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文檔簡介

第4章

模擬集成基本單元電路4.2集成電路(IC)中的電流源4.3帶恒流源負載的放大電路4.4差動放大器析4.5功率輸出級電路器4.1半導體集成電路概述4.6BiCMOS電路4.1半導體集成電路概述返回

第一塊集成電路出現(xiàn)于1958年。在使用電子電路的絕大多數(shù)場合,IC已經(jīng)基本上取代了分立元件電路。集成電路按處理信號的類型可分為數(shù)字IC和模擬IC。

模擬集成電路因其制造工藝的特殊性,使它在電路設(shè)計、元件選取等方面與分立元件電路有所不同。歸納起來,模擬IC工藝大致有以下特點:1.晶體管(BJT)按標準工藝制作,成本低且占用硅片面積小。二極管一般都用BJT的一個PN結(jié)擔任,不再用專門工藝生產(chǎn)。2.生產(chǎn)電阻的工藝不比生產(chǎn)晶體管的工藝簡單,而且電阻值越大,占用硅片面積越大。3.制造數(shù)十皮法以上的電容將占用很大的硅片面積,電路中使用電容非常不合算。4.無法集成電感元件。5.集成電路易于生產(chǎn)配對的元件(相對誤差1%以下),但元件的絕對誤差較大(絕對誤差20%)。4.2恒流源和穩(wěn)定偏置電路4.2.1BIT參數(shù)的溫度特性4.2.2BJT恒流源返回4.2.3MOS恒流源BUBEIB·QiBAQ/·4.2.lBIT參數(shù)的溫度特性休息2休息1返回i

CQICUCEGF·i

CICGF·Q/休息2休息14.2.l

BJT參數(shù)的溫度特性返回i

CQICUCEGF·i

CICGF·Q/Δi4.2.2BJT恒流源休息2休息1返回(1)BJT的基本恒流原理

恒流源的端口電壓U可以在很大范圍內(nèi)變化,但端口電流I卻改變很小,其原因是端口的動態(tài)電阻—恒流源內(nèi)阻ro很大,當ro=∞時,就是理想恒流源。ro=Δu/ΔiI+U+Δu

-i=I+Δi=ICQ+ΔiCΔuCEΔiC

如果讓BJT偏置在放大區(qū),固定其基極偏流IBQ,

C--E之間就等效成為一個恒流源iCICQuCEIBQUCEQuiIUΔu1.基本鏡像恒流源電路仿真(2)鏡像恒流源的電路結(jié)構(gòu):

用兩個配對的NPN型BJT構(gòu)成基本鏡像恒流源(又稱為電流鏡)。

VT2管的集電極電流IC2就是恒流源的輸出電流,可以為集成電路中的各類放大電路提供恒定的偏置電流。

EC

、R和VT1構(gòu)成鏡像恒流源的參考回路,該回路產(chǎn)生的電流IR稱為參考電流。參考電流IR受晶體管參數(shù)的影響不大,在EC

、R確定的條件下,是一個相對穩(wěn)定的電流。

雖然VT1的集電結(jié)零偏(UCB1=0),但未進入飽和區(qū),仍然處在放大區(qū)1.基本鏡像恒流源電路仿真返回休息2休息1(3)電路工作原理分析

在VT1和VT2兩管匹配,β1=β2=β、且UBE1=UBE2=UBE

的電路條件下,應(yīng)滿足

IB1=IB2=IB、IC1=IC2=IC

由節(jié)點電流可得參考電流IR的表達式為鏡像恒流源的輸出電流IC2與參考電流IR是鏡像關(guān)系

當β>>1時,可得1.基本鏡像恒流源返回休息2休息1(4)電路性能的討論①鏡像恒流源電路的輸出電流IC2與參考電流IR成鏡像關(guān)系,即IC2≈IR

在集成電路的設(shè)計中常采用一個參考電路同時帶動多個(例如n個)輸出電流的鏡像恒流源電路

②由于,表明參考電流IR僅決定于外電路參數(shù)與晶體管參數(shù)無關(guān),即與溫度無關(guān),這樣IC2將為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流。

