模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)(第二版-(11)課件

1、第十一章模擬集成電路設(shè)計新技術(shù)11.1 模擬集成電路設(shè)計電流模法11.2電流反饋型集成運算放大器11.3開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)11.4開關(guān)電流數(shù)字工藝的模擬集成技術(shù)11.5跨導(dǎo)運算放大器(OTA)及其應(yīng)用11.6在系統(tǒng)可編程模擬器件(ispPAC)原理及其軟件平臺舉例11.1 模擬集成電路設(shè)計電流模法 11.1.1 電流模法的特點及原理 傳統(tǒng)電路都是以電壓作為輸入、輸出和信息傳輸?shù)膮⒘浚覀兎Q之為“電壓?！被颉半妷盒汀彪娐贰Ｓ捎跇O間電容和分布電容的客觀存在，此類電路的工作速度不可能很高，工作電壓及功耗也不可能很低。 所謂“電流?！彪娐肥且噪娏髯鳛檩斎?、輸出以及信息傳輸?shù)闹饕獏?shù)的，電路中除晶體管的結(jié)電壓

2、uBE有微小變化外，無別的電壓參量，因此其工作速度很高(SR2000V/s)，而電源電壓很低(可低至3.3V或1.5V)，而且具有動態(tài)范圍寬、非線性失真小、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾和噪聲能力強等優(yōu)點。電流模技術(shù)與互補雙極工藝(CB工藝)相結(jié)合，已成為當(dāng)今寬帶高速模擬集成電路設(shè)計的支柱技術(shù)。 1.跨導(dǎo)線性原理 雙極型晶體管的電流iC和發(fā)射結(jié)電壓uBE互為因果關(guān)系，即(11.1.1) (11.1.2) 其跨導(dǎo)gm為(11.1.3) 2.跨導(dǎo)線性環(huán)(TL)原理 有n個正向偏置的發(fā)射結(jié)uBE構(gòu)成一個閉合環(huán)路(如圖11.1.1所示，n為偶數(shù))。其中順時針(CW)uBE數(shù)等于逆時針(CCW)uBE數(shù)，即 (1

3、1.1.4) (11.1.5) (11.1.6) 圖11.1.1 簡化的跨導(dǎo)線性環(huán)原理圖 因為反向飽和電流ISj等于發(fā)射區(qū)面積Aj與飽和電流密度JSj的乘積：(11.1.7)(11.1.8) (11.1.99) 得到一個最簡潔的關(guān)系式： 從此，跨導(dǎo)線性環(huán)原理可描述為： 在一個由偶數(shù)個(n)正向偏置結(jié)構(gòu)成的閉合環(huán)路中，若順時針結(jié)數(shù)等于逆時針結(jié)數(shù)，則順時針方向的電流密度之積等于逆時針方向的電流密度之積。 式(11.1.8)可改寫為(11.1.10) (11.1.11) (11.1.12) 11.1.2 跨導(dǎo)線性環(huán)電流模電路舉例 1. 互補跟隨輸出級 互補跟隨輸出級電路如圖11.1.2所示。由圖可見

4、，V1、V2、V3和V4組成一個跨導(dǎo)線性環(huán)。設(shè)各管發(fā)射區(qū)面積相等，即A1=A2=A3=A4,則有可見，靜態(tài)工作電流等于偏置電流IB。 若負載電流iL0,則(11.1.13)(11.1.14) 若負載電流iL=0,則 圖11.1.2 互補跟隨輸出級 如果負載電流|iL|IB時， 則iC1 = 0 (11.1.17a)iC2 = iL (11.1.17b)或相反:可見， 此時V1、 V2管分別工作在乙類狀態(tài)。2.矢量差電路 電路如圖11.1.3所示。這里有兩個跨導(dǎo)線性環(huán)。 環(huán)1：V1、V2、V4、V5，且有 其中面積比系數(shù)為環(huán)2：V2、V3，且有 (11.1.18) (11.1.19) (11.1

5、.20) (11.1.21) (11.1.22a) 得 圖11.1.3矢量差電路而根據(jù)環(huán)1，有 所以，輸出電流與輸入電流的關(guān)系為(11.1.22b) (11.1.23) 實現(xiàn)了矢量差的運算。 3. 吉爾伯特(Gilbert)電流增益單元及多級電流放大器 電路如圖11.1.4所示。其中輸入差模電流為 (11.1.24) X是一個由輸入信號控制的系數(shù)。 該電路存在一個跨導(dǎo)線性環(huán)，由V1、V2、V3、V4組成。現(xiàn)在我們來計算輸出差模電流iod。 設(shè)各管發(fā)射區(qū)面積相同，=1，根據(jù)TL環(huán)原理，有圖11.1.4 吉爾伯特電流增益單元(11.1.25) (11.1.26) (11.1.27) (11.1.2

