（电路与系统专业论文）全集成连续时间otac有源滤波器的研究.pdf

摘要 全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统 学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、 自动控制等方面有着广泛的应用背景，特别在数字模拟混合信号处理 及通信集成电路中有着重要的应用。0 t a c 有源滤波器电路的研究 是现代滤波器领域的一个极为活跃的课题。它具有良好的高频特性和 电控能力、极强的电路综合能力、与m o sv l s i 工艺兼容等优点成为 众多的滤波器中最具发展潜力的一种滤波器。 本文研究了o t a 电路实现及o t a c 二阶滤波器和高阶滤波器的 设计理论、设计方法和实现电路，首先介绍了各种集成滤波器及各自 的特点和本课题的重要意义、国内外研究现状，并介绍了m o s 晶体管 的基本结构、工作原理和模型电路、c m o s 模拟集成电路的几种基本 组成单元。然后介绍了c m o s 跨导运放的基本概念、应用原理和基 本应用，基本型及改进的跨导运算放大器的电路实现。接着从矩阵论 的角度给出了m o o t a 二阶滤波器的系统设计理论和方法；给出了 一种新的电压模式三输入、单输出二阶多功能滤波器，它能同时实现 低通、高通、带通、带阻、全通输出；给出了新颖的电流模式多功能 双二阶滤波器，它不仅在一个输出端能实现低通、高通、带通、带阻、 全通5 种滤波功能，而且能在三个输出端同时得到多种滤波输出，以 上两种滤波器由3 个0 t a s 器件，2 个电容构成，是目前所报道过的 元件数较少的多功能滤波器。最后给出了新的任意阶o t a c 多功能 滤波器由2 n + 2 个o t a s 和n 个电容构成，可实现任意阶高通、低通、 全通、带通、带阻等滤波输出；给出的电流模式n 阶o t a c 高通滤 波器仅由n 个o t a s 和n 个电容构成，上述两种滤波器所有的电容均 接地，便于集成且与m o sv l s i 工艺兼容。 对提出的上述二阶和高阶滤波器均进行了p s p i c e 仿真，并对电 流模式高阶高通滤波器进行了实验验证，实验结果与仿真结果接近， 验证了理论分析的正确性。 关键词：跨导运算放大器，c m o s ， 有源0 t a c 滤波器模拟集成电路， a b s t r a c t ac o n t i n u o u st i m ef i l t e ri saf r o n t s u b je c ti nm i c r o e l e c t r o n i c s ， c i r c u i t sa n ds y s t e m s i ta p p l i e sw i d e l yi n c o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i c m e a s u r e m e n t ，i n s t r u m e n t & a p p e a r a n c ea n dc y b e r n a t i o n e s p e c i a l l yi th a s a l l i m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nm i x e ds i g n a lc i r c u i t so fd i g i ta n da n a l o g ， c o m m u n i c a t i o ni c i0 翻一ca c t i v ef i l t e r sr e s e a r c hi so n ee x t r e m e l ya c t i v e s u b j e c ti nt h em o d e r nf i l t e rd o m a i n 。o 搦ca c t i v ef i l t e r sm a yb e c o m et h e m o s tp o t e n t i a lb e c a u s et h e yh a v eg o o dh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n d e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e da b i l i t y , g r e a t l ys t r e n g t h e n e dc i r c u i ts y n t h e s i sa b i l i t y a n dc o m p a t i b i l i t yw i t hm o sv l s i t e c h n o l o g y t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e