第5章、集成電路基本單元(2)

1、集成電路設計集成電路設計第五章第五章 集成電路基本單元集成電路基本單元123CMOS數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路雙極型數(shù)字集成電路雙極型數(shù)字集成電路4焊盤輸入輸出單元焊盤輸入輸出單元(I/O PAD)模擬集成電路模擬集成電路電流鏡電流鏡基準源基準源單級放大器單級放大器CMOS差動放大器差動放大器運算放大器運算放大器數(shù)模數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器恒流源電路的基本工作原理是基于一定的參考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系的電流，提供一個與參考電流成一定比例關系的恒定電流。恒定電流。恒流源電路是模擬集成電路中非常重要、廣泛恒流源電路是模

2、擬集成電路中非常重要、廣泛應用的單元電路之一。由于它能提供恒定的工應用的單元電路之一。由于它能提供恒定的工作電流和很高的動態(tài)電阻，常常用于提供穩(wěn)定作電流和很高的動態(tài)電阻，常常用于提供穩(wěn)定的偏置電流和放大器的負載電阻，以便獲得穩(wěn)的偏置電流和放大器的負載電阻，以便獲得穩(wěn)定的電路性能和大的增益。定的電路性能和大的增益。電流鏡電流鏡電流鏡形式電流鏡形式基本基本MOS電流鏡電流鏡共源共柵電流鏡共源共柵電流鏡雙極型電流鏡雙極型電流鏡電流鏡作負載的差動對電流鏡作負載的差動對1、基本電流鏡、基本電流鏡 電流源的設計是基于對基準電流的電流源的設計是基于對基準電流的“復制復制”； 兩個都工作在兩個都工作在飽和區(qū)飽

3、和區(qū)且具有且具有相等柵源電壓相等柵源電壓的的相同晶體相同晶體管管傳輸傳輸相同的電流相同的電流（忽略溝道長度調(diào)制效應）。（忽略溝道長度調(diào)制效應）。按按比例復制電流比例復制電流得到得到忽略溝道長度調(diào)制效應！忽略溝道長度調(diào)制效應！兩個都工作在飽和區(qū)且具有相等柵源電壓的晶體管傳兩個都工作在飽和區(qū)且具有相等柵源電壓的晶體管傳輸電流比依賴于器件的尺寸。該電路可以精確地復制電輸電流比依賴于器件的尺寸。該電路可以精確地復制電流而不受工藝和溫度的影響。流而不受工藝和溫度的影響。實際設計中，所有晶體管實際設計中，所有晶體管采用相同的采用相同的柵長柵長，以減小由于源漏區(qū)邊緣擴散所，以減小由于源漏區(qū)邊緣擴散所產(chǎn)生的誤

4、差。產(chǎn)生的誤差。電流鏡設計特點電流鏡設計特點采用叉指結(jié)構(gòu)采用叉指結(jié)構(gòu) 如圖，每個叉指的如圖，每個叉指的W為為50.1m ，則，則M1和和M2的實際的的實際的W為：為： W150.1m, W24(50.1)m 則則IOUT/IREF= 4(50.1)/ (50.1)=44IREFIOUT版圖設版圖設計計電流鏡設計特點電流鏡設計特點 溝道長度調(diào)制效應使得電流鏡像產(chǎn)生極大誤差，溝道長度調(diào)制效應使得電流鏡像產(chǎn)生極大誤差，因此因此2、共源共柵電流鏡、共源共柵電流鏡設設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+ 2Ib

5、2 = Io ( +2)/ VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因為：因為： 1所以：所以：Ir Io雙極型電流鏡雙極型電流鏡NPN基本型電流鏡恒流源基本型電流鏡恒流源差分放大器差分放大器差分放大器又稱為差動放大器，是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電模擬集成電路中的最常用的單元電路之一。路之一。優(yōu)點：優(yōu)點：抑制共模噪聲抑制共模噪聲增大了可得到的最大電壓擺幅增大了可得到的最大電壓擺幅偏置電路相對簡單偏置電路相對簡單線性度相對高線性度相對高差分放大器差分放大器差動的工作方式差動的工作方式基本差動對基本差動對共模響應共模響應MOS為負載的差動對為負載的差動對1.差動的工作方

