模擬集成電路中常用的單元電路課件

1、國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-101第八章第八章 模擬集成電路中模擬集成電路中 常用單元電路常用單元電路 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1028-1 恒流源電路恒流源電路 恒流源電路的基本工作原理是基于一定的恒流源電路的基本工作原理是基于一定的參考電流，提供一個與參考電流成一定比例關參考電流，提供一個與參考電流成一定比例關系的恒定電流。系的恒定電流。 恒流源電路是模擬集成電路中非常重要、恒流源電路是模擬集成電路中非常重要、廣泛應用的單元電路之一。由于它能提供恒定廣泛應用的單元電路之一。由于它能提供恒定的

2、工作電流和很高的動態(tài)電阻，的工作電流和很高的動態(tài)電阻，常常用于提供常常用于提供穩(wěn)定的偏置電流和做放大器的負載電阻，穩(wěn)定的偏置電流和做放大器的負載電阻，以便以便獲得穩(wěn)定的電路性能和大的增益。獲得穩(wěn)定的電路性能和大的增益。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-103 思考題思考題1. 恒流源單元電路有哪些種類恒流源單元電路有哪些種類？各自的特？各自的特點有哪些？點有哪些？2. 恒流源作為有源負載有哪些特點？恒流源作為有源負載有哪些特點？3. 設計恒流源時應注意哪些問題？設計恒流源時應注意哪些問題？ 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2

3、021-11-1048.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 1. 基本型電流鏡恒流源基本型電流鏡恒流源設設T1和和T2完全相同完全相同 則：則： Ib1/Ib2 = Ic1 / Ic2 因此：因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 =Io+ 2Ib2 = Io ( +2)/ VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因為：因為： 1所以：所以：Ir IoIr= (V-VBE)/Rr國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1058.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 1. 基本型電流鏡恒流源基本型電流鏡恒流源 該電路具有溫度補償作用：該電路具有溫度補償作用： 溫度溫度 I

4、o Io Ic1 Ir VR (IrRr) Vb IbVRrIrIoT1T2Ib1Ib2國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1068.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 2. 面積比面積比恒流源恒流源設設T1和和T2發(fā)射結面積為發(fā)射結面積為AE1和和AE2 則：則： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2 而：而： Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 則則:Ir =Io ( AE1/AE2+AE1/AE2+1)/ 因為：因為： 1， AE1/AE2值較小值較小所以：所以：Ir IoAE1/AE2即：即： Io / Ir = AE2/AE1

5、VRrIrIoT1T2Ib1Ib2國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1078.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 3. 小電流小電流恒流源恒流源(Widlar電流源電流源)Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2 VBE1 = IE2R2 + VBE2 則：則： IE2R2 = VBE1 VBE2 = VTln(IE1/IE2)因此近似有：因此近似有： Io= (VT /R2 ) ln (Ir/Io) 根據(jù)已知的根據(jù)已知的Ir 和需要的和需要的Io ，就可以求出要設計的就可以求出要設計的R2。其中：其中： VT =KT/q (熱電壓熱電壓) 國際微電子中

6、心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1088.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 4. 多支路多支路恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1設晶體管均相同，則：設晶體管均相同，則： Ir = Ic1+(1+N)Ib = Io + (1+N)Io/ 即：即：Io / Ir = / + (1+N) 可見，支路數(shù)增加，可見，支路數(shù)增加，會使會使Io 與與 Ir的差值增大。的差值增大。 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1098.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 5. 帶有緩沖級的帶有緩沖級的恒流源恒流源VRr

7、IrIoT1T2VT0設晶體管均相同，則：設晶體管均相同，則： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 = Ib1+Ib2 =2Ib2 =2Io/ 可見，可見，Io 與與 Ir的差值明顯減小。的差值明顯減小。 則：則：Ir = Io+2Io / ( +1) = Io 1+ 2/ ( +1)國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10108.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 5. 帶有緩沖級的帶有緩沖級的恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1VT0設晶體管均相同，則：設晶體管均相同，則： Ir = I

8、c1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 =(1+N)Io/ 可見，可見，Io 與與 Ir的的差值明顯減小。差值明顯減小。 則：則：IoIr = 2+ 2+ +N+1國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10118.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 6. 具有補償作用的具有補償作用的恒流源恒流源(Wilson電流源電流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2222III1I21IIII21I )1()21(1)21(II)21(II2IIIIIII22ro3c3c3b2cr3c3c3e2c2c2b2c3e