a l i z a t i o nm e t h o do fo t aa n dt h e s t r u c t u r e s ，r e a l i z a t i o n sa n dd e s i g nm e t h o d so fo t a - cs e c o n d o r d e ra n d h i g h - o r d e rf i l t e r s a tf i r s te a c hk i n do fi n t e g r a t e df i l t e ra n dr e s p e c t i v e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h i st o p i cv i t a ls i g n i f i c a n c ea n dp r e s e n ti n t e r n a t i o n a l a n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t e sa r ei n t r o d u c e d b a s i cs t r u c t u r ea n dm o d e l a n dp r i n c i p l eo fw o r ko fm o st r a n s i s t o ra n ds e v e r a lk i n d so fb a s i c i n t r g r a t e dc i r c u i tu n i tm o d u l ea r et h e ni n t r o d u c e d b a s i cc o n c e p ta n d a p p l i c a t i o np r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fo t aa r et h e ni n t r o d u c e d f u r t h e r m o r eas y s t e m a t i cd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do ff i l t e r sb a s e do n m o o t a sf r o mm a t r i xt h e o r yi sp r o p o s e d av o l t a g em o d et h r e ei n p u t s a n do n eo u t p u ts e c o n d - o r d e rm u l t i p l ef u n c t i o nf i l t e ri s p r o p o s e d i tc a n r e a l i z e f i v eb a s i cb i q u a d r a t i c f i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl o w p a s s ， h i g h p a s s ，b a n d p a s s ，n o t c ha n da l l p a s s an o v e lc u r r e n tm o d eo t a c m u l t i f u n c t i o nb i q u a d r a t r i cf i l t e ri sp r o p o s e d i tc a nn o to n l yr e a l i z ef i v e b a s i cb i q u a d r a t i cf i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l o w p a s s ，h i g h p a s s ，b a n d p a s s ， n o t c ha n da l l p a s sa tao u t p u tt e r m i n a t e ，b u ta l s or e a l i z em u l t i p l ef u n c t i o n f i l t e r i n go u t p u t sa tt h et h r e eo u t p u tt e r m i n a t e ss i m u l t a n e o u s l y t w ok i n d o ff i l t e r sa b o v ew i t hm i n i m u mc o m p o n e n t si sc o m p o s e do ft h r e eo t a s a n dt w oc a p a c i t o r s a tt h el a s tan e wa r b i t r a r yo r d e ro t a - cm u l t i f u n c t i o n f i l t e ri sp r o p o s e dw h i c hi sc o m p o s e do f2 n + 2o t a sa n dnc a p a c i t o r s i t c a nr e a l i z el o w p a s s ，h i g h p a s s ，b a n d p a s s ，b a n d s t o pa n d a l l p a s sf i l t e r i n g o u t p u t s ac u r r e n t 。