ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

CMOS 反相器:完整频率响应

从电路方程到教材结论 · 每步必要近似 · 原图与讲解可追溯

本组继承 共同模型与假设。含教材符号、近似或模型差异,请连同相应说明阅读。

CMOS 反相器的增益、两极点与米勒限制

对应:0228–0233。

用总跨导避免倍数混淆

Gm=gmn+gmp,Go=gon+gop,Ro=1/Go.G_m=g_{mn}+g_{mp},\quad G_o=g_{on}+g_{op},\quad R_o=1/G_o.

输入上升,NMOS 吸入增大、PMOS 供出减小,两项都使输出下降:

(Go+sCL)vo=−Gmvi,av=−GmRo1+sRoCL.(G_o+sC_L)v_o=-G_mv_i,\quad a_v=-\frac{G_mR_o}{1+sR_oC_L}. A0=GmRo,BW=12πRoCL,GBW=Gm2πCL.A_0=G_mR_o,\quad BW=\frac1{2\pi R_oC_L},\quad GBW=\frac{G_m}{2\pi C_L}.

匹配且两管同 ID,VOV,VAI_D,V_{OV},V_A:

Gm=2gm,Go=2go,Ro=ro/2,av(0)=−gmro≃−2VAVDD/2−VT.G_m=2g_m,\quad G_o=2g_o,\quad R_o=r_o/2,\quad a_v(0)=-g_mr_o\simeq-\frac{2V_A}{V_{DD}/2-V_T}.

这解释 current reuse:同一 DC 电流产生两个 AC 跨导。0229 正文将 ro/2r_o/2 说成 2/go2/g_o 是倒数错误;应为 1/(2go)1/(2g_o)。

0231:只有输入、输出对地电容

令 Ci=CGSn+CGSpC_i=C_{GSn}+C_{GSp},栅极前有 RSR_S:

av=−GmRo(1+sRSCi)(1+sRoCL).a_v=\frac{-G_mR_o}{(1+sR_SC_i)(1+sR_oC_L)}.

两极点为 1/(RSCi)1/(R_SC_i)、1/(RoCL)1/(R_oC_L)。若 RSCi≫RoCLR_SC_i\gg R_oC_L,输入极点主导。若还要把主极点 GBW 当交越频率,另一极点须高于交越,光是高于主极点仍不足。

GBWi≃GmRo2πRSCi.GBW_i\simeq\frac{G_mR_o}{2\pi R_SC_i}.

匹配时 Ci=2CGSC_i=2C_{GS},单管 fT=gm/(2πCGS)f_T=g_m/(2\pi C_{GS}):

GBWi=fTro2RS.GBW_i=\frac{f_Tr_o}{2R_S}.

教材差异: 0231 写 fTrDS/RSf_Tr_{DS}/R_S,主导条件写 RSCGSt>rDSCLR_SC_{GSt}>r_{DS}C_L。按同章 rDSr_{DS} 是单管阻抗的定义,这两处都少了系数 1/21/2。若改定义成总 RoR_o,必须明示。

0232–0233:加入 CF=CGDn+CGDpC_F=C_{GDn}+C_{GDp}

完整矩阵:

[GS+s(Ci+CF)−sCFGm−sCFGo+s(CL+CF)][vgvo]=[GSvi0].\begin{bmatrix} G_S+s(C_i+C_F)&-sC_F\\ G_m-sC_F&G_o+s(C_L+C_F) \end{bmatrix} \begin{bmatrix}v_g\\v_o\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}G_Sv_i\\0\end{bmatrix}.

展开:

av(s)=−A0(1−sCF/Gm)1+a1s+a2s2,a_v(s)=\frac{-A_0(1-sC_F/G_m)}{1+a_1s+a_2s^2}, a1=Ro(CL+CF)+RS(Ci+CF)+A0RSCF,a_1=R_o(C_L+C_F)+R_S(C_i+C_F)+A_0R_SC_F, a2=RSRo(CiCL+CiCF+CFCL).a_2=R_SR_o(C_iC_L+C_iC_F+C_FC_L). sp1,p2=−a1±a12−4a22a2,sz=GmCF.s_{p1,p2}=\frac{-a_1\pm\sqrt{a_1^2-4a_2}}{2a_2},\qquad s_z=\frac{G_m}{C_F}.

匹配时零点为 2gm/CF2g_m/C_F。0232 若写 1−sCF/gm1-sC_F/g_m,其中 gmg_m 必须是总跨导,否则零点差一倍。

逐步化成教材分母

先令 Ci=0C_i=0,再忽略 CF(Ro+RS)C_F(R_o+R_S):

av≃−A0(1−sCF/Gm)1+s(RoCL+A0RSCF)+s2RSRoCFCL.a_v\simeq\frac{-A_0(1-sC_F/G_m)} {1+s(R_oC_L+A_0R_SC_F)+s^2R_SR_oC_FC_L}.
近似 必要条件 失效时
忽略 CiC_i 对 a1,a2a_1,a_2 贡献均远小于保留项 用完整矩阵
省 CF(Ro+RS)C_F(R_o+R_S) CF(Ro+RS)≪RoCL+A0RSCFC_F(R_o+R_S)\ll R_oC_L+A_0R_SC_F 大 A0A_0 本身不保证可省
根分离 a12≫4a2a_1^2\gg4a_2 用完整二次方程
米勒主导 GmRSCF≫CLG_mR_SC_F\gg C_L 交界处保留两个时间常数
GBW 近似交越 大 A0A_0、交越远离零点和次极点 不可只乘低频增益与 BW

根分离时 ωd≃1/a1, ωnd≃a1/a2\omega_d\simeq1/a_1,\ \omega_{nd}\simeq a_1/a_2。0233 的条件因此为

RSCF≫CLGm=12πGBWload,GBWMiller≃12πRSCF.R_SC_F\gg\frac{C_L}{G_m}=\frac1{2\pi GBW_{\rm load}}, \qquad GBW_{\rm Miller}\simeq\frac1{2\pi R_SC_F}.

SFG 机制与 03 组相同,只需换成总 GmG_m 并加入对地电容,不再画重复图。矩阵行列式、零点及匹配因子均由符号程序检查。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
0228 63 64 63
0229 64 65 63, 64
0230 64 65 64
0231 65 66 65
0232 65 66 65, 66
0233 66 67 66

Spectre 仿真结果

本推导组的代表模型已完成 Spectre 验证;覆盖范围以所列网表为准,未逐一搭建所有幻灯片电路。

线性 AC 1 · MOS 电路 1 · 极零 0 · 瞬态 0:所列检查全部通过。

案例:inverter_ac、mos_inverter

查看本组波形、模型条件与 CSV → · 仿真 Markdown 解释

来源幻灯片与讲解定位(6 张)
原书幻灯片 0228
0228 · PDF 63/书本 64 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0229
0229 · PDF 64/书本 65 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0230
0230 · PDF 64/书本 65 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0231
0231 · PDF 65/书本 66 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0232
0232 · PDF 65/书本 66 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0233
0233 · PDF 66/书本 67 · 原图及完整讲解