9、3b2c3b1cr 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10128.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 6. 具有補償作用的具有補償作用的恒流源恒流源(Wilson電流源電流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2IoIr = 2+ 2 2+2 +2 這種電流源不僅使這種電流源不僅使Io 與與 Ir的差的差值非常小，而且還具有負反饋補值非常小，而且還具有負反饋補償特性，更有利于工作點的穩(wěn)定。償特性，更有利于工作點的穩(wěn)定。補償過程補償過程: 當由于某種原因使當由于某種原因使Io增增大，則大，則Ie3 Ic2 Ic1 。而。而Ir

10、= Ic1+Ib3不變，則不變，則Ic1 Ib3 Io 。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10138.1.1 npn恒流源電路恒流源電路 7. 版圖舉例版圖舉例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10148.1.2 pnp恒流源電路恒流源電路 1. 概述概述 在雙極型模擬集成電路中，經(jīng)常是在雙極型模擬集成電路中，經(jīng)常是npn管管和和pnp管互補應用，因此管互補應用，因此pnp恒流源同樣得到恒流源同樣得到廣泛的應用。廣泛的應用。 pnp恒流源電路形式與恒流源電路形

11、式與npn恒流源相同，恒流源相同，只是改變電源的接法和電流方向。只是改變電源的接法和電流方向。 值得注意的是值得注意的是PNP恒流源一般是由橫向恒流源一般是由橫向PNP管組成，而橫向管組成，而橫向PNP管的增益（管的增益（ ）遠遠）遠遠小于小于NPN管的增益（管的增益（ ） ，因此，因此，PNP恒流源恒流源中中Io 與與 Ir的近似程度較大。的近似程度較大。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1015IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.

12、2 pnp恒流源電路恒流源電路 2. 單元電路圖舉例單元電路圖舉例國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10168.1.2 pnp恒流源電路恒流源電路 2. 單元電路圖舉例單元電路圖舉例IrIo1T1T2RrVDD)21(I I2I I2I I2IIo2c2cb2cb1cr 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10178.1.2 pnp恒流源電路恒流源電路 2. 單元電路圖舉例單元電路圖舉例IrIo1T1T2RrT3VDD)221(IIIII)11(III2I2orro1co3e2c2c 國際微電子中心國際微電子中心

13、集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10188.1.2 pnp恒流源電路恒流源電路 3. 單元版圖舉例單元版圖舉例國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10198.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源)V1()VV(LWC21IV21V)VV(LWCIDS2TGSOXnD2DSDSTGSOXnD 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10208.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源DoutD2TGSOXnDSDdsI1rI )VV(

14、LWC21VIg 上述電流源上述電流源/漏需要在兩方面加以改進，一漏需要在兩方面加以改進，一是增加小信號輸出電阻，二是減小是增加小信號輸出電阻，二是減小VMIN的值。的值。 有圖可見，有圖可見，MOS只有工作在飽和區(qū)時才是只有工作在飽和區(qū)時才是一個較好的電流漏。即一個較好的電流漏。即vOUTVGG+VTN。)V1()VV(LWC21IDS2TGSOXnD 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10218.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i

15、 rir )Vgi (v 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10228.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源2s2gsVV 入入接接地地，因因而而求求交交流流輸輸出出阻阻抗抗時時，輸輸rrg rrg)rr ( ivrrrig)rr (i rVg)rr (iv2ds2m2ds2m2dsoutoutout2dsout2m2dsout2ds2S2m2dsoutout 2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i rir )Vgi (v 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電

16、路設計原理2021-11-10238.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 12gs1gsvv , 0v 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10248.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 1. 電流漏和電流源電流漏和電流源2ds1ds2mbs2m2ds1dsoutoutout1dsout2ds1ds2mbsout1ds2moutoutoutrr )gg(rr ivrrir )rgirgii (v 12gs1gs

17、vv , 0v 1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10258.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 2. 基本電流鏡恒流源基本電流鏡恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 只要使只要使MOS管都工作在飽管都工作在飽和區(qū)和區(qū)(忽略溝道長度調(diào)制），忽略溝道長度調(diào)制），由：由： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2 = : :WL)1(WL)2(WL)3(得：得： Ir一定，一定，Io與輸出端電壓無與