6、式差動的工作方式差動信號定義為兩個節(jié)點電位之差，且這兩個差動信號定義為兩個節(jié)點電位之差，且這兩個節(jié)點的電位相對于某一固定電位大小相等，極節(jié)點的電位相對于某一固定電位大小相等，極性相反，節(jié)點的阻抗也必須相等。性相反，節(jié)點的阻抗也必須相等。)2()(2121vvAvvAVVCVDoutAVD：差模增益：差模增益 AVC：共模增益：共模增益AVD/AVC：共模抑制比：共模抑制比CMRR PSRR：電源抑制比：電源抑制比差動的性能參數(shù)差動的性能參數(shù)AVD：差模增益：差模增益AVC：共模增益：共模增益AVD/AVC：共模抑制比：共模抑制比CMRR PSRR：電源抑制比：電源抑制比ICMR：輸入共模范圍：

7、輸入共模范圍VOS(out)/AVC：輸入失調(diào)電壓：輸入失調(diào)電壓2.基本差動對基本差動對電阻負載電阻負載電流鏡負載電流鏡負載電流源負載電流源負載二極管連接的二極管連接的MOS管負載管負載（忽略體效應）（忽略體效應）半邊等效半邊等效共源共柵級差動對共源共柵級差動對差動對差模特性差動對差模特性 假定假定Vin1-Vin2 從從- 變化到變化到+ Vin1比比Vin2更負，更負，M1截止，截止，M2導導通，通，ID2=ISS，因此，因此Vout1=VDD, Vout2=VDD-RDISS Vin1逐漸增大，逐漸增大，M1開始導通，開始導通，Vout1減小，由于減小，由于ID1+ID2=ISS，M2流

8、經(jīng)的電流減小，流經(jīng)的電流減小，Vout2增大增大；當；當Vin1=Vin2 時，時，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。 當當Vin1比比Vin2更正時，差動對兩更正時，差動對兩側(cè)情況正好與上述情況相反側(cè)情況正好與上述情況相反 采用采用NMOS提供尾電流提供尾電流ISS，Vin,CM從從0開始增加。當開始增加。當Vin,CM0時，時，ID1=ID2=ID3=0 Vin,CM增加，增加，M3導通，處于三極管區(qū)導通，處于三極管區(qū)；當；當Vin,CM足夠大時，足夠大時，M3進入飽和區(qū)進入飽和區(qū)，因此電路正常工作狀態(tài)應滿足，因此電路正常工作狀態(tài)應滿足Vin,CM VGS1+(VGS3-VT

9、H3) Vin,CM進一步增加，進一步增加，Vin,CMVout1+VTH，M1和和M2進入三極管區(qū)；進入三極管區(qū)；因此，因此， Vin,CM允許的范圍允許的范圍差動對共模特性差動對共模特性如果如果RD1=RD2=RD，則，則 Vout1-Vout2=RD(ID2-ID1)， 可以用可以用Vin1和和Vin2計算出計算出ID2和和ID1大信號分析大信號分析（假設電路是對稱的，且（假設電路是對稱的，且M1和和M2均處于飽和區(qū)均處于飽和區(qū)，且，且忽略二級效應）忽略二級效應）討論：討論：當當Vin= Vin1- Vin2=0， ID= ID1- ID2=0; 當當|Vin |從從0開始增大，開始增大

10、， |ID |也也增大；等價增大；等價Gm為為當當Vin= 0時，時，Gm最大，最大，因此，因此，當當Vin超過某一限定值（超過某一限定值（Vin1）時）時 ，所有，所有ISS電流流經(jīng)一個晶電流流經(jīng)一個晶體管，而另一個晶體管截止（忽略亞閾值導通），體管，而另一個晶體管截止（忽略亞閾值導通）， Vin1 實際上實際上也是電路可以也是電路可以“處理處理”的最大差模輸入。的最大差模輸入。Rs1/gm2忽略二級效應忽略二級效應小信號分析小信號分析 方法一（疊加法）方法一（疊加法） 令令Vin2=0, 求求Vin1對對X結(jié)點的影響：結(jié)點的影響： 電路等效為電路等效為M1管構(gòu)成的帶有負反管構(gòu)成的帶有負反饋