6、8a) (11.1.28b) (11.1.29a) (11.1.29b) 且得故輸出差模電流iod為那么，電流增益Aid為 (11.1.30) (11.1.31) 一般Aid可作到110左右。 圖11.1.5給出吉爾伯特電流增益單元的級聯(lián)電路。該電路總的電流增益Aid為(11.1.32) 而且，兩級偏置電壓僅差一個UBE。圖11.1.5吉爾伯特電流增益單元級聯(lián)11.2 電流反饋型集成運算放大器 電流反饋型集成運算放大器又稱電流模運算放大器(CurrentModeOperationalAmplifier)。該放大器具有高速、寬帶特性，壓擺率SR10005000V/s，帶寬可達100MHz1GHz

7、;而且，在一定條件下，具有與閉環(huán)增益無關(guān)的近似恒定帶寬。由于其優(yōu)越的寬帶特性，在視頻處理系統(tǒng)、同軸電纜驅(qū)動放大器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 11.2.1 電流模集成運算放大器的基本特性電流模運算放大器的基本框圖如圖11.2.1所示。圖11.2.1 電流模集成運放框圖由圖可見， 同相輸入端經(jīng)一緩沖級到反相輸入端， 其中Ri表示緩沖級輸出電阻。由此得出， 電流模運放與電壓模運放不同， 其同相輸入端是高阻輸入， 而反相輸入端則是低阻輸入。 緩沖級之后接一互阻增益級， 將輸入電流變換為輸出電壓。 圖中RT表示低頻互阻增益(一般可達M數(shù)量級)，CT為等效電容(主要是相位補償電容C1， 15pF左右)。 輸出端

8、又接一個緩沖級， 故最后的輸出電阻很小。 電流模運放可以看成一個流控電壓源，其互阻增益Ar(s)的表達式如下：若用開環(huán)差模電壓增益表示，則(11.2.1) (11.2.2) 11.2.2電流模運放的典型電路電流模運算放大器的典型電路如圖11.2.2所示。圖11.2.2電流模運放的典型電路圖中，V1、V2接成有源負載跟隨器， 所以同相輸入端為高阻。 而反相輸入端接V3、V4的射極， 為低阻。V1V4組成輸入緩沖級。 而且可以看出，V1V4組成了跨導(dǎo)線性環(huán)。 CM1和CM2表示兩個電流鏡， 它們將iC3、iC4映射到i1和i2， 并在Z點相加。 V5、V6組成輸出緩沖級。V7、V8組成互補跟隨輸出

9、級， 以保證輸出電阻很小， 增強帶負載能力。11.2.3電流模運放的閉環(huán)特性電流模運放的閉環(huán)低頻增益同電壓模運放。 如圖11.2.3所示， 同相輸入時的閉環(huán)電壓增益等于(11.2.3)(11.2.4)經(jīng)推導(dǎo)，該電路的高頻響應(yīng)為 圖11.2.3電流模運放的閉環(huán)特性 通常RT約為幾M，Ri約為1060，所以可以滿足RT Rf, RT Ri，故式(11.2.4)可近似為當(dāng)(Auf0Ri)Rf時,則閉環(huán)帶寬 (11.2.5) (11.2.6) (11.2.7) 該式表明， 當(dāng)?shù)皖l增益Auf0不太大時， 電流模運放的閉環(huán)帶寬與閉環(huán)增益無關(guān)， 而取決于反饋電阻Rf與補償電容CT的乘積。 這是與電壓模運放截

10、然不同的特性。 電壓模運放增加帶寬必然犧牲增益， 增益帶寬積為常數(shù)； 而電流模運放的增益帶寬積隨著增益增大而有所提高， 其條件是(Auf0Ri)f信號頻率。圖11.3.5(a)是一個多功能的二階RC狀態(tài)變量濾波器，A1構(gòu)成有耗積分器，A2組成理想積分器， 第三級(A3)組成反相比例放大器(Auf3=1)。 用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的相應(yīng)電路如圖11.3.5(b)所示， 利用第一級組成差分有耗積分器，可以省去A3的反相器。圖11.3.5 開關(guān)電容濾波器(a) RC狀態(tài)變量濾波器； (b) 相應(yīng)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)11.4開關(guān)電流數(shù)字工藝的模擬集成技術(shù)開關(guān)電流(Switched Currents)是一種新