18、輸出端電壓無關。如溝道長度取一定值，關。如溝道長度取一定值，則取決于溝道寬度之比。則取決于溝道寬度之比。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10268.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 2. 基本電流鏡恒流源（續(xù)基本電流鏡恒流源（續(xù)1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 若考慮溝道調(diào)制效應，若考慮溝道調(diào)制效應，MOS管工作在飽和區(qū)電流公式為：管工作在飽和區(qū)電流公式為： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+ VDS)其中溝道調(diào)制系數(shù)：其中溝道調(diào)制系數(shù)： =L1 因此，輸出電壓對輸出電因此，輸出電壓對輸出電流產(chǎn)生一

19、定的影響。為減小這流產(chǎn)生一定的影響。為減小這一影響，溝道長度應選大一些。一影響，溝道長度應選大一些。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10278.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 2. 基本電流鏡恒流源（續(xù)基本電流鏡恒流源（續(xù)2） 因此，溝道長度選大一因此，溝道長度選大一些，還有利于提高輸出電些，還有利于提高輸出電阻阻 。另外，小電流工作時。另外，小電流工作時輸出阻抗更高。輸出阻抗更高。M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 電流源輸出電阻電流源輸出電阻(MOS管飽和導通電阻管飽和導通電阻)：rds= = IDS1IDSL

20、國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10288.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 3.級聯(lián)結構的恒流源級聯(lián)結構的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC nCox2IDS1=WL(VGS-VT)2(1+ VDS1)( )1 nCox2IDS2=WL(VGS-VT)2(1+ VDS2)( )2IDS1IDS2=IrI0=WL( )1WL( )2(1+ VDS1)(1+ VDS2)需保證需保證 VGS3= VGS4國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10298.1.3 MOS型型恒流源電路恒流

21、源電路 3.級聯(lián)結構的恒流源級聯(lián)結構的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC 由于由于M4屏蔽了輸屏蔽了輸出電壓的變化對出電壓的變化對M2的的作用，使輸出電流不作用，使輸出電流不受輸出電壓的影響，受輸出電壓的影響，減小了溝道長度調(diào)制減小了溝道長度調(diào)制的影響，同時也大幅的影響，同時也大幅度提高了輸出阻抗。度提高了輸出阻抗。 其缺點是為了使其缺點是為了使晶體管都工作在飽和晶體管都工作在飽和區(qū)，輸出電壓變化范區(qū)，輸出電壓變化范圍減小了。圍減小了。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10308.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 4.

22、Wilson(威爾遜）恒流源威爾遜）恒流源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc 該電流源的輸出阻抗該電流源的輸出阻抗較高較高(與級聯(lián)結構相似與級聯(lián)結構相似)。 該電流源具有負反饋該電流源具有負反饋作用，使作用，使Io 的變化能得到的變化能得到補償，提高了輸出電流的補償，提高了輸出電流的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 增加增加M3的的W/L可以增可以增強對輸出電流變化的調(diào)節(jié)強對輸出電流變化的調(diào)節(jié)能力。能力。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10318.1.3 MOS型型恒流源電路恒流源電路 4. Wilson(威爾遜）恒流源威爾遜）恒流源M1M2IrIoM3

23、 Io Io I2 I1 Vds1 Vgs3Ir恒定恒定國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10328.1.4 恒流源作有源負載恒流源作有源負載 1. 雙極型電路舉例雙極型電路舉例放大放大器件器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大放大器件器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10338.1.4 恒流源作有源負載恒流源作有源負載 2. CMOS電路舉例電路舉例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大放大器件器件放大放大器件器件

24、國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10348-2 單級放大器單級放大器 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1035 8.2.1共發(fā)射極共發(fā)射極 1. 基礎知識回顧基礎知識回顧TBESCVVIIexpkTqIVIVVVIVVIdVddVdIgCTCTBETSTBESBEBECm expexpBCEmmBCBmBEmCggIIrrIgVgI 1 CbCrogmV1EBr+_V1國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1036 8.2.1共發(fā)射極共發(fā)射極 1. 基礎知識回顧基礎知識

