（通信与信息系统专业论文）基于跨导运算放大器的高带宽滤波器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 由于在通信传输 信号处理 控制测量等领域中的广泛应用 连续时间有源 滤波器一直是人们研究的热点问题 但国内在s o c s y s t e mo nc h i p 领域中的模 拟滤波器设计大都应用于较低频率 缺少自主成熟的宽带滤波解决方案 或者仍 限于理论研究阶段 并未能广泛投入到工程实践中 本文的研究内容是高带宽的 有源滤波器设计 通过与实际产品设计相结合 在一个填补国内高带宽滤波器设 计领域的空缺 本文用6 阶c h e b y s h e v 切比雪夫 滤波器实现了低通滤波功能 能满足通带带 宽在5 0 m h z 以上 为以太数据通过同轴电缆传输 e o c e t h e r n e to v e rc o a x 系统 提供了完整的滤波解决方案 e o c 芯片的成功能促进基于同轴电缆的家庭以太网 的组建 把电视和双向数据信号均在一根同轴电缆上传输 从而简化有线电视 h f c 混合光纤同轴电缆网 网络的双向改造 此技术的成熟发展能向居民住宅和 小型商务机构提供融合了数据和视频服务的综合服务 具有远大的市场前景 同 时此滤波器在e o c 产品当中的成功应用为国内的连续时间高带宽低通滤波器的 设计与工程实践相结合提供借鉴意义 本文的滤波器设计是基于o t a c 结构 它仅仅使用o t a 和电容就能满足传 输函数的要求 取代了传统滤波器中的电阻 更加适合集成电路发展的趋势 o t a c 滤波器有着良好的高频特性和极强的电路综合能力 可以与m o s 工艺兼 容 成为了高带宽滤波器设计领域中的主要结构 文中研究了跨导运算放大器的 电路实现 探讨了提高o t a 线性范围的方法 给出了带源极负反馈电阻的跨导 运算放大器和交叉耦合c m o s 跨导运算放大器的设计方法和电路图 提供了仿 真分析结果 随后介绍了二阶和高阶滤波器设计的方法和设计步骤 以6 阶 c h 曲y s h e v 滤波器为例 验证表明o t a c 滤波器的功能和性能均满足e o c 系统 的要求 由于工艺器件参数在生产时会出现偏差 滤波器中不可避免要添加调谐电路 本文探讨了调谐的种类 给出了两种不同调谐方式 基于直接调谐的方法对6 阶 c h e b y s h e v 滤波器做出了改进 仿真结果表明滤波器的功能和性能指标如频率响 应和线性度能达到要求 最后给出了o t a c 滤波器版图设计的注意事项 着重从线性度和差分电路的 角度来讲述匹配的重要性以及版图设计当中可以参考借鉴的地方 最终把这些方 面应用到滤波器设计当中 关键词o t a c 有源滤波器 跨导运算放大器 频率调谐 高带宽滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u s t i m ef i l t e r sh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss u c ha s c o m m u n i c a t i o i l s e l e c t r o n i cs u r v e y i n g i n s t r u m e n t a t i o n a u t o c o n t r o l e t c b u tt h e a p p l i c a t i o no fo n c h i pf i l t e r si sa l w a y si nt h el o wf r e q u e n c y a n db e c a u s et h el a c ko f t h es o l u t i o no fw i d eb a n df i l t e r i n g i ti sr e a l l yu s e di nar e a lp r o d u c t n o to n l yt h e r e a l i z a t i o nc i r c u i ta n dt y p i c a la p p l i c a t i o no ft h eh i g h l i n e a ro t a cf i l t e r b u ta l s o i n v e s t i g a t et h ed e s i g np r i n c i p l e m e t h o d sa n dr e a l i z a t i o nc i r c u i to fh i g h o r d e rf i l t e r h a db e e ns t u d i e di n t e n s i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n a s1 0 n ga sc o m b i n e dw i t ht h ee o c p r o d u c t t h ef i l t e rd e s i g n e di nt h i sp a p e rw i l lf i l l i nt h eb l a n ko fw i d e b a n df i l t e r d e s i g nf i e l d t h e r ei sa6 也o r d e rc h e b y s h e vl o wp a s sf i l t e rp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w