③IR-IC2=2IB,表明輸出電流IC2與參考電流IR存在一定的誤差當β較小時,相對誤差將加大。

在多輸出的情況下基本鏡像恒流源輸出電流ICn與參考電流IR之間不完全成鏡像關(guān)系,精度較差。絕對誤差為(n+1)IB

,相對誤差=(n+1)/β。

1.基本鏡像恒流源返回休息2休息1(4)電路性能的討論

④鏡像電流源的輸出電阻等于VT2管的輸出電阻

輸出電阻rce2相對較小,因此在實際應(yīng)用中輸出電流IC2受負載波動的影響較顯著。

⑤UCE1=UBE≠UCE2

,因此VT1和VT2工作狀態(tài)并不對稱當考慮到基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)時,會引起電流誤差,即IC1≠IC2。電路仿真2.精密鏡像恒流源電路仿真

VT3管,對分流電流IB3的放大作用,從而使誤差減小了(1+β)倍,精度提高了(1+β)倍。

2.精密鏡像恒流源休息2休息1返回電路仿真由于恒流源電路的參考電流IR≈EC/R是恒定的,所以VT2和VT4的基極電壓也是恒定的,意味著VT2和VT4的基極對地交流短路。(3)顯然,該恒流源的輸出電流IC2的精度并不高,與基本鏡像恒流源的相同。但該電路的特點是輸出電阻ro很大。

由圖可以看出,ib4=0,受控電流源βib4開路,

rbe2

rbe4是并聯(lián)關(guān)系,電路可進一步簡化3.高輸出阻抗串接鏡像恒流源電路仿真rce4>>rbe2,所以rce4//rbe2≈rbe2

4.威爾遜(Wilson)恒流源IC1IC2IB2

電路仿真休息2休息1返回4威爾遜電流源(高輸出阻抗精密電流源)休息2休息1返回

(2)電路分析:

IR=IC1+IB2

,IB2=IC2/β,IC1=IC3

(UBE1=UBE2=UBE)IC3=IE2-2IB=IE2

-2IC3

電路仿真5.比例恒流源休息2休息1返回電路仿真(3)輸出電阻為

繼續(xù)休息2休息1電路仿真返回6.微恒流源(Widlar恒流源)

可以推算出輸出電阻為4.2.3MOS恒流源1.MOS有源電阻(1)增強型MOS有源電阻MOS晶體管在模擬集成電路中常采用的兩種特殊接法:柵極與漏極間短路的增強型MOS有源電阻和柵極與源極間短路的耗盡型MOS有源電阻。UGD=0<UGS(th)。根據(jù)表2.2可知,這種連接方式的MOS管一定偏置在恒流區(qū)(放大區(qū))。

柵極與漏極間短路的增強型NMOS管可以作為一個非線性的有源電阻

由于uds=ugs,所以在電路中從NMOS管的漏極與源極間看入相當于一個非線性的有源電阻,其內(nèi)阻為(1/gm)//rds

1/gm4.2.3MOS恒流源1.MOS有源電阻(2)耗盡型MOS有源電阻由于uGS=0,當uDS>uGS-UGS(off)=-UGS(off)

時,耗盡型NMOS管將偏置在恒流區(qū)

柵極與源極間短路的耗盡型NMOS管也可以作為一個非線性的有源電阻,

由于ugs=0,gmugs=0,所以從NMOS管的漏極與源極間看入相當于一個非線性的有源電阻,其內(nèi)阻為rds

4.2.3MOS恒流源2.基本MOS恒流源電路(電流鏡)VT1

,VT2

,VT3為E型NMOSFET。電路結(jié)構(gòu)與BJT恒流源電路相似,其中參考電流IR的回路由VT3和VT1構(gòu)成。由于在MOS工藝中制造MOS管占芯片面積要比大阻值的電阻小的多,故電路中用VT3代替電阻R。

VT1、VT3管柵極與漏極間短路,一定工作在恒流區(qū),根據(jù)式MOSFET管在恒流區(qū)的大信號特性方程如果VT1和VT3管對稱,UGS1(th)=UGS3(th)

1.基本恒流源電路(電流鏡)仿真3.MOS比例恒流源

仿真仿真4.共源-共柵MOS恒流源

電路是由兩個基本MOS恒流源上下串接而成。設(shè)所有的晶體管都相等,在忽略溝道調(diào)制效應(yīng)(即λ=0)的條件下,

由于IR為恒定量,所以VT1~TV4各管柵極電壓為恒定值,利用MOS管小信號模型,可等效為求解輸出電阻的微變等效電路。由輸出電阻的定義

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