模拟集成电路设计基础

集成电路设计基础第八章模拟集成电路基本单元第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换2双极型镜像电流源3GNDT1T22IBIRIO＋VCCR＋－UBE基本镜像电流源带缓冲级的镜像电流源GNDT1T22IBIRIO＋VCCRT33B12＋IRB2CCBERCBVVIRIIO2CBRIIII4GNDT1T22IBIRIO＋VCCRT3IC1IB3IE3IC2IBIBrce3Rrce1βIb1Ib3rbe3rbe1Ib1rbe2Ib2βIb2rce2βIb3U0'＋－I0'（b）（a）威尔逊电流源求动态内阻R0增大动态内阻R01313CCBEBERCBVVVIIIR1232CCEBIIII3O313321()12ECROIIIII33322ORII5M1M2IrIoNMOS基本电流镜MOS电流镜多支路比例电流镜M1M2IrIo2M3M2Io3Ion1212:::():():():()rOOONrn2Tgsoxds2VVLWtIO21()()rIWWLLI6M3M2IrIoM1MOS威尔逊电流镜改进结构（使M2和M3工作状态相同）M3M2IrIo2M1M4VG22O23()()dsrWLIIIWLIO↑→VG2↑→VGS1↓→IO↓第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换78Q1I2VBE3R1VCC2REFBEBE3RVVVRR3R2Q2I1Q3I0-+V2三管能隙基准源8.2基准电压源设计22312EBEBEBEVIRVVV22223BERVIRVR23233REFBEBEBERVVVVVRln()ln()EEBESIIkTkTVqIqJA2132lnREFBERJkTVVRqJ9M2I1VDDM1I2VDD+-I1VDDM1I2VREF+-M2+-VDEISSIEVSSQ0VCMOS基准电压源电压差与温度成正比的结构温度补偿CMOS基准电压电路1221()ln()DSREFDEBEDSIWLnkTVVVVqIWL第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换10有源电阻•IC中，MOS器件的有源电阻常用来代替扩散电阻或多晶硅电阻，可以大大节省面积。•工作在线性区和饱和区的MOS管都可以做有源电阻，饱和区可以获得较大阻值。•另一种形式“二极管连接”（栅-漏相连）11I+_VVTIV2()2DGSToxWIIVVtL2'DGSDSTTODILVVVVVVKW2'DmIKWIggVL128.3单端反相放大器电路设计RLVT1VoutVinVDD纯电阻负载NMOS共源放大器VinVoutVDDVTVin1截止饱和线性2()2noxoutDDDinTCWVVRVVL1inoutTVVV饱和2[2()]2noxoutDDDinToutoutCWVVRVVVVL线性vmDAgR()noxminTCWgVVL2()2noxDGSTCWIVVLoxoxCt单位面积栅电容138.3单端反相放大器电路设计VT2VT1VoutVinVDDVB饱和NMOS负载共源放大器121(||)vooAgrr等效电阻值比较小，VT2管工作在饱和做负载VT2管G、D电位固定，S输出GSDSBDDVVVV2()2noxDSDSBDDTCWIVVVVL212||ooorrr1122//vWLgAgWL()2noxGSTnoxDSCWWgVVCILL148.3单端反相放大器电路设计VT2VT1VoutVinVDD二极管连接NMOS负载共源放大器GSDSVV2()2noxDSDSTCWIVVL1122//vWLgAgWL1()2noxGSTnoxDSCWWgVVCILL2()2DSnoxDSTnoxDSDSICWWgVVCIVLL158.3单端反相放大器电路设计VT2VT1VoutVinVDD11122/1/vBBBWLgAgrgWLE/DNMOS共源放大器VT2管为耗尽型0GSV沟道电阻受衬底偏置影响21BBrg168.3单端反相放大器电路设计VT2VT1VoutVinVDDVbPMOS负载共源放大器12112112||||1(||)2(/)||||AAvoonoxAADSVVAgrrCWLVVIPMOS管VT2工作在饱和，没有衬底偏置效应。11AoDSVrI22AoDSVrI1()2noxGSTnoxDSCWWgVVCILL178.3单端反相放大器电路设计VT2VT1VoutVinVDD二极管连接PMOS负载共源放大器1122(/)(/)nvpWLgAgWLPMOS管VT2作二极管连接，没有衬底偏置效应。2222()()2pDSGSToxWIVVtL1()2noxGSTnoxDSCWWgVVCILL2()2poxDSGSTpoxDSDSCWIWgVVCIVLL18VDDVinVoutVT2VT1CMOS推挽放大器在正常工作情况下，两管均工作在饱和状态。