25、回顧BCECrogmV1EBr+_V1rexrbCCCCSrrc=5020k 5 300 2.5k 0.4pF5.4fF20M 10fF國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1037 8.2.1共發(fā)射極共發(fā)射極 2. 共發(fā)射極放大器共發(fā)射極放大器TViVccVoIbIcRcCro RcgmV1Br+_V1ioii+_vivo+_miiigrivRocvoorRivRi|00)|()|(1ocmiovocmorRgvvarRvgv國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1038 8.2.1共發(fā)射極共發(fā)射極 3. 射極跟隨器

26、射極跟隨器TViVccVoIiIoRLCro RLgmV1=iiBr+_V1ii+_vivo_+)|(111 |111|111|LoLoioLooiLoooioiRrrRrrrvvRrrvrvRrvrvvrvv 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1039 8.2.1共發(fā)射極共發(fā)射極 3. 射極跟隨器射極跟隨器LmLmLomLomLomLomLomLoioRgRgRrgRrgRrgRrgRrgRrrvv1 )|(1)|()|(111 )|(11)|()1 (11 )|)(1 (11國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11

27、-1040 8.2.2共源級共源級 1. 采用電阻負載的共源級采用電阻負載的共源級M1VccVinVoutRD2)(21THinOXnDCCoutVVLWCRVV 進一步增大進一步增大Vin，Vout下降更多，管子下降更多，管子繼續(xù)工作在飽和區(qū)，直到繼續(xù)工作在飽和區(qū)，直到Vin= Vout+VTH，這時這時211)(21THinOXnDCCTHinVVLWCRVVV 減小。如果減小。如果Vcc不是很小，不是很小， M1飽和飽和導通，可以得到導通，可以得到 如果輸入電壓從零開始增大，如果輸入電壓從零開始增大，M1截止，截止，Vout=VCC，當當Vin接近接近VTH時，時，M1開始導通，電流流經(jīng)

28、開始導通，電流流經(jīng)RD，使，使Vout國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1041 8.2.2共源級共源級 由上式可以計算出由上式可以計算出Vin1，當，當Vin Vin1時，時， M1工作在工作在線性區(qū)：線性區(qū)：M1VccVinVoutRD21)(22outoutTHinOXnDCCoutVVVVLWCRVV 因為在線性區(qū)跨導會下降，通常確保因為在線性區(qū)跨導會下降，通常確保管子工作在管子工作在飽和區(qū)飽和區(qū)，即，即Vout Vin VTH。定。定義小信號增益義小信號增益DmTHinOXnDinoutvRgVVLWCRVVA )(DOXnTHinOXnmI

29、LWC2)VV(LWCg 跨導跨導國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1042Vout 8.2.2共源級共源級 2. 采用二極管聯(lián)接的負載的共源級采用二極管聯(lián)接的負載的共源級21)/()/(LWLWAPnv M1VccVinM2國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1043Vout 8.2.2共源級共源級 2. 采用二極管聯(lián)接的負載的共源級采用二極管聯(lián)接的負載的共源級21)/()/(LWLWAPnv M1VccVinM221212221)()( )()()()( )()(21 )()(21LWLWVVAVVVVVLW

30、LWVVLWCVVLWCIpninoutVToutDDTinpnTGSOXpTinOXnD即方法一方法一國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1044Vout 8.2.2共源級共源級 M1VccVinM2gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vout+_212121212221212121211|1|1 |1 11 1)1 ( )|)(mmoommVoomommomomominoutVomoutoinmoutoooutminmggrrggArrgrggrgrgrgVVArgVrVgVrr

31、VgVg）（于是即分數(shù)部分顯然表示的是方法二方法二國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1045 8.2.2共源級共源級 212122121111)()()( )()()( )()(LWLWggILWCVVLWCgILWCVVLWCgpnmmDOXpTGSOXPmDOXnTGSOXnm國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1046 8.2.2共源級共源級 3.采用電流源負載的共源級采用電流源負載的共源級M1VccVinM2VbVoutgm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_簡化簡化Vout=- gm

32、1Vin(rds1/rds2)211dsdsminoutvgggVVA gm1VinVinVoutrds1rds2+_國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1047 8.2.2共源級共源級 4.推挽結構推挽結構M1VccVinM2Voutgm1VinVinVoutrds1rds2 gm2Vin+_Vout=- (gm1+ gm2)Vin(rds1/rds2) 2121dsdsmmvggggA gm1VinVinVoutrds1rds2+_gm2Vin簡化簡化國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1048 8.2.2共源

