ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

单极点、GBW 与尺寸数值题

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。「精确」指指定小信号模型内精确。

单极点、GBW 与尺寸练习

对应:027–0210;027–028 共用同一电路。

输出电容主导:027–028

令 R=ro∥RLR=r_o\parallel R_L,只保留输出 CLC_L。由 KCL

(1R+sCL)vo=−gmvi⇒av(s)=−gmR1+sRCL.\left(\frac1R+sC_L\right)v_o=-g_mv_i \quad\Rightarrow\quad a_v(s)=\frac{-g_mR}{1+sRC_L}.

因此

A0=gmR,ωp=1RCL,BW=12πRCL.A_0=g_mR,\quad \omega_p=\frac1{RC_L},\quad BW=\frac1{2\pi RC_L}.

幅度与相对低频的相位:

∣av(jω)∣=A01+(ω/ωp)2,Δϕ=−tan⁡−1(ω/ωp).|a_v(j\omega)|=\frac{A_0}{\sqrt{1+(\omega/\omega_p)^2}}, \qquad \Delta\phi=-\tan^{-1}(\omega/\omega_p).

在 ωp\omega_p 幅度下降 20log⁡10(1/2)=−3.010320\log_{10}(1/\sqrt2)=-3.0103 dB,相对相位为 −45∘-45^\circ。高频幅度正比 1/ω1/\omega,所以每十倍频下降 20 dB。

由定义相乘可精确消去 RR:

GBW≡A0BW=gm2πCL.GBW\equiv A_0BW=\frac{g_m}{2\pi C_L}.

但单位增益交越频率另由 ∣av∣=1|a_v|=1 解得

fu=BWA02−1=GBW1−A0−2(A0>1).f_u=BW\sqrt{A_0^2-1}=GBW\sqrt{1-A_0^{-2}}\qquad(A_0>1).

所以图上把 fuf_u 标成 GBW,还用了 A0≫1A_0\gg1。图中的相位是相对相位;共源级的固定反相不可遗忘。

029:依教材定义逐步重算

规格 GBW=100GBW=100 MHz、CL=3C_L=3 pF,故

gm=2π(100×106)(3×10−12)=1.88496 mS.g_m=2\pi(100\times10^6)(3\times10^{-12}) =1.88496\ {\rm mS}.

选择而非推导出 VOV=0.2V_{OV}=0.2 V,则

gmID=2VOV=10 V−1,ID=gmVOV2=188.50 μA.\frac{g_m}{I_D}=\frac2{V_{OV}}=10\ {\rm V}^{-1},\quad I_D=\frac{g_mV_{OV}}2=188.50\ \mu{\rm A}.

本书 Kn′=50 μA/V2K'_n=50\ \mu{\rm A/V^2},没有额外 1/21/2:

WL=IDKn′VOV2=94.248.\frac WL=\frac{I_D}{K'_n V_{OV}^2}=94.248.

再选择 L=4Lmin⁡=2 μL=4L_{\min}=2\ \mum,可得 W=188.50 μW=188.50\ \mum。 若按教材先把 gmg_m 取整为 2 mS,就得到 ID=0.2I_D=0.2 mA、W/L=100W/L=100、W=200 μW=200\ \mum。这些是取整差异,不是模型不一致。

FOM=GBW CLID=1591.55 MHz⋅pF/mA≃1500(采 0.2 mA 的取整电流).FOM=\frac{GBW\,C_L}{I_D} =1591.55\ {\rm MHz\cdot pF/mA} \simeq1500\quad\text{(采 0.2 mA 的取整电流)}.

0210:只有输入电容

信号源经 RSR_S 驱动栅极,CGSC_{GS} 接地,输出没有电容:

vg−viRS+sCGSvg=0,vo=−gmrovg.\frac{v_g-v_i}{R_S}+sC_{GS}v_g=0,\qquad v_o=-g_mr_o v_g. av=−gmro1+sRSCGS,BW=12πRSCGS,GBW=gm2πCGSroRS.a_v=\frac{-g_mr_o}{1+sR_SC_{GS}},\quad BW=\frac1{2\pi R_SC_{GS}},\quad GBW=\frac{g_m}{2\pi C_{GS}}\frac{r_o}{R_S}.

在此电容模型中定义 fT=gm/(2πCGS)f_T=g_m/(2\pi C_{GS}),便是教材 fTro/RSf_Tr_o/R_S。 若再采 CGS≃αCoxWLC_{GS}\simeq\alpha C_{ox}WL(长沟道常用 α≃2/3\alpha\simeq2/3),则

GBW≃VEπαRSCoxWVOV.GBW\simeq\frac{V_E}{\pi\alpha R_S C_{ox}W V_{OV}}.

所以图上的 1/(WCoxVOV)1/(WC_{ox}V_{OV}) 是省略固定系数的比例关系,不是量纲完整的等式。

必要近似与失效条件

步骤 原式 → 简式 必要条件 失效时
单极点 完整寄生网络 → 一个 CLC_L 或 CGSC_{GS} 其他极点高于关注频带 不能再从 A0BWA_0BW 预测实际交越
交越 A02−1→A0\sqrt{A_0^2-1}\to A_0 A0≫1A_0\gg1 A0A_0 接近 1 时误差很大
电容尺度 CGS→αCoxWLC_{GS}\to\alpha C_{ox}WL 忽略 交叠电容、边缘电容,强反转 短沟道、小尺寸
设计电压 指定 VOV=0.2V_{OV}=0.2 V 教材的设计选择,须另查工艺 不能把这个选择当规格唯一解

方法与验算

不用 SFG:两个互不反馈的一阶关系直接相乘最清楚。数值检查包括未取整及取整的 029 解,以及 GBW 与实际 fuf_u 的差异。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
027 53 54 53
028 53 54 53
029 54 55 54
0210 54 55 54

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:loaded_cs、mos_cs

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(4 张)
原书幻灯片 027
027 · PDF 53/书本 54 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 028
028 · PDF 53/书本 54 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 029
029 · PDF 54/书本 55 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0210
0210 · PDF 54/书本 55 · 原图及完整讲解