h i c hf u l f i l lt of i l t e rt h ef r e q u e n c i e sl a r g e rt h a n5 0 m h z i ti su s e di nt h ee o c e t h e m e to v e rc o a x s y s t e m t h ee o cc a nr e a l i z et h ec o m b i n a t i o no fe t h e m e ta n d t vs i g n a l si nt oo n l yo n ec a b l e s oa st os i m p l i f yt h er e m o d e l i n go fn e t w o r ko fc a b l e t e l e v i s i o n t 1 1 i st e c h n i q u ec a l lp r o v i d et h ed a t aa n dv i d e os e r v i c es i m u l t a n e o u s l yt o l o c a lr e s i d e n c ea n ds m a l lb u s i n e s sd i s t r i c t w h i c hw i l lb ew a r mw e l c o m e db yt h e m a r k e t a sl o n ga st h et e c h n i q u eo fo t a d e s i g n i n gi m p r o v e s t h eo t a cf i l t e rc a m e i i lt ob e i n g 眦ss t r u c t u r ei so n l yc o m b i n e dw i t ho t a sa n dc a p a c i t o r s b u ti tc a l l p e r f o r mt h et r a n s f e rf u n c t i o nw e l le n o u g h n o to n l yt h er e a l i z a t i o nc i r c u i ta n dt y p i c a la p p l i c a t i o no ft h eh i g h l i n e a ro t a c f i l t e r b u ta l s oi n v e s t i g a t et h ed e s i g np r i n c i p l e m e t h o d sa n dr e a l i z a t i o nc i r c u i to f h i g h o r d e rf i l t e rh a db e e ns t u d i e di n t e n s i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n a tf i r s t t h em o s m o d e li si n t r o d u c e da sw e l la sc o u p l eo fk i n d so fb a s i ca n a l o gc i r c u i t sf o r m e db y m o s f e l s t h e nt h ec o n s t r u c t d e s i g n a n da p p l i c a t i o no fc m o so p e r a t i o n a l t r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r sh a v eb e e ns t u d i e dw i d e l ya n dd e e p l yi n t h et h e s i s b e c a u s et h ep a r a m e t e r so fm o s f e t sa r en o tf i x e db e c a u s eo ft h ev a r i a t i o no ft h e p r o c e s s i ti sn e c e s s a r yt oa d ds o m et u n i n gm e c h a n i s m si nt h ec i r c u i tt oc o v e rt h e p r o c e s sv a r i a t i o n t w ok i n d so ft u n i n gm e c h a n i s m sa r ep r e s e n t e d i n d i r e c tt u n i n ga n d d i r e c tt u n i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h es i m p l i c i t yw ec h o o s et h ed i r e c tt u n i n ga n d m a k eat e s to nt h e6 mo r d e rc h e b y s h e vf i l t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e f r e q u e n c yr e s p o n s ec