集成電路原理第六章

1、第六章第六章 mos模擬集成電路模擬集成電路6.1 mos模擬集成電路基礎(chǔ)模擬集成電路基礎(chǔ)6.1.1 mos模擬模擬ic中的元件中的元件 4、jfet 6.2 mos模擬模擬ic子電路子電路 模擬集成運(yùn)算放大器電路分層說(shuō)明模擬集成運(yùn)算放大器電路分層說(shuō)明 10bits 105msps 3v adc 原理圖原理圖無(wú)緩沖二級(jí)無(wú)緩沖二級(jí)cmos運(yùn)放電路運(yùn)放電路6.2.1 電流源與電流沉（電流源與電流沉（current source and sink） 1、基本的電流源、電流沉、基本的電流源、電流沉（1）電流源）電流源 圖圖6-1 基本的電流源結(jié)構(gòu)與基本的電流源結(jié)構(gòu)與i-v特性示意特性示意 tgsdsv

2、vv（6-1） tpddggddssoutvvvvvvsstpggoutvvvvtpggssoutvvvvdsdsdssssdddoutoutigivvvivr11)(0（2）電流沉）電流沉 圖圖6-2 基本的電流沉結(jié)構(gòu)與基本的電流沉結(jié)構(gòu)與v-i特性示意特性示意 tnssggdsvvvv（6-2） dsoutoutrivr0（6-3） 2、改進(jìn)的電流沉、改進(jìn)的電流沉/源源 （1）接電阻增加輸出電阻的技術(shù)）接電阻增加輸出電阻的技術(shù) 22222sbsssggsvvvvvv0222222020)()()(irvvgvgvvgissmbssmsds圖圖6-3 接電阻增加輸出電阻接電阻增加輸出電阻 的結(jié)

3、構(gòu)與等效電路的結(jié)構(gòu)與等效電路 （6-3） msbfbmsbtgsdssbttdssbdsbsdsmbsgvgvvvivvvivivig212)2(2（6-4） 21)2(2sbfbdsmbsvvg rrgrrggrrivrdsmdsmbsmdsout22222200)(（6-5） （2）實(shí)際電路）實(shí)際電路 圖圖6-4 共柵共源電流沉結(jié)構(gòu)共柵共源電流沉結(jié)構(gòu) (對(duì)對(duì)m1管來(lái)看的管來(lái)看的) 1222212211212122)1 ()1 (dsdsmdsdsmdsdsdsdsdsmbsdsmdsoutoutoutrrgrrgrrrgrgrgrivr（6-6） 6.2.2 電流鏡和電流放大器電流鏡和電流

4、放大器(current mirror & current amplifier) 1、基本的電流鏡（恒流源）、基本的電流鏡（恒流源） )1 ()(2112111111dstgsdsgdsrvvviiii)1 ()(21222220dstgsvvvi圖圖6-5 基本的電流鏡電路基本的電流鏡電路 )1 ()()1 ()(12111222220dstgsdstgsrvvvvvvii)1 ()()1 ()(1211111122222222dstgsoxdstgsoxvvvclwvvvclw（6-7） 若若t1、t2的工藝參數(shù)相同，且的工藝參數(shù)相同，且vds1=vds2，則則 )()(11220lwlwi

5、ir（6-8） riilwlw01122電流鏡電流鏡 1122lwlw 222201dsdsdsdsrgivr（6-9） 2、威爾遜電流鏡、威爾遜電流鏡wilson current mirror 圖圖6-6 威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡 112220dsgsdsgsdsivvvii)(231gsgsdsvvvvgs2)g(1)1 (132m1030131231223311333230mmmmdsdsmmmdsmdsmdsmmdsdsdsgggrrgrrgggrgrgrggrrrr設(shè)（6-10） 333tgsdsvvv 322)(tioutvvvvv3tioutvvv（6-11） （6-12） 3、

6、共柵共源電流鏡、共柵共源電流鏡cascode current mirror （a a）電路圖電路圖 （b b）等效電路等效電路 圖圖6-7 共柵共源電流鏡共柵共源電流鏡 )(,v21342113ds3244dsdsdsgsdsgsdsgsrdsdsdsvvvvvvvviiiv恒定恒定， 0314444200224424240vvggvvvirvgvvgvgimmbsdsdsmbsm（6-13） 4244424420)1 (dsdsmdsdsmdsdsrrgrrgrrr （6-14） 6.2.3 基準(zhǔn)源基準(zhǔn)源 1、簡(jiǎn)單的電壓分壓器、簡(jiǎn)單的電壓分壓器 （a）電阻分壓器電阻分壓器 （b）有源器件分壓

