[发明专利]一种用于MOS晶体管模拟集成电路的小信号分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号分析研究领域，特别涉及一种用于MOS晶体管模拟集成电路的小信号分析方法。

背景技术

随着集成电路行业的快速发展，MOS晶体管以低成本，性能优越而广泛用于模拟集成电路设计中。随着工艺不断进步，MOS晶体管沟道长度越来越短，使得MOS晶体管的二阶效应变得不可忽略，成为影响电路性能的重要因素。现有的模拟集成电路小信号分析方法是先画出交流小信号等效电路，然后用基尔霍夫定律列出电压电流表达式，最后解出输出信号、增益、输入输出阻抗等。随着MOS晶体管二阶效应的增多以及模拟集成电路规模的增加，这种传统的小信号分析方法的计算越来越复杂，其电路拓扑难以从系统角度分析，从而难以系统抽象和给出综合表达式，使电路分析有一定的盲目性，电路设计优化效率低。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于MOS晶体管模拟集成电路的小信号分析方法，该方法提出从系统角度对模拟集成电路进行小信号的计算与分析，具有步骤简单、计算效率高的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于MOS晶体管模拟集成电路的小信号分析方法，包括以下步骤：

（1）提取多端放大器模型。多端放大器模型以MOS晶体管多端放大器为基础，并以此进行拓展。例如可以将对称的差分MOS晶体管抽象成多端放大器，或者将MOS晶体管级联抽象成多端放大器。MOS晶体管多端放大器模型如下：将MOS晶体管中的小信号漏源电流i_d表示为放大系数矢量与小信号控制电压矢量的乘积，即其中，g_m是由栅极电压变化引起的放大系数，g_mb是由衬偏效应引起的放大系数，g_mb是由沟道长度调制效应引起的放大系数；v_gs表示MOS晶体管栅源两端所加的小信号电压，v_bs表示MOS晶体管衬源两端所加的小信号电压，v_ds表示MOS晶体管漏源两端所加的小信号电压。

（2）确定多端输入信号与反馈系数矩阵。断开反馈，分析出多端放大器输入信号。根据输出信号分析系统其他元件对多端放大器净输入信号的影响，确定反馈系数矩阵。

（3）根据多端控制反馈系统模型，输出信号矩阵可以用输入信号矩阵、放大系数矩阵、反馈系数矩阵表示。多端控制反馈系统模型：一个电路系统等效为M个输入端和N个输出端；M个输入端信号经过多端放大器A进行放大，N个输出端的输出信号经过多个反馈回路F，在输入端形成反馈总和信号GS，反馈总和信号与输入信号的叠加形成多端放大器A的净输入信号D；设M个输入端（I₁,I₂,……,I_M）构成输入信号矩阵[I]，N个输出端（O₁,O₂,……,O_N）构成输出信号矩阵[O]；输出信号矩阵[O]经过一个反馈系数为M×N矩阵[F]的多端反馈回路，在M个输入端形成反馈总和矩阵[GS]；此反馈总和矩阵[GS]与输入信号矩阵[I]叠加形成净输入信号矩阵[D]；放大系数为N×M矩阵[A]的多端放大器与多端反馈回路形成MOS晶体管多端小信号闭合回路系统；[E]表示单位矩阵，各多端信号之间的关系为：[O]=([E]+[A][F])^-1[A][I]。

（4）根据各小信号参数的定义，利用输出信号，可快速求解出增益、输入阻抗、输出阻抗等小信号参数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明只需分析出电路的反馈系数，就可快速求出电路的小信号电压增益、输入阻抗、输出阻抗等小信号参数。而采用传统解法，需画出小信号等效电路图，并列出一系列方程进行求解，其步骤复杂且计算效率较低。

2、本发明所提出的小信号分析方法，是以系统抽象的角度对电路进行分析的，所以可以利用系统反馈理论，根据放大系数和反馈系数的变化，直观地分析出当元件参数发生变化时电路性能的变化情况。而传统的分析方法，不能直观地分析出电路性能的变化，只能先求解出电路小信号表达式，从表达式中获得元件参数变化时对电路性能的影响。

附图说明

图1是本发明中MOS晶体管小信号多端控制模型示意图；

图2是本发明MOS晶体管放大电路小信号多端控制反馈模型示意图；

图3是MOS晶体管放大电路求电压增益的示意图；

图4是图3所示电路传统小信号等效电路图；

图5是MOS晶体管放大电路求输出阻抗的示意图；