11、的模擬采樣數(shù)據(jù)處理技術(shù)， 也是“電流域”信號處理技術(shù)的一個重要內(nèi)容。在開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中電容參與運算， 而且要求有線性浮地電容， 這是非標準工藝，占用硅片面積大， 與數(shù)字工藝不兼容，用VLSI實現(xiàn)困難。 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的工作速度受MOS運放和電容電荷轉(zhuǎn)移的限制， 一般工作頻率僅限于幾十kHz音頻范圍。比起開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)， 開關(guān)電流技術(shù)具有許多潛在優(yōu)點， 它不需要專門作電容、 無浮地電容， 完全用標準的數(shù)字CMOS工藝實現(xiàn)， 工藝簡單、 工作速度快、 動態(tài)范圍大。 下面簡要介紹開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)的原理及電路。11.4.1開關(guān)電流鏡(Switched Current Mirror)1. 不帶開關(guān)的電流鏡如圖11

12、.4.1所示， 這是一個不帶開關(guān)的MOS電流鏡。 其中A1、 、 Am為各管相對V0管的寬長比， 相當(dāng)于電流加權(quán)系數(shù)。 該電路為高阻輸出， 可實現(xiàn)加、 減、 反相、 比例(定標)、 放大、衰減、存儲等功能。圖11.4.1不帶開關(guān)的電流鏡我們知道， 在MOS管結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下， 場效應(yīng)管的電流與寬長比W/L成正比， 即式中：(11.4.1)(11.4.2)(11.4.3)故(11.4.4)2. 開關(guān)電流鏡開關(guān)電流鏡， 又稱動態(tài)電流鏡， 如圖11.4.2所示。 其中， f2為兩相時鐘驅(qū)動。圖11.4.2開關(guān)電流鏡 此時Cgs0被充電，其電壓為維持iD0所需的Ugs0。而當(dāng) 時，2為高，1為低，

13、Ugs1=Ugs0, iD1=AiD0。實際上這種狀態(tài)會繼續(xù)維持到下一個周期，所以 當(dāng)1為高，t=(n1)Tc時： (11.4.5) (11.4.6) (11.4.7)(11.4.8) 而故 這就是說，在帶開關(guān)的電流鏡中，下一個時刻的輸出電流等于前一個時刻的輸入電流乘以加權(quán)系數(shù)A。所以，人們又稱開關(guān)電流鏡為“電流復(fù)制器”或“電流存貯器”或“電流延遲單元”。實際上，輸入電流的1開關(guān)往往不加，輸出電流表達式也是相同的。11.4.2開關(guān)電流積分器舉例第一代同相開關(guān)電流積分器如圖11.4.3所示。 由圖可見，V1、V2構(gòu)成開關(guān)電流鏡，V2、V3構(gòu)成另一個開關(guān)電流鏡，V3、V4、V5構(gòu)成不帶開關(guān)的電流鏡

14、， if為反饋電流。圖11.4.3同相型開關(guān)電流積分器首先， 找出反饋電流if與輸出電流的關(guān)系式。 由于所以(11.4.9)(11.4.10)(11.4.11)(11.4.12)2為高時:(11.4.13)(11.4.14)1為高時:(11.4.16)(11.4.15)這是一個差分方程， 其相應(yīng)的Z變換方程為(11.4.17) (11.4.18) (11.4.19) 當(dāng)B=1時: 代入上式，經(jīng)過化簡，得(11.4.20) 當(dāng)工作頻率1/Tc時， 即工作頻率遠低于時鐘頻率時， 式中第二項趨于1， 第三項相位移趨向零。 可見， 傳輸函數(shù)H(j)近似為典型的無耗(理想)積分器， 即(11.4.21)

15、 若B1，則該電路將成為有耗積分器。 同樣，我們將電路稍加改變，就可得到反相積分器或前饋積分器等。 11.5跨導(dǎo)運算放大器(OTA)及其應(yīng)用前面介紹的是電壓模運算放大器(VOA)和電流模運算放大器(IOA)， 本節(jié)簡單介紹跨導(dǎo)運算放大器(Operational Transconductance Amplifier， OTA)。該類電路是一種輸入電壓控制輸出電流的增益器件， 即用互導(dǎo)增益gm來表征其放大能力。 OTA通常的符號如圖11.5.1所示， 其輸出電流與輸入差模電壓的關(guān)系式為io=gm(U+U)=gmUid (11.5.1)相當(dāng)于一個壓控電流源。圖11.5.1互導(dǎo)增益單元(OTA)的符號