33、級共源級 5.源跟隨器源跟隨器 outbsoutgsinoutbsmbgsmVVVVVRVVgVg簡化簡化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_SR|R )(1)1()(ombmminoutvoutmbminmoutoutmboutinmrRggRgVVAVggRVgRVVgVVg國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1049 8.2.2共源級共源級 5.源跟隨器源跟隨器 簡化簡化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_Ggm

34、VgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_ 1SmSminoutvRgRgVVAro Rs ，忽略襯底效應SoR|rR )(1RggRgVVAmbmminoutv國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1050 8.2.2共源級共源級 5.帶源極負反饋的共源極帶源極負反饋的共源極 M1VDDVinVoutRSRDSmDmDmvSmmmSmmDSvTGSOXninDmTSDoDDinOXnTGSOXnDRgRgRGARggGRGgRRAVVLWCVIGVRRVVVLWCVVLWCI11)1 ( )1)()(21 )(2122方法一方法一如果RS1/gm，

35、則 ，也就是 ，這表明Vin的大部分變化落在RS上，漏電流是輸入電壓的線性函數(shù)。這種線性化的獲得是以犧牲增益和高的噪聲為代價的。SmRG/1SinDRVI/國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1051 8.2.2共源級共源級 5.帶源極負反饋的共源極帶源極負反饋的共源極 M1VDDVinVoutRSRDSmDmvinSmDmoSmingsSgsmingsDgsmoRgRgAVRgRgVRgVVRVgVVRVgV111方法二方法二gm1VgsVinVoutroRs+_國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10528-3

36、 基準電壓源電路基準電壓源電路 基準電壓源是利用二極管的正向壓降、齊基準電壓源是利用二極管的正向壓降、齊納二極管的擊穿電壓和熱電壓具有一定的固納二極管的擊穿電壓和熱電壓具有一定的固定值的特性，以及它們具有正的或負的溫度定值的特性，以及它們具有正的或負的溫度系數(shù)可以相互補償?shù)奶攸c來設計的。一般采系數(shù)可以相互補償?shù)奶攸c來設計的。一般采用恒流源作偏置電流進一步穩(wěn)定工作點。用恒流源作偏置電流進一步穩(wěn)定工作點。 基準電壓源電路是模擬集成電路中非常重基準電壓源電路是模擬集成電路中非常重要、廣泛應用的單元電路之一。其作用是提要、廣泛應用的單元電路之一。其作用是提供穩(wěn)定的偏置電壓或作基準電壓。一般要求供穩(wěn)定的

37、偏置電壓或作基準電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定、內(nèi)阻小、這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定、內(nèi)阻小、對電源電壓和溫度不敏感。對電源電壓和溫度不敏感。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1053 思考題思考題1. 基準電壓源的作用是什么基準電壓源的作用是什么？2. 基準電壓源有哪些類型？各自的特點基準電壓源有哪些類型？各自的特點是什么？是什么？國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10548.3.1 正向二極管基準源正向二極管基準源 1. 基本原理及特點基本原理及特點ViVrefN個個RVref = NVF

38、一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE結二極管。結二極管。 溫度系數(shù)（溫度系數(shù)（負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)）和內(nèi)阻）和內(nèi)阻Rr都很大，與串聯(lián)個數(shù)成正比。都很大，與串聯(lián)個數(shù)成正比。 輸入電壓的變化將引起輸出電壓的輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化：變化： Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供電，穩(wěn)定輸出。可采用恒流源供電，穩(wěn)定輸出。 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10558.3.1 正向二極管基準源正向二極管基準源 2. 電路及版圖電路及版圖VrefGNDVDDViVrefViVref國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路

39、設計原理2021-11-10568.3.2 齊納二極管基準源齊納二極管基準源 1. 基本原理及特點基本原理及特點 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE結反結反向二極管。向二極管。 正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)和和內(nèi)阻內(nèi)阻Rr都很大。都很大。 BE結面擊穿有先有后，隨著電流增結面擊穿有先有后，隨著電流增加擊穿電壓也增加。加擊穿電壓也增加。 輸入電壓的變化將引起輸出電輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化壓的變化: Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供電穩(wěn)定輸出?？刹捎煤懔髟垂╇姺€(wěn)定輸出?？刹捎秒[埋齊納二極管?？刹捎秒[埋齊納二極管。Vref = VRViVrefRVR國際微電子中心國際微