7、器有源器件分壓器212ddrefrrrvv 1refddddrefddddrefrefvvvvvvvvvvsrefdd2、pn結(jié)基準(zhǔn)電壓源結(jié)基準(zhǔn)電壓源 圖圖6-9 簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的pn結(jié)基準(zhǔn)源結(jié)基準(zhǔn)源 )ln(sebrefiiqtkvv)exp(ktqviiebsrvrvvddebdd（6-15） （6-16） )ln(sddrefirvqktv)ln(1)ln(1ssddvviiirvsrefdd （6-17） （6-18） 1refddvvs0362. 0refddvvsis=10-15a，（但此結(jié)構(gòu)提供的（但此結(jié)構(gòu)提供的vref較低。如較低。如is=10-15a，vdd=5v，則則vref=

8、0.93v。）。）(2) 改進(jìn)的改進(jìn)的pn結(jié)基準(zhǔn)源結(jié)基準(zhǔn)源 1212121)()(rrrvvrrvvrirvvebebebebbebref （6-19） 圖圖6-10改進(jìn)的改進(jìn)的pn結(jié)基準(zhǔn)源結(jié)基準(zhǔn)源 （3）以）以mosfet代替代替bjt的基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)源 21)(22rvvvivvvrefddttgsref)(;)(;)2(21gsddgsddddtvvvvrvv若迭代求出若（6-20） ddtvvvrvsrefdd2)(15 . 0（6-21） )1 (12rrvvgsref（6-22） （4）齊納）齊納zenor二極管基準(zhǔn)電壓源二極管基準(zhǔn)電壓源 圖圖6-12 齊納二極管基準(zhǔn)源齊納二極管基準(zhǔn)

9、源 bvddzzbvddddrefrefddddrefvvvvrrrvvvvvvvvsrefdd（6-23） 假設(shè)：假設(shè)：vdd=10v，vbv=6.5v，rz=100 ，r=35k ，則此基準(zhǔn)電壓源的靈敏則此基準(zhǔn)電壓源的靈敏度為度為0.0044。 3、cmos帶隙基準(zhǔn)源帶隙基準(zhǔn)源 圖圖6-13 cmos帶隙基準(zhǔn)源帶隙基準(zhǔn)源 nktvvqiitgsdsds)(exp0qnktvvtt（6-24） （6-25） ttqktnttvttvtvbeogbe0000ln)()1 ()(（6-26） （6-27） 4313442310expexpsbgsrgsgsddddsbigbididivvvvvi

10、iiiktqvktnvqisi2lnidadnnnqktv 41321111lnssssrqktrvirr （6-28） 2512ssiirr又 41322512512lnssssssrqktssiirr （6-29） 41322512lnssssssrqrktvtvberef （6-30） 413225120000lnln1ssssssrrqktttqktnttvttvvbeogref基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓vref為為0tvref令令 ttnvvktqssssssrrbeog00041322512ln1ln（6-31） 0000ggttrefvqktnvv （6-32） 凹凸曲線溫度補(bǔ)償技術(shù)凹凸曲

11、線溫度補(bǔ)償技術(shù)啟動(dòng)電路啟動(dòng)電路低壓高階基準(zhǔn)低壓高階基準(zhǔn)差分基準(zhǔn)正端輸出差分基準(zhǔn)正端輸出差分基準(zhǔn)負(fù)端輸出差分基準(zhǔn)負(fù)端輸出差分輸出緩沖器的設(shè)計(jì)差分輸出緩沖器的設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)輸出緩沖器結(jié)構(gòu)圖基準(zhǔn)輸出緩沖器結(jié)構(gòu)圖 12323refrefrrrvvrr323refrefrvvrrmvoutgar16.2.4 mos差分放大器差分放大器 1、nmos差分放大器差分放大器 （1）工作原理與小信號(hào)特性）工作原理與小信號(hào)特性 212122ddgsgsidiivvv（6-33） 圖圖6-14 nmos差分放大器差分放大器 21ddssiii（6-34） 21242222124221422422ssidssidssss