m o d en - o r d e ro t a ch i g h p a s sf i l e ri sp r o p o s e dw h i c h i so n l yc o m p o s e do fno t a sa n dnc a p a c i t o r s a b o v et w ok i n do f f i l t e r s a l lt h ec a p a c i t o r sa r eg r o u n d e d t h ec i r c u i t si s i n t e g r a t e dc o n v e n i e n t l v 7 一 一 a n di sc o m p a t i b l ew i t hv l s i t e c h n o l o g y i p s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t so fp r o p o s e df i l t e rc i r c u i t sa r eg i v e n a 。 c u r r e n t 。m o d en o r d e ro t a ch i g h p a s sf i l e ri sm a d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t i ss i m i l a rt ot h es i m u l a t i o nr e s u l tt oc o n f i r mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ： o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e rc m o s a c t i v eo t a cf i l t e r , a n a l o g yi n t e g r a t e dc i r c u i t n l 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 1 1 全集成滤波器概述 第一章绪论 滤波器的概念最早是由美国的g c a m p b e l l 和德国的k w a g n e r 于 1 9 1 5 年首先提出的。从那时至今，滤波器的理论和技术一直在不断 地飞速发展，它在各种电子设备中都获得了广泛的应用。很难设想， 如果没有滤波器渗入电子技术，能有现代的电子世界。滤波器是一种 选频装置，它在通信、仪表、航天、自动控制等方面都起着重要作用。 最早出现的滤波器是l c 滤波器，其主要优点是噪声低，不用电 源，q 值一般为数百，但在低频运用时，电感、电容体积大，重量重， 价格高，而且这种滤波器也没法集成。其后，随着半导体技术的发展， 通信设备日益小型化，各种无感滤波器相继问世，其中最有代表性的 是有源r c 滤波器，它能实现低通、高通、带通、带阻和全通等各种 滤波器，最大q 值可达1 0 0 0 ，最高频率可达m h z 量级。 本世纪六十年代以来，电子技术特别是集成电路工艺有了突飞猛 进的发展，人们已能将许多晶体管集成到一块很小的芯片上，极大的 促进了有源器件的发展，尤其是全集成的有源器件。集成运算放大器 ( o a ) 的问世，使有源滤波器真正得到人们的重视并迅速发展起来。从 原则上讲，上面提到的有源r c 滤波器是可以集成的，而且也有产品， 便从全集成的观点来看，这种滤波器存在集成度方面的缺陷。原因之 一是它需要容量较大的电容，这种电容没法集成到芯片上，而大电阻 又占用了很大的芯片面积。其次，滤波器的特性参数与r c 时问常数 有关，而集成电阻和集成电容的精度很差，准确的时间常数很难获得。 从集成化的角度看，现在可实现全集成的滤波器有数字滤波器 f ) ，开关电容滤波器( s c f ) ，开关电阻滤波器( s r f ) ，m o s f e t - c 滤 波器和o t a c 滤波器。 数字滤波器是近年随着大规模集成技术的发展，特别是数字计算 机的广泛应用而发展起来的一种新型集成化滤波器。