[發明專利]一種用于MOS晶體管模擬集成電路的小信號分析方法

有效

• 申請號: 201410149068.6
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103957000B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 李斌;吳喜鵬;吳朝暉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H03K19/08
• 分類號: H03K19/08;H03F3/45
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及信號分析研究領域，特別涉及一種用于MOS晶體管模擬集成電路的小信號分析方法。

背景技術

隨著集成電路行業的快速發展，MOS晶體管以低成本，性能優越而廣泛用于模擬集成電路設計中。隨著工藝不斷進步，MOS晶體管溝道長度越來越短，使得MOS晶體管的二階效應變得不可忽略，成為影響電路性能的重要因素。現有的模擬集成電路小信號分析方法是先畫出交流小信號等效電路，然后用基爾霍夫定律列出電壓電流表達式，最后解出輸出信號、增益、輸入輸出阻抗等。隨著MOS晶體管二階效應的增多以及模擬集成電路規模的增加，這種傳統的小信號分析方法的計算越來越復雜，其電路拓撲難以從系統角度分析，從而難以系統抽象和給出綜合表達式，使電路分析有一定的盲目性，電路設計優化效率低。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種用于MOS晶體管模擬集成電路的小信號分析方法，該方法提出從系統角度對模擬集成電路進行小信號的計算與分析，具有步驟簡單、計算效率高的優點。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種用于MOS晶體管模擬集成電路的小信號分析方法，包括以下步驟：

（1）提取多端放大器模型。多端放大器模型以MOS晶體管多端放大器為基礎，并以此進行拓展。例如可以將對稱的差分MOS晶體管抽象成多端放大器，或者將MOS晶體管級聯抽象成多端放大器。MOS晶體管多端放大器模型如下：將MOS晶體管中的小信號漏源電流i_d表示為放大系數矢量與小信號控制電壓矢量的乘積，即其中，g_m是由柵極電壓變化引起的放大系數，g_mb是由襯偏效應引起的放大系數，g_mb是由溝道長度調制效應引起的放大系數；v_gs表示MOS晶體管柵源兩端所加的小信號電壓，v_bs表示MOS晶體管襯源兩端所加的小信號電壓，v_ds表示MOS晶體管漏源兩端所加的小信號電壓。

（2）確定多端輸入信號與反饋系數矩陣。斷開反饋，分析出多端放大器輸入信號。根據輸出信號分析系統其他元件對多端放大器凈輸入信號的影響，確定反饋系數矩陣。

（3）根據多端控制反饋系統模型，輸出信號矩陣可以用輸入信號矩陣、放大系數矩陣、反饋系數矩陣表示。多端控制反饋系統模型：一個電路系統等效為M個輸入端和N個輸出端；M個輸入端信號經過多端放大器A進行放大，N個輸出端的輸出信號經過多個反饋回路F，在輸入端形成反饋總和信號GS，反饋總和信號與輸入信號的疊加形成多端放大器A的凈輸入信號D；設M個輸入端（I₁,I₂,……,I_M）構成輸入信號矩陣[I]，N個輸出端（O₁,O₂,……,O_N）構成輸出信號矩陣[O]；輸出信號矩陣[O]經過一個反饋系數為M×N矩陣[F]的多端反饋回路，在M個輸入端形成反饋總和矩陣[GS]；此反饋總和矩陣[GS]與輸入信號矩陣[I]疊加形成凈輸入信號矩陣[D]；放大系數為N×M矩陣[A]的多端放大器與多端反饋回路形成MOS晶體管多端小信號閉合回路系統；[E]表示單位矩陣，各多端信號之間的關系為：[O]=([E]+[A][F])^-1[A][I]。

（4）根據各小信號參數的定義，利用輸出信號，可快速求解出增益、輸入阻抗、輸出阻抗等小信號參數。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1、本發明只需分析出電路的反饋系數，就可快速求出電路的小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗等小信號參數。而采用傳統解法，需畫出小信號等效電路圖，并列出一系列方程進行求解，其步驟復雜且計算效率較低。

2、本發明所提出的小信號分析方法，是以系統抽象的角度對電路進行分析的，所以可以利用系統反饋理論，根據放大系數和反饋系數的變化，直觀地分析出當元件參數發生變化時電路性能的變化情況。而傳統的分析方法，不能直觀地分析出電路性能的變化，只能先求解出電路小信號表達式，從表達式中獲得元件參數變化時對電路性能的影響。

附圖說明

圖1是本發明中MOS晶體管小信號多端控制模型示意圖；

圖2是本發明MOS晶體管放大電路小信號多端控制反饋模型示意圖；

圖3是MOS晶體管放大電路求電壓增益的示意圖；

圖4是圖3所示電路傳統小信號等效電路圖；

圖5是MOS晶體管放大電路求輸出阻抗的示意圖；