12、dssidssidssssdiviviiiiviviii（6-35） 11211221214)(21dsssssiddvvgsgsdmsiiivivvddiggsgs（6-36） （忽略高次項(xiàng)）（忽略高次項(xiàng)）12121212)()(21dsssiddiddidodvvgsgsddmdiivivivivvdiidggsgs（6-37） cdsmiovrrgvva11111 （6-38） cdsmcdsmdvdrrgrrga11 （6-39b） cdsmscdsmioidovsrrgrrgvvvva11111122 （6-39a） （2）差分放大器的輸入失調(diào)電壓）差分放大器的輸入失調(diào)電壓vio 不

13、對(duì)稱、不對(duì)稱的、因子不對(duì)稱的、212121rrvttktttccmteiorrkkgivv2（6-40） 而： iobjtiomosmbjtmmosbetevvggvv（6-41） vcvdaacmrr （6-42） 2、cmos差分放大器差分放大器 （1）nmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 圖圖6-15 nmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 0242143121outdddddddgsgsiiiiiiiivv差分輸出242143121ddoutdddddgsgsiiiiiiiivv ssdmiig2222(gm=gm1=gm2) （6-43） )(42dsdsmvd

14、rrga（6-44） （2）pmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 圖圖6-16 pmos輸入差分放大器輸入差分放大器 例如：對(duì)于例如：對(duì)于n型襯底型襯底p阱工藝，應(yīng)采用阱工藝，應(yīng)采用nmos輸入還是輸入還是pmos輸入？輸入？ 如果是如果是p型襯底型襯底n阱工藝呢？阱工藝呢？6.2.5 反相放大器反相放大器 1、有源電阻反相放大器、有源電阻反相放大器（1）小信號(hào)電壓增益及輸出電阻）小信號(hào)電壓增益及輸出電阻 圖圖6-17 有源電阻反相器及其等效電路有源電阻反相器及其等效電路 211221212211lwklwkggggggvvapnmmmdsdsminoutv222111mmdsds

15、outoutoutggggivr（6-45） （6-46） （2）小信號(hào)頻率響應(yīng)）小信號(hào)頻率響應(yīng) 圖圖6-18 考慮了寄生電容的反相器結(jié)構(gòu)及其小信號(hào)等效模型考慮了寄生電容的反相器結(jié)構(gòu)及其小信號(hào)等效模型 11111111)()(srgrcsrgscrgsvsvmmminout（6-47） 212211mmdsdsggggrlgsbdbdgdcccccc2211121221fcicgrcdm（6-48） 2、電流源作負(fù)載的反相放大器、電流源作負(fù)載的反相放大器（1）小信號(hào)電壓增益及輸出電阻）小信號(hào)電壓增益及輸出電阻 圖圖6-19 電流源負(fù)載反相放大器電路結(jié)構(gòu)與等效電路電流源負(fù)載反相放大器電路結(jié)構(gòu)與等

16、效電路 2121d11nds2ds1m1inoutv1ilw2kgggvva)(i1gg1ivr21dds2ds1outoutout（6-49） （6-50） （2）小信號(hào)頻率響應(yīng)）小信號(hào)頻率響應(yīng)lbdbdgdgddsdscccccggrc21212111 （6-51） （3）電流沉作負(fù)載的反相放大器）電流沉作負(fù)載的反相放大器 圖圖6-20 電流沉負(fù)載反相放大器電流沉負(fù)載反相放大器 3、推挽、推挽cmos反相放大器反相放大器 圖圖6-21 推挽推挽cmos反相放大器與小信號(hào)等效電路反相放大器與小信號(hào)等效電路 2121dsdsmminoutvggggvva（6-52）211dsdsoutggrc

17、ggrcdsds21116.2.6 輸出級(jí)輸出級(jí) 過熱）提供保護(hù)對(duì)異常狀態(tài)（如短路、高效率防止信號(hào)失真供足夠的輸出功率以電壓或電流的形式提1、甲類電流源、甲類電流源/沉偏置的輸出級(jí)沉偏置的輸出級(jí) 2ssddoutvvv峰值（6-53） 2、共漏輸出放大器（源極跟隨器）、共漏輸出放大器（源極跟隨器） 圖圖6-22（a）電路圖電路圖 圖圖6-22（b） 小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路 小信號(hào)電壓增益小信號(hào)電壓增益 11)1 (1211mdsdsminoutvggggvva（6-54） 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) outmbsmdsdsinmvccsggggvcsg21112111)()()1 ()()(211