a i lm e e tt h er e q u i r e m e n t i nt h el a s tc h a p t e r w et a l ka b o u tt h el a y o u td e s i g no fo t a cf i l t e r m a i n l ya b o u t t h em a t c h i n gi s s u e so fd i f f e r e n t i a lb l o c k sa n dt h ef l o wp l a no fp o w e rs u p p l y a n da l l t h e s el a y o u tt r i c k sw e r eb e i n gu s e di nt h el a y o u to f6 mo r d e rc h e b y s h e vl o wp a s s f i l t e r k e y w o r d so t a ca c t i v ef i l t e r t r a n s c o n d u c t a n c eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r f r e q u e n c y t u n i n gm e c h a n i s m h i g hb a n d w i d t hf i l t e r s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 斑眺掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 导师签名 玉边2 尘日期 举 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1全集成连续时间滤波器研究意义及历史背景 与现实世界相互通信的系统中 系统的信号处理能力往往与噪声和干扰相联 系 而滤波器又是这种系统中不可或缺的器件 它能以特定的方式使有用的信号 频带通过 阻碍或者衰减噪声和其它干扰频率分量 虽然现代数字信号处理的技 能越发成熟 集成电路中一部分电路有可能放到数字部分去完成 1 但由于通信 系统始终与现实世界有信号交互 模拟滤波器依旧有其用武之地 2 在模拟环境 中 就会经常用到连续时间滤波器 它是一种应用非常广泛的信号处理系统 在 通信 航空航天 自动控制等方面有着重要的作用 3 5 1 所以对于全集成连续时 间滤波器的研究能促进整个片上系统的发展 以满足各种不同应用领域对滤波器 的不同需求 掌握滤波器的设计方法能极高的提高系统的灵活性 从而发挥系统 自定义的优势 最原始的滤波器是由电阻 电容 电感等无源器件的组合产生的 6 7 其优 点是噪声低 不用电源支持 品质因数q 值一般为几百 6 但在频率很低时 无 源器件的标称值会变的很大 导致了体积和重量变大 价格升高 而且不便于集 成 2 0 世纪5 0 年代人们发现 用有源电路来代替体积大而且价格昂贵的电感可 以大大地减小电路的面积 降低电路的成本 所以随着集成电路的发展 片上有 源滤波器的实现越来越成为手持设备等产品所需的必要解决方案 7 1 2 0 世纪6 0 年代中期 高质量的有源器件如运算放大器开始出现 这就使有源滤波器的实现 成为可能 而近年来 随着通信技术的提高 尤其是移动通信技术和计算机技术 的发展 高频的全集成连续时间有源滤波器的设计也己成为模拟集成电路设计领 域的研究重点之一 这种滤波器有体积小 动态范围大 功耗低 成本低等优点 上世纪8 0 年代以来 滤波器进入了全集成系统发展的辉煌时期 1 9 8 3 年 用晶 体管的线性区实现压控电阻 从而建立了m o s f e t c m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r c 金属氧化层半导体场效晶体管 电容 滤波 i 器r 1 9 1 9 8 4 年 用m o sv l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s 超大规模集成电路 技术实现了 o t a c 跨导运算放大器 电容 滤波器 信号频带范围的提高使传统的有源r c 滤 波器的设计变得困难 而由于o t a c 滤波器良好的高频特性使之成为现今高宽 带滤波器设计的首选方案 经过近一百年的演变 滤波器的结构也有很大变化 由于功能不同 应用的 频带范围不同 性能要求不同 处理信号的种类不同 按照其历史发展流程 常 用的连续时间滤波器种类可以分为无源r c r l c 等滤波器 有源r c 滤波器 北京工业大学工学硕士论文 m o s f e t c 滤波器 o t a c 滤波器等 1 1 1 无源滤波器 所谓的无源器件就是在不需要外加电源的条件下 就可以显示其特性的电子 元件 最简单的线性滤波器的电子实现是电阻 电感和电容这些无源器件的组合 这些滤波器有r c r l l c 和r l c 等多种形式 7 所有这些类型的滤波器总称 为无源滤波器 这种滤波器一般用在片外系统 与后面将提到的集成芯片内部的 滤波器相对应 表i i几种无源滤波器结构 t a b l e1 1 t h es t r u c t u r eo f s o m ek i n d so f p a s s i v ef i l t e r s 结构典型电路图 i 圮滤波器 v i n c 三v 0 1o o r l 滤波器 v i n 甚l 三v oo