它具有频率选择 性好，通用性强，温度稳定性高，能进行时间分割多重处理，不存在 硕士学位论文 阻抗匹配问题等一系列优点。数字滤波器处理的信号是离散的数字序 列信号。 开关电容滤波器是由m o s 开关、m o s 电容和m o s 运算放大器 构成的一种大规模集成滤波器，是近年来随着m o s 大规模集成技术 的进步而发展起来的模拟采样数据处理系统。它的时间常数由电容和 时钟频率决定，所以易获得准确的时间常数，而且用很少的芯片面积 可获得很大的等效电阻。但是它的工作频率受钟频的限制，一般在数 百k h z 以下，而且开关工作将引入一定的噪声，m o s 运放的有限带 宽也带来一定影响。 开关电阻滤波器是利用开关电阻技术，即用偏置在欧姆区的场效 应管作为电阻而组成的一种有源滤波器。连续时间m o s f e t - c 滤波 器的最初设计思想来自有源r c 滤波器。因为在单片集成工艺中，无 源电阻r 不仅占有较大的芯片面积，而且其精度，温度特性都很差， 所以设计者们用m o s f e t 作为一个压控电阻，这就形成了由 m o s f e t 管，电容c 和有源元件组成的滤波器。由于作为有源电阻 的m o s f e t 管必须工作在欧姆区，因而这种滤波器的动态范围将受 到限制。 另一种适于集成的滤波器就是o t a c 连续时间滤波器，它是由 有源器件运算跨导放大器( o t a ) 和电容c 组成的。由于它不用电阻， 而且m o so t a 的跨导很低，所需的电容c 很小，即使工作在音频或 低频，也可把电容集成到芯片一t - _ ，所以特别适于集成。此外，o t a 是种电流或电压控制元件，因此这种滤波器的参数，如w 、q 等可由 外部来控制或调节，也可以编程控制，因此，使单片滤波器或集成系 统的片上滤波器有很强的通用性。o t a 内部只进行电流放大，高频 特性也较好。同数字滤波器相比，o t a - c 滤波器直接处理连续信号 而不用a d ，d a 变换，也不象s c 滤波器那样需要对信号在离散时 间采样，且由于o t a 的高频特性好，这就从根本上克服了存在于s c 滤波器中的工作频率低的缺点。总之，o t a - c 滤波器具有电路简单， 通用性强、高频特性好，可程控，易于集成，噪声低等一系列突出优 点，所以，就设计高频连续时间模拟滤波器而言，人们把更多的注意 力集中到由跨导运算放大器和电容所构成的o t a c 有源滤波器上， 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 作为现代滤波器电路领域中一个极为重要的分支。 1 2 本课题的重要意义和国内外研究现状 全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统 学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、 自动控制等方面有着广泛的应用背景，特别在数字模拟混合信号处理 及通信集成电路中经常用到。跨导运算放大器( o t a ) 是一种电压输 入、电流输出的电子放大器，由跨导运算放大器和电容所构成的o t a c 有源滤波器电路的研究是现代滤波器领域的一个极为活跃的课题。 o t a - c 滤波器具有良好的高频特性和电控能力、极强的电路综合能力、 与m o sv l s i 工艺兼容等优点成为众多的滤波器中最具发展潜力的一 种滤波器。 跨导放大器本质上是一差分电压控制电流源( d v c c s ) ，其跨导增 益可经外部电压或电流控制。8 0 年代初期，当开关电容滤波器在高 频应用遇到麻烦时，人们再一次把目光投向连续时间技术，由于m o s v l s i 技术的发展，采用m o sv l s i 技术实现o t a 成为可能，于是，发 展全集成连续时间o t a c 滤波器成为流行的课题，并取得了突破性进 展。 1 9 8 3 年，h a n u 和t s i v i d i s 提出了全集成m o s f e t 和电容的有源 滤波器n 3 ，揭开了全集成连续时间滤波器发展的序幕。k h a r r a m a b a d i 和g r a y 首次提出了采用c m o s 工艺的o t a - c 滤波器乜3 ，从此，o t a - c 滤波器成为全集成连续时间滤波器领域内的一个重要分支。全集成连 续时间o t a - c 滤波器的关键是m o s 跨导放大器，同传统的双极o t a 相 比，c m o s 跨导的优点是采用了先进的m o sv l s i 技术，易于实现全集 成化，此外，c m o s 跨导还可获得较大的输入信号范围。但m o s 管存 在着非线性关系，电子调节也非线性，如何设计高性能m o s 跨导一直 是电路设计者感兴趣的课题。1 9 8 4 年，n e d u n g a d i 和v i s w a n a t h a n 提 出了采用c m o s 技术的线性跨导元件口1 。