40、電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10578.3.2 齊納二極管基準源齊納二極管基準源 2.電路及版圖電路及版圖ViVrefViVrefGNDVrefVDD國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10588.3.3具有溫度補償基準源具有溫度補償基準源 1.基本原理及特點基本原理及特點 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE結結二極管（一正一反）。二極管（一正一反）。 溫度系數(shù)接近于零。內(nèi)阻溫度系數(shù)接近于零。內(nèi)阻Rr較大。較大。 Vref = ViRr /(R+Rr) 輸入電壓的變化將引起輸出電壓輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化。的

41、變化?？刹捎煤懔髟垂╇姺€(wěn)定輸出?？刹捎煤懔髟垂╇姺€(wěn)定輸出。Vref =VF+VRViVrefRVFVR國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10598.3.3具有溫度補償基準源具有溫度補償基準源 2.電路及版圖電路及版圖ViVrefViVrefGNDVrefVDD國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10608.3.4帶隙基準帶隙基準 1.負溫度系數(shù)負溫度系數(shù) 研究表明，雙極晶體管的基極研究表明，雙極晶體管的基極-發(fā)射極電發(fā)射極電壓，或者更一般的說，壓，或者更一般的說，pn結二極管的正向電壓，結二極管的正向電壓，具有負

42、溫度系數(shù)。具有負溫度系數(shù)。 2.正溫度系數(shù)正溫度系數(shù) 如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，則它們的基極密度下，則它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕發(fā)射極電壓的差值與絕國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10618.3.4帶隙基準帶隙基準對溫度成正比。如圖所示，如果兩個相同的晶對溫度成正比。如圖所示，如果兩個相同的晶體管體管(IS1=IS2)偏置在集電極電流分別為偏置在集電極電流分別為nI0和和I0，(忽略基極電流忽略基極電流)則則nI0I0Q1Q2VDD+ -BEV nlnV IIlnVInIlnV VVVT2S

43、0T1S0T2BE1BEBE nqkTVBEln 因為因為所以所以 正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10628.3.4帶隙基準帶隙基準 3.帶系基準帶系基準 如果令如果令 VREF=a1VBE+ a2VBE= a1VBE+ a2(VTlnn) 已知室溫下室溫下KmVTVKmVTVTBE /087. 0/5 . 1 取取a1=1， 令令0 TVREF得得 2 .17ln 5 . 1ln087. 022 nana即即VREF VBE+17.2VT1.25V國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10

44、638.3.4帶隙基準帶隙基準 假設我們用某種方法強制假設我們用某種方法強制VO1= VO2。 那么，那么，VBE1=RI+VBE2 即，即， IR = VBE1 -VBE2 現(xiàn)在來實現(xiàn)這個電壓?，F(xiàn)在來實現(xiàn)這個電壓。IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2 晶體管晶體管Q2是有是有n個并列的單元組成，而個并列的單元組成，而Q1是一個晶體管單元。是一個晶體管單元。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10648.3.4帶隙基準帶隙基準 所以，所以， VO2 = VBE2+VTlnn，這意味著如果這意味著如果lnn17.2， VO2就可以作為與溫度無關就可以作為

45、與溫度無關的基準。的基準。 IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2nIIIIIIIIVVSSSSBEBElnV nlnVlnV lnVlnV IRTTT2T1T21國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10658.3.4帶隙基準帶隙基準 上面的電路有兩個問題：上面的電路有兩個問題： 放大器放大器A1 驅動驅動R1和和R2(R1=R2)上端，使上端，使X和和Y點穩(wěn)定在近似相點穩(wěn)定在近似相等的電壓上。等的電壓上。 下圖可以解決上述問題。下圖可以解決上述問題。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +Vout_A1 2、lnn=17.2，n的值會相當大。的值會相