18、2111ccsgggcsgsvsvmdsdsminout211211211)1 (ccgccgggpmmdsds（6-55） （6-56） 2111ccgm（6-57） )1 (111211121mdsdsmbsmdsdsoutgggggggr（6-58） 3、互補(bǔ)推挽輸出級(jí)、互補(bǔ)推挽輸出級(jí) （1）簡(jiǎn)單的）簡(jiǎn)單的cmos推挽輸出推挽輸出 2121dsdsmmvgggga 211dsdsoutggr cggdsds211（2）改進(jìn)型）改進(jìn)型cmos推挽輸出推挽輸出 (a)原理圖原理圖 （b）實(shí)用電路實(shí)用電路 圖圖6-23 改進(jìn)型改進(jìn)型cmos推挽輸出放大器推挽輸出放大器 pmosnmos （3）

19、甲乙類）甲乙類/乙類源跟隨放大器乙類源跟隨放大器 （a）原理圖原理圖 （b）實(shí)用電路實(shí)用電路 圖圖6-24 甲乙類甲乙類/乙類源跟隨放大器乙類源跟隨放大器 1)(26)(tssmaxoutttddmaxoutvvvvvvv6.3 cmos集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 6.3.1 集成運(yùn)放設(shè)計(jì)的邊界條件和主要指標(biāo)集成運(yùn)放設(shè)計(jì)的邊界條件和主要指標(biāo)1、c商業(yè)級(jí)：商業(yè)級(jí)：0 70 i 工業(yè)級(jí)：工業(yè)級(jí)：-20 85 e擴(kuò)展工業(yè)級(jí)：擴(kuò)展工業(yè)級(jí)：-40 85 a航空級(jí)：航空級(jí)： -40 85 m軍品級(jí)：軍品級(jí)：-55 125 vcvdaa3、運(yùn)放反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其補(bǔ)償、運(yùn)放反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其補(bǔ)償 （1）

20、反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性要求）反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性要求運(yùn)放實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是通過運(yùn)放實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是通過反饋系統(tǒng)構(gòu)成如圖反饋系統(tǒng)構(gòu)成如圖6-25所示的所示的閉環(huán)回路工作，其閉環(huán)增益：閉環(huán)回路工作，其閉環(huán)增益： 圖圖6-25 運(yùn)放閉環(huán)工作回路運(yùn)放閉環(huán)工作回路 )()()(sfsasla(s)運(yùn)放開環(huán)電壓增益運(yùn)放開環(huán)電壓增益f(s)輸出通過反饋回到輸入的傳輸函數(shù)（輸出通過反饋回到輸入的傳輸函數(shù)（transfer function）運(yùn)放的穩(wěn)定性判據(jù)運(yùn)放的穩(wěn)定性判據(jù)通過反饋回到輸入端的信號(hào)應(yīng)滿足一定的幅值和相位條件，通過反饋回到輸入端的信號(hào)應(yīng)滿足一定的幅值和相位條件，使信號(hào)不會(huì)在環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生再生現(xiàn)象，否則，可能使放大

21、器輸出使信號(hào)不會(huì)在環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生再生現(xiàn)象，否則，可能使放大器輸出箝位在某一電源電位上（直流再生），或產(chǎn)生振蕩（在某一交箝位在某一電源電位上（直流再生），或產(chǎn)生振蕩（在某一交流頻率下再生）。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有：流頻率下再生）。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有： 1)()()(000ooojfjajl（6-59） odbdbdbjfjaargjlarg0)()()(000（6-60） 若滿足條件（若滿足條件（6-59）或或（6-60）,則該系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)定的。則該系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)定的。 oojlarg0)(01)(0dbjl而而argl(j 0db)稱為稱為相位裕度相位裕度，即開環(huán)相頻特性曲線上與幅頻，即開環(huán)相頻

22、特性曲線上與幅頻特性曲線的單位增益帶寬頻率處對(duì)應(yīng)的相位值，特性曲線的單位增益帶寬頻率處對(duì)應(yīng)的相位值，一般至少取一般至少取45 ，多數(shù)情況取，多數(shù)情況取60 。波特圖波特圖根據(jù)系統(tǒng)零點(diǎn)和極點(diǎn)的大小來(lái)表示一個(gè)復(fù)變函數(shù)的根據(jù)系統(tǒng)零點(diǎn)和極點(diǎn)的大小來(lái)表示一個(gè)復(fù)變函數(shù)的幅值和相位的漸近特性。幅值和相位的漸近特性。 作圖時(shí)應(yīng)注意如下規(guī)則：作圖時(shí)應(yīng)注意如下規(guī)則：（1）在每個(gè)零點(diǎn)頻率處，幅頻曲線的斜率按）在每個(gè)零點(diǎn)頻率處，幅頻曲線的斜率按+20db /dec 變化；變化；而在極點(diǎn)頻率處，其斜率按而在極點(diǎn)頻率處，其斜率按-20db/dec變化。變化。（2）對(duì)一個(gè)）對(duì)一個(gè) m的極點(diǎn)（零點(diǎn)）頻率，相頻曲線約在的極點(diǎn)（