16、11.5.1典型的單片集成OTA電路1. 雙極型OTA電路LM3080LM3080跨導(dǎo)運算放大器電路如圖11.5.2所示， 它由一對差分對管(V1、V2)和四個恒流源(CM1、CM2、CM3、CM4)組成。 其中，CM1CM3為威爾遜恒流源， 作電流映射之用；而CM4為鏡像恒流源， 提供差分對管的射極偏流， 該電流受外界的控制偏流IB控制。圖11.5.2LM3080電路圖 由圖11.5.2可知，輸出電流io等于差分對管V2、V1集電極電流之差，并受輸入差模電壓Uid控制，即(11.5.2a) (11.5.2b) 可見，跨導(dǎo)與偏置電流IB成正比?？刂艻的大小，就可以控制跨導(dǎo)的大小，從而控制增益的

17、大小。由LM3080組成的典型OTA電壓放大器如圖11.5.3所示，其電壓增益為 圖11.5.3OTA電壓放大器(11.5.3 (11.5.4) 其中： R為外加的偏置電阻，RL為負載電阻。 2. CMOSOTA電路 CMOSOTA的典型電路如圖11.5.4所示，其中K為電流比例系數(shù)(即寬長比的比例)。該電路也是由一對差分對管(V1、V2)以及三個電流鏡組成。由圖可見，該電路的輸出電流io為 (11.5.5) (11.5.6) (11.5.7) (11.5.8) 上限頻率壓擺率 輸出電阻式中：CN為輸出節(jié)點等效電容；CL為負載電容； gm1為V1(或V2)管的跨導(dǎo)。圖11.5.4對稱CMOS

18、OTA電路11.5.2OTA組成的連續(xù)時間濾波器到目前為止， 我們已經(jīng)討論過RC有源濾波器。 這種濾波器高頻性能差(一般只能做到100kHz左右)， 且不能全集成化。開關(guān)電容濾波器和開關(guān)電流濾波器是一種采樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，存在許多開關(guān)，故尖峰干擾較大。 而用OTA構(gòu)成的濾波器是連續(xù)時間系統(tǒng)，其高頻性能好， 可實現(xiàn)片內(nèi)電子調(diào)諧，低電壓工作，與數(shù)字工藝兼容， 故得到廣泛應(yīng)用?？鐚?dǎo)運放電路的工作頻率范圍：CMOS為50MHz；極型為500 MHz; GaAs為1 GHz左右。下面簡單介紹跨導(dǎo)電容濾波器。 1.基本跨導(dǎo)標準部件 1）電壓放大器 電路如圖11.5.5所示。圖中OTA2的輸出全部反饋到輸入，

19、構(gòu)成一個等效電阻R，其值為(11.5.9) (11.5.10) 且有圖11.5.5 標準單元之一電壓放大器 2) 相加、相減電路 電路如圖11.5.6所示。由圖可得若gm1=gm2=gm，則若將ui2從OTA2的反相端輸入，則可實現(xiàn)相減，即(11.5.11a) (11.5.11b) (11.5.11c) 圖11.5.6 OTA相加或相減電路3)OTA積分器OTA積分器電路如圖11.5.7所示。 圖中C為積分電容，OTA2的等效輸入阻抗R作為積分電阻。 由圖可得 (11.5.12) 從式(11.5.12)可見， 該電路構(gòu)成有耗積分器或一階低通濾波器； 若不接OTA2電路， 則變成無耗(理想)積分

20、器。圖11.5.7OTA積分器2. OTA電路應(yīng)用舉例OTA二階帶通濾波器由三個OTA構(gòu)成的二階帶通濾波器如圖11.5.8所示。 其中OTA1和OTA2以及電容C構(gòu)成一個等效的電感， 而OTA3等效為一個電流源和一個電阻。圖11.5.8OTA二階帶通濾波器設(shè)點電壓為uo，OTA2的輸出電流為I2,則(11.5.13) (11.5.14)點向左看的等效阻抗 (11.5.15) (11.5.16) 可見，等效電感又 可見，OTA3可等效為一個電流源I和一個電導(dǎo)G，即(11.5.17) (11.5.18) 那么該電路可等效為圖11.5.9的無源網(wǎng)絡(luò)。圖11.5.9三個OTA構(gòu)成的帶通濾波器等效電路圖

