模拟集成电路中常用单元电路

国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良1第八章模拟集成电路中常用单元电路国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良2§8-1恒流源电路恒流源电路的基本工作原理是基于一定的参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关系的恒定电流。恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。由于它能提供恒定的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，以便获得稳定的电路性能和大的增益。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良3思考题1.恒流源单元电路有哪些种类？各自的特点有哪些？2.恒流源作为有源负载有哪些特点？3.设计恒流源时应注意哪些问题？国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良48.1.1npn恒流源电路1.基本型电流镜恒流源设T1和T2完全相同则：Ib1/Ib2=Ic1/Ic2因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2=Io+2Ib2=Io(+2)/VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因为：1所以：IrIoIr=(V-VBE)/Rr国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良58.1.1npn恒流源电路1.基本型电流镜恒流源该电路具有温度补偿作用：温度IoIoIc1IrVR(IrRr)VbIbVRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良68.1.1npn恒流源电路2.面积比恒流源设T1和T2发射结面积为AE1和AE2则：Ib1/Ib2=Ic1/Io=AE1/AE2而：Ir=Ic1+Ib1+Ib2则:Ir=Io(AE1/AE2+AE1/AE2+1)/因为：1，AE1/AE2值较小所以：IrIoAE1/AE2即：Io/Ir=AE2/AE1VRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良78.1.1npn恒流源电路3.小电流恒流源(Widlar电流源)Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2VBE1=IE2R2+VBE2则：IE2R2=VBE1–VBE2=VTln(IE1/IE2)因此近似有：Io=(VT/R2)ln(Ir/Io)根据已知的Ir和需要的Io，就可以求出要设计的R2。其中：VT=KT/q(热电压)国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良88.1.1npn恒流源电路4.多支路恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+(1+N)Ib=Io+(1+N)Io/即：Io/Ir=/[+(1+N)]可见，支路数增加，会使Io与Ir的差值增大。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良98.1.1npn恒流源电路5.带有缓冲级的恒流源VRrIrIoT1T2V’T0设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+Ib0=Io+IE0/(+1)而：IE0=Ib1+Ib2=2Ib2=2Io/可见，Io与Ir的差值明显减小。则：Ir=Io+2Io/(+1)=Io[1+2/(+1)]国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良108.1.1npn恒流源电路5.带有缓冲级的恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1V’T0设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+Ib0=Io+IE0/(+1)而：IE0=(1+N)Io/可见，Io与Ir的差值明显减小。则：IoIr=2+2++N+1国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良118.1.1npn恒流源电路6.具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2222III1I21IIII21I)1()21(1)21(II)21(II2IIIIIII22ro3c3c3b2cr3c3c3e2c2c2b2c3e3b2c3b1cr国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良128.1.1npn恒流源电路6.具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2IoIr=2+22+2+2这种电流源不仅使Io与Ir的差值非常小，而且还具有负反馈补偿特性，更有利于工作点的稳定。补偿过程:当由于某种原因使Io增大，则Ie3Ic2Ic1。而Ir=Ic1+Ib3不变，则Ic1Ib3Io。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良138.1.1npn恒流源电路7.版图举例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良148.1.2pnp恒流源电路1.概述在双极型模拟集成电路中，经常是npn管和pnp管互补应用，因此pnp恒流源同样得到广泛的应用。pnp恒流源电路形式与npn恒流源相同，只是改变电源的接法和电流方向。值得注意的是PNP恒流源一般是由横向PNP管组成，而横向PNP管的增益（）远远小于NPN管的增益（），因此，PNP恒流源中Io与Ir的近似程度较大。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良15IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.2pnp恒流源电路2.单元电路图举例国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良168.1.2pnp恒流源电路2.单元电路图举例IrIo1T1T2RrVDD)21(II2II2II2IIo2c2cb2cb1cr国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良178.1.2pnp恒流源电路2.单元电路图举例IrIo1T1T2RrT3VDD)221(IIIII)11(III2I2orro1co3e2c2c国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良188.1.2pnp恒流源电路3.单元版图举例国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良198.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源)V1()VV(LWC21I]V21V)VV[(LWCIDS2TGSOXnD2DSDSTGSOXnD国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良208.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源DoutD2TGSOXnDSDdsI1rI)VV(LWC21VIg上述电流源/漏需要在两方面加以改进，一是增加小信号输出电阻，二是减小VMIN的值。有图可见，MOS只有工作在饱和区时才是一个较好的电流漏。即vOUT≥VGG+VTN。)V1()VV(LWC21IDS2TGSOXnD国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良218.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr(irir)Vgi(v国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良228.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源2s2gsVV入接地，因而求交流输出阻抗时，输rrgrrg)rr(ivrrrig)rr(irVg)rr(iv2ds2m2ds2m2dsoutoutout2dsout2m2dsout2ds2S2m2dsoutout2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr(irir)Vgi(v国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良238.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr)vgi(r)vgvgi(v12gs1gsvv,0v国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良248.1.3MOS型恒流源电路1.电流漏和电流源2ds1ds2mbs2m2ds1dsoutoutout1dsout2ds1ds2mbsout1ds2moutoutoutrr)gg(rrivrrir)rgirgii(v12gs1gsvv,0v1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr)vgi(r)vgvgi(v国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良258.1.3MOS型恒流源电路2.基本电流镜恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc只要使MOS管都工作在饱和区(忽略沟道长度调制），由：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2=::WL)1(WL)2(WL)3(得：Ir一定，Io与输出端电压无关。如沟道长度取一定值，则取决于沟道宽度之比。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良268.1.3MOS型恒流源电路2.基本电流镜恒流源（续1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc若考虑沟道调制效应，MOS管工作在饱和区电流公式为：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+VDS)其中沟道调制系数：=∝L1因此，输出电压对输出电流产生一定的影响。为减小这一影响，沟道长度应选大一些。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良278.1.3MOS型恒流源电路2.基本电流镜恒流源（续2）因此，沟道长度选大一些，还有利于提高输出电阻。另外，小电流工作时输出阻抗更高。M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc电流源输出电阻(MOS管饱和导通电阻)：rds==∝IDS1IDSL国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良288.1.3MOS型恒流源电路3.级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCCnCox2IDS1=WL(VGS-VT)2(1+VDS1)()1nCox2IDS2=WL(VGS-VT)2(1+VDS2)()2IDS1IDS2=IrI0=WL()1WL()2(1+VDS1)(1+VDS2)需保证VGS3=VGS4国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良298.1.3MOS型恒流源电路3.级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC由于M4屏蔽了输出电压的变化对M2的作用，使输出电流不受输出电压的影响，减小了沟道长度调制的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。其缺点是为了使晶体管都工作在饱和区，输出电压变化范围减小了。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良308.1.3MOS型恒流源电路4.Wilson(威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc该电流源的输出阻抗较高(与级联结构相似)。该电流源具有负反馈作用，使Io的变化能得到补偿，提高了输出电流的稳定性。增加M3的W/L可以增强对输出电流变化的调节能力。国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良318.1.3MOS型恒流源电路4.Wilson(威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3IoIoI2I1Vds1Vgs3Ir恒定国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良328.1.4恒流源作有源负载1.双极型电路举例放大器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良338.1.4恒流源作有源负载2.CMOS电路举例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大器件放大器件国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良34§8-2单级放大器国际微电子中心集成电路设计原理2020/4/30韩良358.2.1共发射极1.基础知识回顾TBESCVVIIexpkTqIVIVVVIVVIdVddVdIgCTCT