23、零點(diǎn)）頻率，相頻曲線約在0.1 m的地的地方開始下降（上升），在方開始下降（上升），在 m處經(jīng)歷處經(jīng)歷-45 （ +45 ）的變化，在約）的變化，在約10 m處達(dá)到處達(dá)到- 90 （+ 90 ）的變化。）的變化。（2）運(yùn)放的頻率補(bǔ)償）運(yùn)放的頻率補(bǔ)償 miller電容補(bǔ)償技術(shù)電容補(bǔ)償技術(shù) 圖圖6-26 兩級(jí)運(yùn)放的小信號(hào)等效電路兩級(jí)運(yùn)放的小信號(hào)等效電路 scrsvgsvscrsvgsviiinmiiiiiiimii11)()(11)()(0iicrp11iiiicrp12圖圖6-28 加加miller電容補(bǔ)償后的等效電路電容補(bǔ)償后的等效電路 圖圖6-29 miller化簡(jiǎn)法變換圖化簡(jiǎn)法變換圖 圖圖

24、6-30 化簡(jiǎn)后的等效電路化簡(jiǎn)后的等效電路 iiiiiiiciiiiimiiinmiiciiiirgrgvvscvscvgvgvgvvscvscvg110)(0)(0000（6-61） )()(11)()(0ciiiiciimiiciiimiimiinccrccrsgscrrggsvsv)(2iiiciiiiiiciiimiicccccrrscrrg（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmiicgz 1iicrp11iiiicrp1210gb，若取相位裕度若取相位裕度為為45 ，則，則p21.22gb；若取相位裕度為若取相位裕度為60 ，則，則p22.2gb，由此可求出

25、應(yīng)選取的補(bǔ)償電容由此可求出應(yīng)選取的補(bǔ)償電容cc值值。 圖圖6-31 頻率補(bǔ)償后的極點(diǎn)分裂示意圖頻率補(bǔ)償后的極點(diǎn)分裂示意圖（3）消除零點(diǎn)的）消除零點(diǎn)的miller補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償技術(shù) a. 消除消除cc向前耦合的補(bǔ)償方案向前耦合的補(bǔ)償方案 iiiiiiiiiiimiiinmiiciiiirgrgvscvgvgvgvvscvscvg1100)(000iiiiciiiiimiimiincrccrsrrggsvsv)(1)()(0 ciiiiiiciiimiicccrrscrrg2ciiimiicrrgp11ciiicmiiccccgp2（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmii

26、cgz 1b. 消除消除rhp零點(diǎn)的零點(diǎn)的rc補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償技術(shù) rziiiiiiizcciiiiimiiinmiizcciiiirgrgvvrscscvscvgvgvgvvrscscvscvg110)(10)(10000ciiimiicrrgp11iimiicgp2izcrp13zmiicrgcz111通過調(diào)整通過調(diào)整rz可以控制零點(diǎn)位置，一種消除零點(diǎn)的方案，即：可以控制零點(diǎn)位置，一種消除零點(diǎn)的方案，即：miizgr121pz ciicmiizcccgr1block diagram of the 10bit pipeline adca novel switched capacitor samp

27、le/hold structurecffc structureadvantages: speed-up reduce improve three underdamped step-responses for a second order feedback system simulation result of s/h amplifier with cffc 6.4 cmos集成運(yùn)放電路分析與設(shè)計(jì)集成運(yùn)放電路分析與設(shè)計(jì)6.4.1 二級(jí)二級(jí)cmos運(yùn)放電路分析運(yùn)放電路分析 圖圖6-33 二級(jí)無(wú)緩沖二級(jí)無(wú)緩沖cmos運(yùn)放電路運(yùn)放電路 ccisr54221dsdsmvggga7662dsdsmvgggacmcggb2lmcgp62 cmcgz61 (min)(max)1(max)032135ttddinvvivv )(max)(min)512115飽和dstssinvvivv212)(dsdsiv飽和6.4.2 cmos運(yùn)放設(shè)計(jì)舉例運(yùn)放設(shè)計(jì)舉例 1、已知：、已知：vtn=1 0.2v vtp=-1 0.2v kn=17 a/v2 kp=8 a/v