第九章-模擬集成電路基本單元

1、2021/8/141第九章第九章 模擬集成電路基本單元模擬集成電路基本單元洪慧洪慧2021/8/142上次課上次課:第八章第八章 數(shù)字集成電路基本單元及版圖數(shù)字集成電路基本單元及版圖1. TTL1. TTL基本電路（反相器、與非門、或非門）基本電路（反相器、與非門、或非門）2. CMOS2. CMOS反相器反相器3. CMOS3. CMOS與非門和或非門與非門和或非門4. CMOS4. CMOS傳輸門和開關(guān)邏輯傳輸門和開關(guān)邏輯5. CMOS5. CMOS三態(tài)門三態(tài)門6. CMOS6. CMOS驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路7. 7. 數(shù)字電路標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)數(shù)字電路標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)8. 8. 焊盤輸入焊盤輸入/

2、 /輸出單元輸出單元9. CMOS9. CMOS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器2021/8/1431. 1. 電流源電路電流源電路2. 2. 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源3. 3. 單端反相放大器單端反相放大器4. 4. 差分放大器電路差分放大器電路5. 5. 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路6. 6. 振蕩器振蕩器7. D/A7. D/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第九章第九章 模擬集成電路基本單元模擬集成電路基本單元2021/8/144引言：模擬與數(shù)字集成電路區(qū)別引言：模擬與數(shù)字集成電路區(qū)別n模擬集成電路模擬集成電路主要用于處理連續(xù)信號(hào)，即模擬信主要用于處理連續(xù)信號(hào)，即模擬信號(hào)。號(hào)。n模擬集成電路模擬集成電路要求電路的

3、每一組成單元必須是精要求電路的每一組成單元必須是精確的，其性能與版圖設(shè)計(jì)的相關(guān)性比數(shù)字集成電確的，其性能與版圖設(shè)計(jì)的相關(guān)性比數(shù)字集成電路要強(qiáng)得多。路要強(qiáng)得多。 n模擬集成電路模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)從平面布局到各器件幾的版圖設(shè)計(jì)從平面布局到各器件幾何圖形的設(shè)計(jì)都要十分何圖形的設(shè)計(jì)都要十分 “ “講究講究”，需要考慮的，需要考慮的問題往往比數(shù)字集成電路要多。問題往往比數(shù)字集成電路要多。n一個(gè)一個(gè)數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路如果在電路級(jí)而不是在邏輯級(jí)如果在電路級(jí)而不是在邏輯級(jí)考慮和優(yōu)化性能，將與考慮和優(yōu)化性能，將與模擬集成電路模擬集成電路有許多共同有許多共同點(diǎn)。對(duì)高速數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)尤其如此。點(diǎn)。對(duì)高速

4、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)尤其如此。 2021/8/1451.1.電流源電路設(shè)計(jì)電流源電路設(shè)計(jì)n雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源n雙極型基本鏡像電流源雙極型基本鏡像電流源n帶緩沖級(jí)的鏡像電流源帶緩沖級(jí)的鏡像電流源n威爾遜威爾遜(Wilson)電流源電流源nMOS電流鏡電流鏡nNMOS基本電流鏡基本電流鏡nNMOS威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡2021/8/146雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（1）雙極型基本鏡像電流源雙極型基本鏡像電流源 1222CCOOROBOIIIIIIII2021/8/147雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（2）帶緩沖級(jí)的鏡像電流源）帶緩沖級(jí)的鏡像電流源 12221(1)CCOOBRO

5、OIIIIIIII 2021/8/148雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（3） 威爾遜威爾遜(Wilson)電流源電流源 22222ROII1(1)2OOceOURrI2021/8/149（1）NMOS基本電流鏡基本電流鏡 NMOS基本電流鏡由兩個(gè)NMOS晶體管組成，如下圖所示。MOS電流鏡電流鏡21()()OrW LIIW L2021/8/1410MOS電流鏡電流鏡 如果有多個(gè)輸出支路，如圖所示，則各支如果有多個(gè)輸出支路，如圖所示，則各支路的電流的比值就等于各路的電流的比值就等于各NMOS晶體管的寬長(zhǎng)比晶體管的寬長(zhǎng)比的比值。的比值。IrIo1Io2Ion (W/L)r(W/L)1(W/L)2