o l c 滤波器 vi 王c三voc o r l c 滤波器 三蹬 1 1 2 有源r c 滤波器 有源r c 滤波器是由运算放大器 电阻和电容组成 如图1 1 和图1 2 所示 分别为有源r c 的低通和高通滤波器结构 2 第1 章绪论 r 2 图1 1 有源r c 低通滤波器 f i g 1 1a c t i v er cl o w p a s sf i l t e r c v h 叫 v o 蟛 图l 2 有源r c 高通滤波器 f i g 1 2a c t i v er ch i g h p a s sf i l t e r 当运算放大器的增益达n 定的值 可以认为运算放大器负端输入端虚地 交流信号通过时 通过电容电阻的作用产生滤波作用 在不考虑运算放大器失调 的情况下 能够求得两种滤波器的传输函数见式 1 1 和 1 2 o 丽v o s 雨r j 面r 1 1 h h p s 丽v o s 2 两s r 面c 1 2 1 1 3m o s f e t c 滤波器 在实现可调谐的滤波器中 m o s f e t c 可以很容易的用运算放大器 电容以 及由m o s 管构成的有源电阻来实现 同时 它的结构与有源r c 滤波器的结构 基本一样 8 9 可以用工作于线性区的m o s 管来作为压控电阻代替一般有源r c 滤波器中 无源电阻r 当改变m o s 管的栅极电压 m o s 管的电阻值随之改变 也就同时 改变了滤波器的积分器的时间常数 从而可以调节滤波器的转折频率 如图l 一3 所示的为基本m o s f e t c 滤波器结构 北京工业大学工学硕士论文 c v o c 图1 3m o s f e t c 滤波器 f i g i 3m o s f e t cf i l t e r 它的一个主要问题是失真问题 在这里可用一组晶体管代替单个的品体管来 消除失真 然而 即使采用了这样的措施 其工作频率也不会太高 主要是运算 放大器限制了其工作频率 1 1 4o t a c 滤波器 这种滤波器结构是本文将要详细介绍的 这种滤波器适应了现代通信电子 高集成度集成电路 消费电子等对于高带宽 便于集成等特点的要求 o t a c 滤波器比前面讨论过的滤波器有许多优点 最主要的是它有较低的 功耗和较高的应用频率 这种滤波器由跨导o t a 和电容c 组成 被普遍应用于 高频领域 例如在通信系统中 滤波器是非常重要的组成部分 在射频 i 疆 接收 系统中 天线的输出紧跟射频预选择滤波器 p r e s e l e c tf i l t e r 混频器前需要镜 像反射滤波器 i m a g e r e j e c t i o nf i l t e r a d a n a l o g t o d i g i t a l 转换前需要经过信 道选择滤波器 c h a n n e ls e l e c t i o nf i l t e r 和抗混叠滤波器 a n t i a l i a s i n gf i l t e r 另一 个典型的应用是计算机中的硬盘驱动系统 在从硬盘中读取数据的时候 必须要 有一个均衡滤波器 e q u a l i z a t i o nf i l t e r 以提供延迟补偿 减小信号间的干扰 上述这些滤波器的共同点是它们都工作在非常高的频率上 范围可能从几兆赫兹 到几百兆赫兹 甚至达到几十吉赫兹 首先 由于o t a 可以工作在开环状态 滤波器频率可以拓展到高频 其工 作频段可以达到1 0 0 m h z 甚至更高 而典型的电压运算放大器的带宽仅为1 m h z 其次 o t a 的跨导增益本身作为设计参数出现在滤波器的设计中 而跨导参数 可以经过外部电压或者电流控制 因而o t a c 滤波器可实现电子控制 再次 o t a 功能强大 可以用它来设计几乎所有的线性和非线性电路 且电路结构简 单 o t a c 滤波器可以完全采用现代大规模的c m o s 工艺制造 所以现在此种结 构的滤波器在高带宽的集成电路领域应用最为广泛 如图1 4 所示 一种典型的o t a c 滤波器结构 通过改变输出的端口 可 以实现低通 带通等不同的传输特性 4 第1 章绪论 v 图1 4 一种典型的o t a c 滤波器结构 f i g 1 4at y p i c a ls t r u c t u r eo fao t a cf i l t e r 1 2国内外文献综述 随着现代通信技术 特别是移动通信技术和计算机技术的发展 高频高带宽 全集成有源滤波器的设计成为电路与系统领域的研究热点之一 它主要具有动态 范围大 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高及成本低等优点 而集成电路工艺 尺寸的缩小 集成度的提高 对于滤波器的设计也提出挑战 怎样在低电压下也 保持一定的线性度 怎样在去掉板上电阻电感的传统滤波器模式下设计出能满足 频率要求又不使信号失真的全集成有源滤波器一直是现代集成电路片上滤波器 设计的研究课题之一 目前 国际上已经有大量的跨导运算放大器及其电路得到 了广泛研究 并且许多学者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 1 0 2 4 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其应用电路 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 c 有源滤波器 2 引 