t o r r a n c e 等人进一步详细讨 论了设计c m o s 跨导的电路结构、线性技术和温度补偿技术h 3 。 t s i v i d i s 等人通过在跨导差分耦合间附加偏置晶体管，获得了高线 性度的跨导陆1 。在此基础上，又提出了交叉耦合跨导的新方案，大大 硕士学位论文 消除了m o s 管的奇阶和偶阶非线性项，同时也获得大信号处理能力1 。 w u 等人通过附加电流加法技术改进了跨导的线性度吲，而p e t e r s o n 和g e i g e r 将全对称结构拓展到c m o so t a 设计中随1 ，得到全对称c m o s o t a 电路，改善了电源抑制比，提高了线性度和信噪比。r e e d 和g e i g e r 提出了多输入o t a ，获得了接近6 v 的差分输入电压范围，提高了处 理信号的能力阳1 。w a n g 也提出了处理大信号的线性c m o so t a 的建议 n 0 | 。d u r h a m 和r e d m a n - w h i t e 又提出了获得最佳线性调节的新方案1 。 大多数c m o so t a 都是建立在差分耦合对输入结构的基础上，并 不断加以改进和完善的，而p a r k 和s c h a u m a n n 则另辟蹊径，发明了 四管c m o s 线性跨导n2 j 。这种跨导元件的优点是电路结构简单，使用 的m o s 管少，也不要求匹配条件。s c h a n u m a n n 也是采用这类跨导元 件设计全集成连续时间跨导电容滤波器的奠基者和带头人。 目前，国际上已经有大量跨导运算放大器及其应用电路出现在各 类期刊杂志上，提出了很多性能优越的跨导运算放大器和o t a c 滤波 器实现电路瞳3 37 | ，但是对它们的研究还远没有结束，很多的电路工程 师和学者正投入极大的精力和财力以求获得尺寸更小、频率更高、功 耗更小、线性更好的跨导运算放大器及应用电路。在国内虽然有为数 不少从事这类研究的学者，并发表了很多相关论文啪删1 ，但主要都是 停留在理论上，对所提出的器件和综合电路更多是通过计算机仿真而 不是通过实验进行验证。 1 3 本文主要研究内容 本文系统地研究了c m o s o t a 实现及全集成连续时间o t a - c 有 源滤波器的设计方法。包括：c m o so t a 的电路实现，o t a c 二阶 有源滤波器的设计，o t a c 高阶有源滤波器的设计三大部分内容。 1 3 1c m o so t a 的电路实现 ( i ) 研究了基本型源耦差分对跨导运算放大器电路。由于基本 型源耦差分对跨导运放固有的对称性使它具有较小的失调和漂移，它 还能提供良好的高频特性和低噪声特性，但它的传输特性的线性范围 受到限制。 全集成连续时间o t a - c 有源滤波器的研究 ( 2 ) 研究了几种改进的c m o so t a 实现电路：带辅助源耦对、 辅助电压源交叉耦合、带补偿电流源的c m o s 跨导放大器。这几种 改进电路都使跨导放大器传输特性的线性范围得到改善，获得了较好 的性能特征。 1 3 2o t a c 二阶有源滤波器的设计 ( 1 ) 给出了一种新的电压模式三输入、单输出多功能滤波器。 该滤波器结构简单，能实现低通、高通、带通、带阻、全通五种滤波 功能。 ( 2 ) 给出了一种新颖的电流模式多功能双二阶滤波器，该滤波 器不仅在一个输出端能实现低通、高通、带通、带阻、全通5 种滤波 功能，而且能在三个输出端同时得到多种滤波功能。 ( 3 ) 从矩阵论的角度给出了m o o t a 二阶滤波器结构的一般电 路模型和系统设计理论，用该方法能产生多种滤波器结构，每种滤波 器结构能实现低通、带通、高通、带阻及全通滤波器或其中的几种滤 波器； 对给出的上述滤波器，均进行了p s p i c e 模拟，模拟结果与理论 分析相吻合。 1 3 3 o t a c 高阶有源滤波器的设计 ( 1 ) 研究了o t a - c 高阶滤波器设计方法：用多环反馈法和模拟 无源l c 梯形电路法设计高阶o t a c 滤波器 ( 2 ) 给出了一种新的任意阶o t a c 多功能滤波器的设计方法。 通过将n 阶传递函数分解为n + 1 个一阶传递函数，导出了任意阶传递 函数o t a c 实现电路。该电路可实现任意阶高通、低通、全通、带 通、带阻等滤波功能，n 阶滤波器仅需2 n + 2 个o t a s 和n 个电容，所 有的电容均接地，便于集成且与m o sv l s i 工艺兼容。 ( 3 ) 给出了一种结构简单的电流模式高阶o t a c 高通滤波器的 设计方法。该滤波器含有最少的元件，n 阶滤波器仅含n 个o t a s 和 n 个电容，不含电阻，便于集成且与m o sv l s i 工艺兼容；高频性能 好且灵敏度较低。 对给出的上述滤波器均进行了p s p i c e 仿真，并对电流模式高阶 硕士学位论文 高通滤波器进行了实验验证，实验结果与仿真结果接近。 