6、(W/L)n 2021/8/1411MOS電流鏡優(yōu)點(diǎn)電流鏡優(yōu)點(diǎn)n它可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和它可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響溫度的影響nIO和和Ir的比值由器件尺寸的比率決定的比值由器件尺寸的比率決定n要保證高輸出阻抗，采用較長(zhǎng)溝道器要保證高輸出阻抗，采用較長(zhǎng)溝道器件，但會(huì)影響寄生電容和電路動(dòng)態(tài)特件，但會(huì)影響寄生電容和電路動(dòng)態(tài)特性性2021/8/1412MOS電流鏡電流鏡（2）NMOS威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡 NMOS基本電流鏡因?yàn)闇系篱L(zhǎng)度調(diào)基本電流鏡因?yàn)闇系篱L(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的作用，交流輸出電阻變小。從電制效應(yīng)的作用，交流輸出電阻變小。從電路理論可知，采用串聯(lián)負(fù)反饋也可以提高路理論可

7、知，采用串聯(lián)負(fù)反饋也可以提高電路的輸出電阻。威爾遜電流鏡正是這樣電路的輸出電阻。威爾遜電流鏡正是這樣的結(jié)構(gòu)。的結(jié)構(gòu)。 2021/8/1413MOS電流鏡電流鏡 與與NMOS基本電流鏡相比，威爾遜電流鏡基本電流鏡相比，威爾遜電流鏡的輸出電阻較大，這意味著其恒特性優(yōu)于基本的輸出電阻較大，這意味著其恒特性優(yōu)于基本電流鏡。提高輸出電阻的基本原理是在電流鏡。提高輸出電阻的基本原理是在M1的源的源極由極由M2而形成的串聯(lián)電流負(fù)反饋。而形成的串聯(lián)電流負(fù)反饋。2021/8/1414 2.2.基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì) 理想的基準(zhǔn)電壓源，要求它不僅有精確穩(wěn)理想的基準(zhǔn)電壓源，要求它不僅有精確穩(wěn)定的電壓輸出值，而

8、且具有低的溫度系數(shù)。定的電壓輸出值，而且具有低的溫度系數(shù)。n溫度系數(shù)：溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度的變化量，可以輸出電參量隨溫度的變化量，可以是正的，也可以是負(fù)的。是正的，也可以是負(fù)的。n正溫度系數(shù)：正溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度上升而增大輸出電參量隨溫度上升而增大n負(fù)溫度系數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度上升而減小。輸出電參量隨溫度上升而減小。 要使溫度系數(shù)小，自然會(huì)想到利用具有正要使溫度系數(shù)小，自然會(huì)想到利用具有正溫度系數(shù)的器件和具有負(fù)溫度系數(shù)的器件適當(dāng)溫度系數(shù)的器件和具有負(fù)溫度系數(shù)的器件適當(dāng)?shù)亟M合，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到低溫度系數(shù)甚至地組合，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到低溫度系數(shù)甚至零溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。

9、零溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。 2021/8/1415雙極型三管能隙基準(zhǔn)源雙極型三管能隙基準(zhǔn)源112222lnln33REFBEBETJJRkTRVVVVRqJRJ2021/8/1416MOS基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源12ln()DSREFBEDSInkTVVqI2021/8/14173.3.單端反相放大器電路設(shè)計(jì)單端反相放大器電路設(shè)計(jì) 反相放大器的基本結(jié)構(gòu)通常是反相放大器的基本結(jié)構(gòu)通常是漏輸出的漏輸出的MOS工作管和負(fù)載的串聯(lián)工作管和負(fù)載的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 根據(jù)負(fù)載的不同，反相放大器根據(jù)負(fù)載的不同，反相放大器的輸出特性有很大區(qū)別。的輸出特性有很大區(qū)別。2021/8/1418先分析先分析MOSFET的模擬模

10、型的模擬模型*MOSFET的高頻模擬模型的高頻模擬模型.*電容已經(jīng)在以前提到電容已經(jīng)在以前提到.*ro 是輸出電阻是輸出電阻.小信號(hào)等效電路2021/8/1419簡(jiǎn)化后的小信號(hào)等效電簡(jiǎn)化后的小信號(hào)等效電路路電流源電流源輸出電阻輸出電阻簡(jiǎn)化后的小信號(hào)等效電路簡(jiǎn)化后的小信號(hào)等效電路2021/8/1420常用常用MOS反相放大器電路結(jié)構(gòu)反相放大器電路結(jié)構(gòu)n純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載NMOS放大器放大器nE/E NMOS放大器放大器nE/D NMOS放大器放大器nPMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器2021/8/1421純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載NMOS放大器放大器VT1VINVDDVOUTRL101101(/)2()(