11、電阻的共源級饋電阻的共源級 令令Vin2 =0, 求求Vin1對對Y結(jié)點的影響：結(jié)點的影響： 先利用戴維南定理處理先利用戴維南定理處理M1管和管和Vin1，VT= Vin1,RT=1/gm1；則電；則電路等效為共柵級形式路等效為共柵級形式忽略二級效應忽略二級效應小信號分析（續(xù)）小信號分析（續(xù)）只施加只施加Vin1時總的電壓增益為時總的電壓增益為整理，整理，同理，可以得到只施加同理，可以得到只施加Vin2時總的電壓增益為時總的電壓增益為應用疊加法，得到應用疊加法，得到輔助定理說明了輔助定理說明了P P點可以認點可以認為是為是“交流地交流地”，即，即“虛虛地地”。方法二（半邊電路）方法二（半邊電路

12、） 輔助定理：考慮圖中所示的輔助定理：考慮圖中所示的對稱電路對稱電路，其中，其中D1和和D2代表任何三端有源器件。代表任何三端有源器件。假設假設Vin1從從V0變變化到化到V0+ Vin， Vin2從從V0變化到變化到V0-Vin，那么，那么，如果電路仍，如果電路仍保持線性保持線性，則，則Vp值保持不變。假值保持不變。假定定0。利用利用P點虛地（交流地）的特點，電路可等點虛地（交流地）的特點，電路可等效為兩個獨立的部分，即效為兩個獨立的部分，即“半邊電路半邊電路”概念。概念。如果兩個差動對的輸入信號不是全差動的，可如果兩個差動對的輸入信號不是全差動的，可以將此任意信號表示為差模分量和共模分量。

13、以將此任意信號表示為差模分量和共模分量。差模增益：差模增益：若若ISS是是理想電流源理想電流源，共模增益為，共模增益為0；3.共模響應共模響應 差動電路對共模擾動影響具有抑制作用，理想差動電差動電路對共模擾動影響具有抑制作用，理想差動電路的共模增益為路的共模增益為0；共模抑制為無窮大；共模抑制為無窮大 實際上，電路既不可能完全對稱，電流源的輸出電阻實際上，電路既不可能完全對稱，電流源的輸出電阻也不可能為無窮大，結(jié)果，共模輸入的變化會或多或也不可能為無窮大，結(jié)果，共模輸入的變化會或多或少傳遞到輸出上。少傳遞到輸出上。 差動對的共模響應取決于尾電流源的輸出電阻和電路差動對的共模響應取決于尾電流源的

14、輸出電阻和電路的不對稱性，表現(xiàn)在兩方面的影響：的不對稱性，表現(xiàn)在兩方面的影響：對稱電路的輸出共模電平變化；對稱電路的輸出共模電平變化；輸入共模電壓變化在輸出端產(chǎn)生差模分量。輸入共模電壓變化在輸出端產(chǎn)生差模分量。 共模抑制比共模抑制比 電流源具有有限電阻的差動對的共模增益：電流源具有有限電阻的差動對的共模增益： 電路等效為帶源級負反饋的共源級電路電路等效為帶源級負反饋的共源級電路忽略二級效應，此時，共模增益為：忽略二級效應，此時，共模增益為： 電路不對稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時，輸入電路不對稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時，輸入共模電壓變化對電路的影響：共模電壓變化對電路的影響：電路不對稱

15、情況電路不對稱情況1：RD1=RD，RD2=RD+RD，當輸入端共模發(fā)生變化，當輸入端共模發(fā)生變化，VX、VY的變化不相的變化不相等，輸出端產(chǎn)生了一個等，輸出端產(chǎn)生了一個差動差動成分。成分。電路不對稱情況電路不對稱情況2：M1和和M2不匹配，導致流不匹配，導致流經(jīng)兩個晶體管的電流稍微不同，因而跨導不經(jīng)兩個晶體管的電流稍微不同，因而跨導不同，產(chǎn)生增益不同，大大降低共模抑制特性同，產(chǎn)生增益不同，大大降低共模抑制特性 影響差分放大器性能的關鍵因素就影響差分放大器性能的關鍵因素就是不對稱性，包括電阻、晶體管等器件是不對稱性，包括電阻、晶體管等器件參數(shù)的差異，由此引起放大器的輸入失參數(shù)的差異，由此引起放大器的輸入失調(diào)及其溫漂。而集成電路的最大優(yōu)點就調(diào)及其溫漂。而集成電路的最大優(yōu)點就是相關器件的匹配性能好，原因是所有是相關器件的匹配性能好，原因是所有器件都在