1 4 论文内容安排 全文共分为五章。第一章为绪论，介绍了各种集成滤波器及各自 的特点；阐述了本课题的重要意义及国内外研究现状；最后给出了本 文的主要研究内容。第二章为m o s 晶体管及c m o s 模拟集成电路研 究，介绍了m o s 晶体管的基本结构、工作原理和模型电路、c m o s 模 拟集成电路的几种基本组成单元。第三章为c m o s 跨导运算放大器电 路的实现及基本原理与应用，包括c m o s 跨导运放的基本概念、应 用原理和基本应用，基本型及改进的跨导运算放大器的电路实现。第 四章为o t a c 二阶有源滤波器的设计，包括电压模式三输入、单输 出多功能滤波器，电流模式多功能双二阶滤波器，基于m o o t a 电 流模式双二阶滤波器结构的一般电路模型和系统设计理论。第五章为 o t a c 高阶有源滤波器的设计，包括总结o t a c 高阶滤波器设计方 法，任意阶o t a c 多功能滤波器的设计方法，电流模式高阶o t a c 高通滤波器的设计方法及实验验证。论文的最后给出全文总结。 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 第二章m o s 晶体管和c m o s 模拟集成电路研究 在应用m o s 管设计集成电路中，首先是采用p m o s 管或n m o s 管来实现，它们具有的优点是离散性较大、跨导低、增益低等引起了 人们研究的兴趣。随着人们对电路低功耗、高集成度的要求越来越高， c m o s 电路的优点满足了人们的要求，c m o s 电路中p m o s 和n m o s 管成对出现，它具有功耗低、抗干扰能力强、输出电压动态范围大、 输入阻抗高、集成度高、占用芯片面积小等特点。由于这些原因， c m o s 电路在模拟集成电路设计中得到越来越广泛的应用。 本章研究c m o s 模拟集成电路基础知识，包括m o s 晶体管基本 结构、模型、工作原理、c m o s 模拟集成电路的基本单元模块等。 2 1 m o s 晶体管的基本结构及其工作原理 m o s 晶体管以硅为衬底材料，以二氧化硅为绝缘层，以金属铝 或掺杂多晶硅为栅，所以称作金属氧化物半导体场效应管，简称 m o s 管。m o s 管栅级与沟道之间由绝缘层隔离，输入电阻达1 0 1 4 欧 姆以上。m o s 集成电路的工艺比较简单，集成密度高，是超大规模 集成电路的主要器件【1 3 。17 1 。 n 型m o s 器件的简化结构如图2 1 所示【1 4 1 ，器件制作在p 型衬 底上，两个重掺杂n 区形成源端和漏端，重掺杂的多晶硅区为栅， 一层薄s i 0 2 使栅与衬底隔离，栅氧化层下面及源、漏之间的区域称 为沟道区。 图2 1 所示称为n 沟道增强型m o s 场效应管，它的特点是栅级 不加电压时，栅氧化层下面不存在n 型导电沟道，只有当栅级上加 以正电压v g s v “阈值电压) ，才在源、漏之间的p 型材料表面形成 一个导电的沟道，使导电类型相同的源、漏区连接起来。除了p 型和 n 型增强型场效应管外，还有耗尽型场效应管，常见的有n 沟道耗 尽型管，其主要特点是栅级不加电压时，n 型沟道已经存在了，控制 氧化层中一定数量的正电荷或用离子注入便能做到这一点。在同一衬 硕士学位论文 底上，生成p 沟m o s 场效应管和n 沟m o s 场效应管，这种结构和 工艺通常称为c m o s 电路结构与工艺。由于c m o s 电路结构简单， 功耗小，因而在m o s 集成电路中，广泛采用c m o s 电路结构与工艺 【1 7 】 o 图2 - 1m o s 器件的结构 m o s 场效应管在应用中有多种连接方式。最常用的是共源连接 方式，以n 沟道增强型m o s 场效应管为例，如图2 2 所示。源极与 衬底相连接，信号由栅极g 输入，经m o s 场效应管放大后由漏极d 输出。当g s 电压v g s 变化时，其输出特性曲线如图2 - 3 ( a ) 所示，转 移特性曲线如图2 3 ( b ) 所示，它反映了漏源电流i d 与栅源偏压v g s 的 关系。v t 为阈值电压，它表征m o s 场效应管由截止过渡到导通的临 界工作点。只有当栅偏压高于v t 时，m o s 场效应管才能导通。 图2 - 2n 沟道增强型m o s 管共源连接 图2 - 3 ( a ) q b 的输出特性曲线可以划分为三个工作区，即： ( 1 ) 可调电阻区( i 区) ：在此区域中，i d 随v d s 的变化而近似于线 性变化，所以，也称其为线性区。当v d s 增加到v g s v t 时，栅级与 漏级之间的电压恰好等于开启电压v t ，故靠近漏极端的硅表面反型 层消失，只剩下耗尽区，即此处沟道厚度为零( 漏极处的沟道开始夹 断) ，这种情况对应于输出特性曲线中可调电阻区与饱和区的交界处。 此后漏极电流开始饱和。 