11、/)VLnoxDSLAg RrCW L IRr 小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路2021/8/1422E/E NMOS放大器放大器1122()()VgW LAgW L 2021/8/1423E/D NMOS放大器放大器112()1()VBBW LAg rW L 2021/8/1424PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器12( )112| |12()|AAV eNoxAADSVVACW LVVI 11()22()()NVfPW LgAgW L 2021/8/1425PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(e)小信號(hào)等效電路圖2021/8/1426PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(e)因?yàn)橐驗(yàn)镸2的的G極電壓不變，極電壓不

12、變，所以所以vgs2=0因?yàn)橐驗(yàn)関out=-(gm1*vin)*ro1/ro2Av = -gm1*(ro1/ro2)2021/8/1427小信號(hào)等效電路PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(f)2021/8/1428因?yàn)橐驗(yàn)閞o2=ro11/gm2因?yàn)橐驗(yàn)镸2的的D和和G連接連接在一起，所以用電阻在一起，所以用電阻1/gm2替代該電流源替代該電流源PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(f)1122NVPW LgAgW L 2021/8/1429主要有：主要有：n提高工作管的跨導(dǎo)提高工作管的跨導(dǎo) 增加寬長(zhǎng)比增加寬長(zhǎng)比n減少襯底偏置效應(yīng)的影響減少襯底偏置效應(yīng)的影響n采用恒流源負(fù)載結(jié)構(gòu)采用恒流源負(fù)載結(jié)構(gòu)提高放大器電

13、壓增益方法提高放大器電壓增益方法2021/8/1430改進(jìn)改進(jìn)CMOS推挽放大器推挽放大器12112| |22()|AAVNoxAADSVVACW LVVI2021/8/14314.4.差分放大器電路設(shè)計(jì)差分放大器電路設(shè)計(jì)n雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路n雙極型基本差分放大電路雙極型基本差分放大電路n射極耦合差分放大電路射極耦合差分放大電路n恒流源差分電路恒流源差分電路nMOS差分放大電路差分放大電路n基本基本MOS差分放大電路差分放大電路nMOS差分放大器的負(fù)載形式差分放大器的負(fù)載形式nPMOS恒流負(fù)載差分放大器電路恒流負(fù)載差分放大器電路2021/8/1432雙極型差分放大電路雙極型差

14、分放大電路 （1）雙極型基本差分放大電路）雙極型基本差分放大電路 2021/8/1433雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路（2）射極耦合差分放大電路（長(zhǎng)尾式差）射極耦合差分放大電路（長(zhǎng)尾式差分放大電路）分放大電路） 2021/8/1434雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路（3）恒流源差分電路）恒流源差分電路 2021/8/1435MOS差分放大電路差分放大電路（1）基本的）基本的MOS差分放大電路差分放大電路 2021/8/1436iD1-iD2Iss-IssvID-vIDvIDo MOS差分放大器差模特性曲線差分放大器差模特性曲線 MOS差分放大電路差分放大電路2021/8/1437MO

15、S差分放大電路差分放大電路（2）MOS差分放大器的負(fù)載形式差分放大器的負(fù)載形式 2021/8/1438MOS差分放大電路差分放大電路PMOS恒流負(fù)載差放恒流負(fù)載差放MOS差分放大器電路差分放大器電路2021/8/1439 5.5.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放）是許多模擬系統(tǒng)和運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放）是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。評(píng)價(jià)其性混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。評(píng)價(jià)其性能參數(shù)主要有：能參數(shù)主要有：n增益增益n小信號(hào)帶寬小信號(hào)帶寬n大信號(hào)帶寬大信號(hào)帶寬n輸出擺幅輸出擺幅n線性線性n噪聲與失調(diào)噪聲與失調(diào)n電源抑制電源抑制2021/8/1440套筒式共