46、當大。30000000! 1、我們需要保證、我們需要保證VO1= VO2；國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10668.3.4帶隙基準帶隙基準由前面的分析得由前面的分析得 VBE1 -VBE2=VTlnn，于是右邊，于是右邊支路的電流為支路的電流為VTlnn/ /R3，因此輸出電壓為，因此輸出電壓為)1(ln )(ln3222332RRnVVRRRnVVVTBETBEout 為了得到零溫度系數(shù)，為了得到零溫度系數(shù)，必須使必須使(1+ R2/R3)lnn 17.2。如果選擇。如果選擇n=31，則則R2/R3=4。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +

47、Vout_A1國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10678.3.5 MOS型能隙基準源型能隙基準源 面對當今低電壓大規(guī)模集成的需要，面對當今低電壓大規(guī)模集成的需要，低電壓低功耗帶隙基準源是目前研究的低電壓低功耗帶隙基準源是目前研究的一個主要發(fā)展方向。一個主要發(fā)展方向。 目前在目前在N阱阱CMOS工藝下設計工藝下設計CMOS型帶隙基準源多數(shù)都要利用型帶隙基準源多數(shù)都要利用“寄生寄生PNP管管”和和MOS管的次開啟特性。實質上仍管的次開啟特性。實質上仍是利用是利用VBE和和VT的溫度特性。的溫度特性。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計

48、原理2021-11-10688.3.5 MOS型基準源型基準源電路及原理電路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次開啟時：管工作于次開啟時：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL其中其中VGB, VSB, VDB分別分別為柵極、源極和漏極對為柵極、源極和漏極對襯底的電位；襯底的電位；m是和襯是和襯偏調(diào)制系數(shù)有關的系數(shù)；偏調(diào)制系數(shù)有關的系數(shù)；IDO稱為特征電流。稱為特征電流。 設設M1、M2工作于次工作于次開啟，令開啟，令 =W/L，則有：，則有：國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-

49、10698.3.5 MOS型基準源型基準源電路及原理電路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次開啟時：管工作于次開啟時：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL 1 2e(VSB2- VSB1)/ VT= 1 2eVR1/VT = 3 4Io = ( 5 / 4) ( VR1 /R1 )VR1=VTln 3 2 4 1I1I2=VGB2=VGB1, VSB1=0, VGB4=VGB3, VSB4= VSB3= 0, 國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10708.3.5 MOS型基準

50、源型基準源電路及原理電路及原理（續(xù)（續(xù)1）Io = ln 5 VT 4 R1 3 2 4 1Vref = VBE + IoR2 由于由于VT具有正的溫具有正的溫度系數(shù)，度系數(shù)， VBE具有負的溫具有負的溫度系數(shù)。因而，只要適度系數(shù)。因而，只要適當調(diào)整各當調(diào)整各MOS管的管的W/L值及電阻值，即可得到值及電阻值，即可得到零溫度系數(shù)的參考電壓，零溫度系數(shù)的參考電壓，且其值恰為帶隙電壓。且其值恰為帶隙電壓。M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10718-4 差分放大器差分放大器 差分放大器又稱

51、為差動放大器，差分放大器又稱為差動放大器，是模擬集成電路中的最常用的單元是模擬集成電路中的最常用的單元電路之一。電路之一。國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1072 思考題思考題1. 差分放大器的優(yōu)點是什么差分放大器的優(yōu)點是什么？2.改進差分放大器特性的措施有哪些？改進差分放大器特性的措施有哪些？國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-1073差動工作方式的優(yōu)點：差動工作方式的優(yōu)點：1 抑制噪聲；抑制噪聲；2 增大輸出電壓的擺幅。增大輸出電壓的擺幅。VCC-(VGS-VTH)2VCC-(VGS-VTH)M1VccVi

52、nVXRDM1V1VXRDM1VccV2VYRD差模輸入電壓差模輸入電壓Vd=V1-V2共模輸入電壓共模輸入電壓Vc=(V1+V2)/2國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10748.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 1.小信號特性小信號特性VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RERC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB（1）輸入差模信號）輸入差模信號國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10758.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 1.小信號特性小信號特性Ri1d =

53、 rbb+(1+ ) re re Rid 2 re Ro1d = Rc/rce Rc Rod 2RcKv1d = = =- = - o1d id o1d2 i1d Ro1d2Ri1dRc2reKvd = = = - od id2 o1d2 i1dRcre 差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)（1）輸入差模信號）輸入差模信號RC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10768.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 1.小信號特性小信號特性Ri1c=rbb+(1+ )(re+2RE) (1+ )(re+2RE) R