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 ( a ) 转移特性 图2 3n 沟道增强型m o s 管特性曲线 ( 2 ) 饱和区( i i 区) ：在饱和区域内，i d 几乎不随v d s 而变，故称为 漏极电流饱和区。饱和区是m o s 场效应管的主要工作区。 ( 3 ) 雪崩区( i 区) ：当v d s 大于某一击穿电压b v d s ，漏极与衬底 之间的p n 结发生反向击穿，i d 将急剧增加，特性曲线进入雪崩区。 此时漏极电流不经沟道区，而直接由漏极流入衬底。在电路设计时， 应避免m o s 场效应管工作在雪崩区。 使m o s 器件栅区表面产生强反型层所需要外加的栅源电压称为 阈值电压v t 。当v g s v t 时，器件开始导通。假设衬底与源区均接地， 其阈值电压记为v t o ，对n 沟道和p 沟道的m o s 管分别记为v t n o 和v t p 0 。如果衬底对源区的电压v b s 不为0 ，则对阈值电压有轻微的 影响，因为这会影响沟道区耗尽区的宽度和导电层的形成。此时的阈 值电压记为v t 。v b s 对器件性能的影响称为体效应，或衬偏效应。 v t 与v 阳均可由实验测量得到，其关系可由下式表示： 巧= 巧。+ 7 ( + k 沿一) ( 2 1 ) 式中为强反型层表面的电位，在n m o s 中，为负值，在这p m o s 中，为正值。y 为衬底阈值参数或体效应参数，在n m o s 中，y 为正值，在p m o s 中，y 为负值。 2 2m o s 晶体管的电路模型 m o s 晶体管的模型分为大信号( 直流) 模型和小信号模型【1 3 - 1 6 1 。 2 2 1 大信号模型 m o s 晶体管的大信号模型特性可用它的电流方程来描述，n 型 硕士学位论文 m o s 管的电流方程是： 铲j 孚刊一等”巧( 2 - 2 ) l o 巧 k = 0 ( 2 3 ) u 、， 其中，i d 为漏电流，i g 为栅电流，v g s 为栅源电压，v d s 为漏源电压， w 、l 为沟道的宽度和长度，k 为跨导，它等于载流子的沟道迁移率 uo 与单位面积栅电容c o 的乘积，即 k = 。c o( 2 4 ) 而c o 可写成： c 。= 6 0 e 。t 。( 2 - 5 ) 在式( 2 5 ) 中，o 为真空中的介电常数，0 = 8 8 5 x 1 0 。1 2 e m 1 ；o x 为s i 0 2 氧化层的相对介电常数，o x 3 9 ；t o x 为氧化层的厚度。 根据式( 2 2 ) 可以将m o s 管分为三个区： ( 1 ) 截止区： 巧，且v d s v g s v t 。当v d s ，o 一) ( 饱和区) ( 一_ ) ( 电阻区) - - 塑2 l ( i 、”一) 2 ( 1 + ia y 雎i ) ， ( 矿 v t ，m o s 管 就工作于饱和区。电流电压关系为： li i d = 罢( y 盛- y t 户 y = = = + f ，而2 i l 尸 那么，小信号电阻为： a y三 r = 一= 一 a ik jw f v v ，) 2 3 2c m o s 电流镜 2 3 2 ic m o s 基本电流镜 m l i l m 2 v s s 基本n m o s 电流镜 m lm 2 l ，。 佃1 基本p m o s 电流镜 图2 7 基本c m o s 电流镜 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 基本c m o s 电流镜如图2 7 所示1 8 】，其中图2 - 7 ( a ) 为n m o s 电流 镜，图2 - 7 ( b ) 为p m o s 电流镜。 在图2 - 7 ( a ) 中，m l 的栅源短接，v d s l 、乞s v t l ，所以m l 总工作于饱 和区。只要v d s 2 v d s l v 他，t 2 也工作于饱和区，漏极的交流输出电阻 很高，这是图2 - 7 ( a ) 作为电流镜的必要条件。在这个条件下，由表2 1 ， 有： l ：丢k ：孕( ，。一巧：夕z f ，l + 如：夕 ( 2 1 4 ) ，f 互1k 7 詈f ，一巧斤1 + 丑) ( 2 1 5 ) 硕士学位论文 如果m l 与m 2 完全匹配，有k l = k 2 ，v t l _ v 亿，入l _ 入2 = 入，则 生：w 2 l i ( 1 + 2 v o s 2 ) ( 2 1 6 ) j f r 三2 f ，l + 五y 珊l 夕 由式( 2 1 6 ) 可知，i o 与i r 的比值与m l 、m 2 的沟道长宽比及沟道 长度调制效应有关。在不考虑沟道长度调制效应的情况下，且当m 1 与m 2 的沟道长宽比相等即w l l l = w 2 l 2 时，有： o = 厶 ( 2 - 1 7 ) 但实际上，存在沟道长度调制效应，且v d s l 并不一定与v d s 2 相 等。