16、源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)放結(jié)構(gòu)20204(|)VmAgrr2021/8/1441套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)共源共柵運(yùn)放共源共柵運(yùn)放24 02 046 06 08(|)VmmmAggr rgr r2021/8/1442套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)輸入與輸出短路的共源共柵結(jié)構(gòu)輸入與輸出短路的共源共柵結(jié)構(gòu)2021/8/1443折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵電路折疊式共源共柵電路 2021/8/1444折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)2021/8/1445共源共柵共源共柵PMOS負(fù)載的折疊共

17、源共柵運(yùn)放負(fù)載的折疊共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 2021/8/1446折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放的半邊電路折疊式共源共柵運(yùn)放的半邊電路2021/8/1447輸出對(duì)地短路的等效電路輸出對(duì)地短路的等效電路折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 2021/8/1448輸出開路的等效電路輸出開路的等效電路折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 2021/8/1449共源共柵運(yùn)放中器件電容對(duì)非主極點(diǎn)影響共源共柵運(yùn)放中器件電容對(duì)非主極點(diǎn)影響折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 2021/8/1450一種折疊共源共柵運(yùn)放的實(shí)現(xiàn)一種折疊共源共柵運(yùn)放的實(shí)現(xiàn) 折疊

18、式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 2021/8/1451兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放 兩級(jí)運(yùn)放就是兩個(gè)簡(jiǎn)單放大器組合形兩級(jí)運(yùn)放就是兩個(gè)簡(jiǎn)單放大器組合形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)放可以提供更好的增成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)放可以提供更好的增益、擺幅等性能指標(biāo)。益、擺幅等性能指標(biāo)。2021/8/1452兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放一種兩級(jí)運(yùn)放的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)一種兩級(jí)運(yùn)放的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn) 2021/8/1453采用共源共柵的兩級(jí)運(yùn)放采用共源共柵的兩級(jí)運(yùn)放 兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放2021/8/1454單端輸出的兩級(jí)運(yùn)放單端輸出的兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放2021/8/14556.6. 振蕩器振蕩器目前振蕩器主要分為兩類：目前振蕩器主要分為兩類：

19、n諧波振蕩器諧波振蕩器n張馳振蕩器張馳振蕩器2021/8/1456 目前諧波振蕩器多采用目前諧波振蕩器多采用LC諧振電路和晶振諧振電路和晶振來決定振蕩頻率。主要有：來決定振蕩頻率。主要有：n哈特來（哈特來（Hartley） LC振蕩器振蕩器n考畢茲（考畢茲（Colpitts） LC振蕩器振蕩器n克萊普（克萊普（Clapp） LC振蕩器振蕩器n差動(dòng)差動(dòng)LC振蕩器振蕩器LC振蕩器振蕩器諧波振蕩器諧波振蕩器2021/8/1457多諧振蕩器多諧振蕩器 張馳振蕩器主要靠張馳振蕩器主要靠對(duì)儲(chǔ)能元件（主要是電對(duì)儲(chǔ)能元件（主要是電容）進(jìn)行充放電工作。容）進(jìn)行充放電工作。一般電路由一個(gè)強(qiáng)烈正一般電路由一個(gè)強(qiáng)烈正

20、反饋的環(huán)路構(gòu)成。反饋的環(huán)路構(gòu)成。 張馳振蕩器噪聲性張馳振蕩器噪聲性能要比能要比LC振蕩器要差，振蕩器要差，但面積小，調(diào)諧范圍寬。但面積小，調(diào)諧范圍寬。張馳振蕩器張馳振蕩器2021/8/1458環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 環(huán)形振蕩器也屬于張馳振蕩器。其最大的環(huán)形振蕩器也屬于張馳振蕩器。其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而得到廣泛運(yùn)用。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而得到廣泛運(yùn)用。 對(duì)于一個(gè)總直流相位偏移對(duì)于一個(gè)總直流相位偏移180度的度的n級(jí)反相級(jí)反相放大器組成的環(huán)形振蕩器，環(huán)路振蕩周期為放大器組成的環(huán)形振蕩器，環(huán)路振蕩周期為2nTd（Td為門延遲）。為門延遲）。2021/8/1459環(huán)形振蕩器的延遲單元環(huán)形振蕩器的延遲單元環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器2021/8/1460RC網(wǎng)絡(luò)型環(huán)形壓控振蕩器原理圖網(wǎng)絡(luò)型環(huán)形