21、11.5.9所示電路相當(dāng)于一個二階帶通濾波器。 令C=C， 則其傳遞函數(shù)(11.5.19) 可見，該帶通濾波器的中心頻率f0、3dB帶寬BW、Q值及中心頻率增益H(f0)分別為 (11.5.20) (11.5.22) (11.5.21) (11.5.23) 11.6在系統(tǒng)可編程模擬器件(ispPAC)原理及其軟件平臺 11.6.1 在系統(tǒng)可編程模擬電路的結(jié)構(gòu)及原理 Lattice公司發(fā)布的模擬可編程器件有三種：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80。下面分別介紹ispPAC10和ispPAC20。 1. ispPAC10的結(jié)構(gòu)和原理 ispPAC10的結(jié)構(gòu)如圖11.6.1(a)所

22、示。其中包括四個獨立的PAC塊、配置存貯器、模擬布線池、參考電壓和自校正單元以及isp接口等。器件用+5V電源供電。ispPAC10為28腳雙聯(lián)直插封裝，管腳排列如圖11.6.1(b)所示。 圖11.6.1ispPAC10內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及管腳封裝圖(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖； (b) 管腳封裝圖 四個基本單元電路稱之為 PAC 塊，其簡化電路如圖 11.6.2 所示。每一個 PAC 塊由兩個差分輸入的儀用放大器和一個雙端輸出的輸出放大器組成。輸入阻抗高達 109，共模抑制比為 69 dB，增益調(diào)節(jié)范圍為10+10。輸出放大器的反饋電容Cf有128種值(1pF62pF)，反饋電阻Rf可接入或斷開。各放大塊或

23、放大塊之間可通過模擬布線池實現(xiàn)可編程和級聯(lián)，以構(gòu)成110000倍的放大器或復(fù)雜的濾波器電路。 圖11.6.2ispPAC10內(nèi)部的四個基本放大單元(PAC塊)的簡化電路2. ispPAC10基本放大單元(PAC塊)的工作原理ispPAC10的PAC塊由兩個差分輸入的儀用放大器和一個輸出相加放大器組成， 如圖11.6.3所示。 該PAC輸出級兼有濾波/相加功能，所以稱之為Fi/Sum(Filtering/Summation)PAC塊。圖11.6.3Fi/Sum(濾波/相加)PAC塊兩個儀用放大器（IA1、IA2）是具有差分輸入/輸出(I/O)的跨導(dǎo)運算放大器(OTA)電路， 將輸入差模電壓轉(zhuǎn)換為

24、輸出差分電流， 其跨導(dǎo)gm在2A/V和20 A/V范圍內(nèi)分10級可編程， 且極性也是可程控的。 ispPAC10 PAC塊的輸出級是一個雙端輸入雙端輸出的運算放大器， 其中反饋支路中的電容Cf是一個具有128種數(shù)值的可編程陣列。 而反饋電阻Rf則由另一個OTA(IAF)電路構(gòu)成。 11.6.2PACDesigner軟件及開發(fā)實例PAC-Designer軟件支持可編程模擬器件的設(shè)計與開發(fā)。 下面， 我們以設(shè)計一個二階狀態(tài)變量濾波器為例， 來簡單介紹PAC-Designer軟件的應(yīng)用過程。1. 用兩個PAC塊構(gòu)成雙二階濾波器電路如圖11.6.4所示。 該電路從Uo1輸出和Uo2輸出分別構(gòu)成二階帶通濾波器和二階低通濾波器， 用兩個PAC塊構(gòu)成， 第一個PAC塊接成有耗積分器， 第二個PAC塊接成無耗積分器。 Uo1輸出接到第二個PAC塊輸入， Uo1輸出反饋到第一個PAC塊的輸入端(IA2)，完成相加功能。圖11.6.4用PAC塊構(gòu)成的雙二階濾波器2. 設(shè)計步驟1) 選擇器件在PAC-Designer軟件主窗口中按File New菜單，將彈出如圖11.6.5所示的對話框。圖11.6.5產(chǎn)生新文件的對話框首先選擇器件。 如選中ispPAC10， 則進入圖11.6.6所示的圖形設(shè)計輸入環(huán)境， 清晰地展示出ispPAC10的內(nèi)部