对于入v d s l 1 时，可由式( 2 1 6 ) 得出漏源电压失配造成的误差为 ( 在w l l l - - - w 2 l 2 情况下) ： a = k 2 一k 。五( ：一。) k 。 ( 2 1 8 ) 这样，对于基本c m o s 电流镜，由于沟道长度调制效应的影响， 当m o s 管的漏源电压不等时，会引起电流镜电流跟随误差。但由于 入很小，所以误差也很小。 对于图2 7 ( b ) 所示的p m o s 基本电流镜，同样有式( 2 1 6 卜( 2 1 8 ) 成立。 2 3 2 2c m o s 级联电流镜 图2 8 为级联电流镜电路图。图中m i 与m 3 级联，m e 与m 4 级联。 图2 - 8 ( a ) 为n m o s 级联电流镜，图2 - 8 ( b ) 为p m o s 级联电流镜。 在图2 - 8 ( a ) q h ，有i o = i d 2 ，i r = i d i ，v g s l = v g s 2 ，根据表2 1 得： 生：茎! ：坠刍! ! 生垡! !( 2 1 9 ) j 只k 1 三2 f ，1 + a l 夕 m 3 m l l 厶 m 4 m 2 m i m 3 m 2 m 4 j 厶 n m o s 鼯级联电流镜佃) p m o s 级联电流镜级联电流镜佃)级联电流镜 图2 8 c m o s 级联电流镜 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 因为m l 与m 3 级联，有i d l = i d 3 ，又v d s l = v g s l ，v t ) s 3 = v g s 3 ，那 么当m l 与m 3 的工艺参数相同时，由表2 1 的饱和区漏极电流表达式 可知： ，= ， ( 2 2 0 a ) m 2 与m 4 级联，有i r a = i d a ，由表2 1 的饱和区漏极电流表达式可知： ：= 。 ( 2 2 0 b ) 而对于v d s l 、v d s 2 ，有： v o s 。= i ，2 = 3 一。+ 。 ( 2 - 2 1 ) 又 。= ： ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 0 ) 及式( 2 2 2 ) 可得： 。= ：( 2 - 2 3 ) 如果m l 、m 2 的工艺参数相等，那么，根据式( 2 1 9 ) 及( 2 2 3 ) 有： 生：坠 ( 2 二2 4 ) j r 彤三2 当w 2 l 2 = w l l l 时，有： ，。= ，r ( 2 2 5 ) 同样，对图2 8 ( b ) ，亦有式( 2 2 5 ) 成立。 可以看出，由于级联电流镜的漏源电压基本相等，其电流跟随特 性较好，跟随精度较高。 2 3 3 基本源耦差分对 基本源耦差分对在模拟集成电路中有着广泛的应用，如集成运放 的输入级均采用差分放大器的电路结构1 9 1 。这是因为差分放大器只对 差分信号进行放大，而对共模信号可进行抑制，有很强的抗干扰能力， 并具有漂移小、级与级间很容易直接耦合等优点。 基本源耦差动跨导放大级电路如图2 - 9 所示，恒流源i s s 为偏置 硕士学位论文 电流( 也称作尾电流) 。假设：( 1 ) m o s 管t l 、t 2 的尺寸和特性理想对 称，1 ( 2 ) t l 、t 2 始终工作在饱和区；( 3 ) t l 、t 2 的体效应及沟道长度调 制效应可忽略。则根据m o s 管在饱和区的电流方程式有： 厶。= k ( 。一巧) 2( 2 2 6 ) i d ：= k ( ：一巧) 2( 2 - 2 7 ) 式中， k ：k w 2 l 差模输入电压为： 又 则联立可得： 屹= 悟一悟 小扣每2 k 盈9 2 v j a 2 厶：= 互1i 嚣一1 2 鼹v 。_ 1 2 k k k k 2 v 。i d 2 ： ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 从而得到源耦差分对跨导器的输出电流为： 厂：一r = 工一 f d = 1 , 也= 肛诚1 。麦2 “警w ( 2 - 3 2 ) 上式是源耦差分对的输出电流输入电压方程式，即直流传输特 性表达式，它是一个非线性函数，只有在v i d 2 矿厶一一 3 - 1o t a 的模型 其中“”号代表反相输入端，“+ ”代表同相输入端，i 。是输出 电流，i a b c 是外部控制电流，用以改变o t a 的跨导g m ，o t a 的传输 特性是： l = = g 卅( k 一圪)( 3 - 1 ) 跨导g m 是i a b c 的函数。 o t a 具有灵活的设计方式，还可以设计多输出端电路， 全集成连续时间o t a c 有源滤波器的研究 m o o t a ( 多端o t a ) 电路符号如图3 - 2 所示： 输出电流： 号 i o 。= 厶，= l ：= = i o 。= - t