对于交流信号而言，两个管子处于并联连接。输出电阻=r01//r02跨导=g1+g2120102()(||)vAggrr19共栅放大器VT1VoutVinVDD+_VBRD2()2noxoutDDDBinTCWVVRVVVL2()2noxDDBinTDBTCWVVVVRVVL线性边界：VinVoutVDDVB-VT关断饱和线性20共栅放大器VT1VoutVinVDDVBRDI1()(1)outTnoxBinTDininVVWCVVVRVLV饱和状态小信号增益TTinSBVVVV()(1)(1)outnoxDBinTmDinVWCRVVVgRVL共栅放大器获得同相放大，且体效应增大了增益。共栅放大器输入电阻较低。还可以通过电容耦合构成共栅放大器。21共栅共源放大器VT2VoutVinVDDVBRDVT1gm1Vin为了保证VT1和VT2均工作在饱和2BinGSTVVVVVinVout1VDDVT1VB-VT2VoutVout1降到比Vin低一个VT1，迫使VT1进入线性区Vout降到比VB低一个VT2，迫使VT2进入线性区输出阻抗高频带宽输出摆幅小可以采用折叠方式解决摆幅小的问题第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换2223VCCIEET1T2RcRciC1iC2vID+-TIDEE2C1CthVvIii8.4差分放大器电路设计BJT差分放大器1C12C2CCCCCCCCvVRivVRiO12C2C1()lnCCCIDCEETvvvRiivRIV24MOS差分放大器Iss-Iss-V'IDoV'IDVIDiD1-iD22112noxDGSthCWivVL2222noxDGSthCWivVL212114IDIDDDSSGSQthGSQthvviiIVVVV第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换258.5运算放大器电路运算放大器性能参数•增益•小信号带宽•大信号带宽•输出摆幅•线性•噪声与失调•电源抑制268.5.2套筒式共源共栅运放27简单结构运算放大器电路(||)vmNoNoPAgrr带宽主要由负载电容决定一般不会超过2028共源共栅运放(套筒式)(||)vmNmNoNmPoPAggrgr极点牺牲了输出摆幅29输入与输出短路的共源共栅运放VT2和VT4饱和的条件42bTHoutXTHVVVVV4XbGSVVV442()bTHoutbGSTHVVVVVV输出电压范围TH2442()MAXMINGSTHTHVVVVVV30折叠式共源共栅运放套筒式共源共栅运放输出摆幅小、无法输入输出短接。输入管改变型号，构成折叠式电路：输入输出管都不再串接另一管子，所以输入输出的共模范围加大。31折叠共源共栅运放结构把折叠思想应用到运放电路中：•功耗增加•输入共模电压不能低于Vb1-VGS3+|VTHP|32以共源共栅PMOS为负载的折叠共源共栅运放I2I1ISS2ISS1输出电压幅度：7935(||||)DDODODODODVVVVV33小信号增益估算||vmoutAGR半边电路小信号增益：VT3源端看入电阻133315()||||mmboooggrrr1mmGg7779()OPmmbooRggrr33315||[()(||)]outOPmmboooRRggrrr1333157779||[()(||)]||[()]vmmmbooommbooAgggrrrggrr增益减小34器件电容对非主极点的影响套筒式电路Ctot：CGS3，CSB3，CDB1，CGD1折叠式电路Ctot：CGS3，CSB3，CDB1，CGD1CGD5，CDB5（相对较大）极点更靠近原点35折叠共源共栅运放的实现36两级运放37采用共源共栅的两级运放38单端输出的两级运放第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换398.6振荡器40LC振荡器张驰振荡器41环形振荡器环形振荡器的延迟单元42RC网络型环形压控振荡器由VC控制环路延迟单元时间常数。43VoVcNMOS:W/L=6/1PMOS:W/L=18/1M1M2M6M5M7M3M4M8VDDVDDVDD矢量叠加型环形VCO第八章模拟集成电路基本单元8.1电流源电路设计8.2基准电压源设计8.3单端反相放大器电路设计8.4差分放大器电路设计8.5运算放大器电路8.6振荡器8.7D/A与A/D转换448.7D/A与A/D转换45D/A变换器方框图46串联电阻分压D/A变换器并联电容分压D/A变换器47并联式A/D变换器4849逐次逼近式A/D变换器50并联电容分压网络实现的逐次逼近式A/D变换器本章练习1.限幅放大器属于小信号放大器还是大信号放大器？2.运算放大器有哪些特点和性能指标？3.说明环形振荡器的工作原理。4.叙述串联电阻分压D/A变换器的电路原理。5.叙述逐次逼近式A/D变换器的原理。51