54、ic (1+ )(re+2RE)/2Ro1c=Rc/rce Rc Roc 2Rc o1c o1cKv1c = = - ic i1c Rc(1+ )(re+2RE)Kvc = = 0 oc icVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE（2）輸入共模信號）輸入共模信號 ic+_共模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10778.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 b)零輸入時輸出零輸入時輸出不為零，用失調(diào)表示。不為零，用失調(diào)表示。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE 實際上的差分

55、放實際上的差分放大器不可能完全對稱，大器不可能完全對稱，具體表現(xiàn)為：具體表現(xiàn)為： a)共模輸入電壓共模輸入電壓增益不為零，用共模增益不為零，用共模抑制比表示；抑制比表示；國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10788.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （1）共模抑制比）共模抑制比 差模信號電壓增益與共模差模信號電壓增益與共模信號電壓增益之比定義為共模信號電壓增益之比定義為共模抑制比，記為：抑制比，記為：KCMRR=KvdKvc或：或：KCMRR=20lgKvdKvc(dB)VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2R

56、E國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10798.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （1）共模抑制比（續(xù)）共模抑制比（續(xù)）Kc -2RERc 22RERc Rc + re不對稱時：不對稱時：Kc = Kvc2-Kvc1 因此有：因此有：KCMRR=2REre 22RERc Rc + re-1當電路完全對稱時：當電路完全對稱時：KCMRR VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10808.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不

57、對稱性不對稱性 （2）失調(diào)電壓及其溫漂失調(diào)電壓及其溫漂 當差分放大器的輸入信號為當差分放大器的輸入信號為零時，由于電路的不對稱，輸出零時，由于電路的不對稱，輸出電壓并不為零。要使輸出電壓為電壓并不為零。要使輸出電壓為零，在輸入端所必須加的一個補零，在輸入端所必須加的一個補償電壓（內(nèi)阻償電壓（內(nèi)阻Rs=0）稱為輸入失）稱為輸入失調(diào)電壓，記為調(diào)電壓，記為VOS。也就是為保。也就是為保持輸出電壓為零，持輸出電壓為零，T1、T2管基射管基射極偏置電壓應有的差值。極偏置電壓應有的差值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理202

58、1-11-10818.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （2）失調(diào)電壓及其溫漂失調(diào)電壓及其溫漂（續(xù)）（續(xù)） 若忽略輸入回路中基區(qū)、若忽略輸入回路中基區(qū)、發(fā)射區(qū)的歐姆電阻，發(fā)射區(qū)的歐姆電阻，VOS可表可表示為：示為： VOS = (VBE1-VBE2)|Vod=0VOS VT + + 2 RCRC IESIESVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10828.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （2）失調(diào)電壓及其溫漂失調(diào)電壓及其溫漂（續(xù)）（續(xù)） V

59、OS T 固定的失調(diào)電壓可以設法固定的失調(diào)電壓可以設法用調(diào)零裝置預先調(diào)零。然而，用調(diào)零裝置預先調(diào)零。然而，當溫度變化時，失調(diào)也隨之當溫度變化時，失調(diào)也隨之變化，通常難以追隨。單位變化，通常難以追隨。單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)溫度變化所引起的輸入失調(diào)電壓的變化稱為輸入失調(diào)電電壓的變化稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，記為：壓溫漂，記為：VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10838.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （2）失調(diào)電壓及其溫漂失調(diào)電壓及其溫漂（續(xù)）（續(xù)）襯底溫度均勻時有：

60、襯底溫度均勻時有： VOS TVOST 如果襯底溫度不均勻，如果襯底溫度不均勻，環(huán)境溫度變化時，電路兩邊環(huán)境溫度變化時，電路兩邊的溫度變化也不一致，將引的溫度變化也不一致，將引進附加的溫漂，影響較大。進附加的溫漂，影響較大。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE國際微電子中心國際微電子中心集成電路設計原理集成電路設計原理2021-11-10848.4.1 雙極型差分放大器雙極型差分放大器 2.不對稱性不對稱性 （3）失調(diào)電流及其溫漂失調(diào)電流及其溫漂 當差分放大器的輸入信號為當差分放大器的輸入信號為零時，由于電路的不對稱，輸出零時，由于電路的不對稱，輸出電壓并不為零。要使輸出電壓