条件才能成立

4、小信号近似的意义：

  ①在某个静态工作点Q下，跨导参数gm和gd具有近似常数的性质
  ②对于输入小信号vgs的放大条件是线性的

5、为什么MOS可以作为放大元件

  ①从结构上看，MOS管是一个三端口器件，可以视为VCCS/CCCS，栅源极为控制端，DS为受控端，通过调整控制端可对输出进行调整电流大小
  ②从物理结构上看，作为放大作用，一般工作在饱和区，一般gm>>gd，MOS本征增益Av=gm/gd >>所以MOS有放大功能。
  ③MOS放大的条件：有固定的静态工作点，且放大的是小信号（线性放大）

6、集成电路中三种电阻（按照实现方式分类）

  ①线性电阻：电路简单，交直流阻抗未分离，增益与静态工作点存在矛盾（以经典CS放大器为例，若R过大，MOS进入线性区）。
  ②恒流源：放大倍数高，交直流分离，交流阻抗高，Av大，直流阻抗下降，静态工作点Q难以确定。
  ③MOS Diode电阻：静态工作点稳定，输出摆幅受限，交流阻抗低，增益小，直流阻抗大，交直流分离。

7、Miller电容：

  ①定义：跨接在放大器输入和输出端口的电容，常用作频率补偿；
  ②问题：Miller电容可能会因前馈而引入RHP零点，该零点若靠近低频，则会减缓幅值下降，使得增益交点外推，相位裕度PM下降，大大减小环路稳定性。
  ③改进：增加电阻RM与CM串联，将RHP零点外推，甚至变为LHP零点；也可串联一个MOS，切断前馈通路。
  ④Miller电容有效的前提（以二级运放为例）：输出负载电容CL不宜过大，否则放大器电压增益下降，有效增益下降，不能采用低频增益计算Miller效应；Miller效应的目的是将级间极点补偿为主极点，若$C_L$太大，输出极点会成为主极点，此时Miller补偿失效；同时第一级输出应为高阻，确保级间极点为主机极点。

8、Bandgap原理

  原理：通过将两个具有相反温度系数的电流或电压通过加权叠加，结果得到零温度系数，双极型晶体管$V_{BE}$，PN结二极管的正向电压具有负温度系数，$∆V_{BE}$具有正的温度系数，将$V_{BE}$与$∆V_{BE}$适当增加，可以得到令人满意的零温度系数。

9、MOS管的直流阻抗和交流阻抗

  条件：MOS的直流打信号条件下用作直流阻抗，在交流小信号条件下用作交流阻抗
  特点：MOS工作在线性区时，直流与交流阻抗近似相等，在饱和区时，交流阻抗远大于直流阻抗，直流阻抗与交流阻抗由MOS静态Q点决定：
  交流阻抗 $r_d=d{V}_{DS}/d{I}_{DS}$，主要应用在小信号模型中；直流阻抗 $R_d=V_{DS}/I_{DS}$主要应用在大信号模型中。

10、运放的开环与闭环

  ①开环运放：静态点不宜稳定；放大倍数Av不稳定，易受工艺或环境影响；Av不宜灵活改变。
  ②闭环运放：若$Av$足够大，$A_V=A/(1+AF)\approx 1/F$。Av近似与开环无关，由反馈系数$F$决定；可以通过F来方便的改变$Av$。

11、零极点的物理意义与形成机制

（1）物理意义：自动控制理论中，极点对应系统瞬态，反映系统响应快慢，与输入无关，是系统本身特性。
（2）形成机制：待我再研究一下

12、MOS和BJT的区别

（1）BJT
  ①由两种载流子导电，且载流子在半导体内迁移，迁移率大，跨导$g_m$大。
  ②跨导gm大，寄生电容C小，高频性能更好。
  ③输入有限阻抗，功耗大。
  ④参数调节与面积S有关,因此器件尺寸较大，不宜集成。
（2）MOS
  ①由一种载流子导电，且载流子在半导体表面迁移，迁移率小，跨导$g_m$小。
  ②跨导$g_m$小，寄生电容C大，高频性能差。
  ③输入阻抗大，功耗小。
  ④参数调节与$W/L$有关,因此器件尺寸较小，宜集成。

13、闭环应用

  ①Av稳定可靠，且通过控制反馈系数F，可编程性提高，应用更灵活。
  ②-3dB带宽提升，频率特性相应提升，高频性能提升。
  ③线性范围拓展，线性度提升。
  ④通过闭环反馈，更易实现阻抗匹配，信号传输损耗小。

14、差分放大器的优点

  ①扩大共模输入范围
  ②有效抑制共模噪声，提高CMRR
  ③增大输出摆幅（单端输出的两倍）
  ④偏置电路更简单，差分对通过电流镜直接耦合，输出线性度更高。