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 2 6 1 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 跨导运算放大 器 与传统的双极o t a 相比 c m o s 跨导运算放大器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 而且能获得较大的输入信号范围 但m o s 管存在着非线性关系 如何设计高性能c m o s 跨导运算放大器一直是电路设计 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 2 7 1 t o r r a n c e 等人进一步详细讨论设计c m o s 跨导的电路结构 线性技术和温度补偿技术 2 引 t s i v i d i s 等人通过在跨导差分耦合间附加偏执晶体 管 获得了高线性度的跨导 2 9 在此基础上 又提出了交叉耦合跨导的新方案 大大消除了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 3 w u 等人通过附加电流加法技术改进了跨导的线性度 3 1 1 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 3 2 1 得到全对称c m o so t a 电路 改善 北京工业火学工学硕士论文 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 3 3 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 3 4 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 3 5 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 3 6 1 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器件设计全集成连续时间跨导电容滤波器 的奠基人和带头人 研究o t a c 滤波器对于全集成滤波器能建立一个清晰的认识 并能掌握高 带宽滤波器的设计精髓 对于实验室项目的长足发展有深远的意义 所以o t a c 滤波器的设计是从项目需要的角度上选择的题目 能完善实际电路设计中的理论 基础 1 3 国内外研究现状及挑战 2 0 0 6 年黄文昌和s a n c h e z s i n e n c i o e 一同设计出一种高线性度的o t a 用于 o t a c 滤波器的设计 其三阶交调在2 6 m h z 时为 7 0 d b t 3 7 e l m a l a m 和c a r l t o n b 仅用1 3 5 m w 功耗就完成了一个增益可调的6 阶椭圆滤波器 并带有9 0 n m 工 艺下的直流偏差消除技术 3 8 1 j o v a n o v i c s 和n e s i c a 于2 0 0 5 年实现了用于高带 宽应用如卫星 同轴电缆等数据传输中的带通滤波器设计 3 9 张亚 黄克平于2 0 0 9 年发表的文章当中设计了一种工作在低频段且q 值在 0 1 0 之间的常用二阶模拟带通滤波器 4 0 1 杨鹏设计了一种二阶带通连续时间 滤波器 b p f 采用0 5 1 x r nn 阱c m o s 工艺设计 在c a d e n c es p e c t r e 环境下进行了 电路仿真 结果表明 该滤波器的中心频率3 8 k h z 带宽6 k h z 通带增益1 6 d b 且均 匀可调 可用于红外接收芯片中 4 1 1 从总体上来看 国内的模拟滤波器研究成果较少且工艺陈旧 从带宽上来看 高带宽的应用比较少 并且大部分的设计是基于仿真 并未能真正生产成产品去 检测其性能 所以国内的连续时间滤波器的研究还有很大的进步空间 当然这些 发展需要有足够的理论和条件支持 譬如嵌入式实验室的e o c 项目 需要设计 滤波器来满足片上自定义系统的要求 以此来推动滤波器研究的发展 所以本文 提到的滤波器设计指标在国内水平当中处于领先地位 且如此高带宽的应用在国 际模拟信号处理领域中也是比较罕见的 如何权衡滤波器的各方面性能指标 如带宽 功耗 线性度等 如何设计调 谐电路来规避工艺偏差带来的误差等因素都是现在滤波器设计领域中所面临的 挑战 针对国内模拟电路设计领域 没有强大的应用诱因支持也是滤波器设计落 6 第1 章绪论 后于国外的一大原因 1 4本文主要研究内容 本文主要研究o t a c 滤波器的原理与实现方法 电路结构和应用领域 提 出和分析一种基于跨导运算放大器的6 阶c h e b y s h e v 低通滤波器设计 研究全集 成连续时间滤波器中o t a 的作用及性能 分析出o t a 对于滤波器的影响 并给 出多种电路的设计实例和晶体管级仿真 s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i t e m p h a s i s s p i c e 结果 本文有两个研究重点 一是如何设计一个o t a 以满足高 性能滤波器的要求 二是如何设计一个o t a c 滤波器 1 5本文结构 第一章 给出全集成连续时间滤波器的研究背景以及现状 从集成电路发展 趋势的角度阐述研究o t a c 滤波器的必要性 第二章 介绍m o s 晶体管的模型以及组成的基本电路单元 模拟电路的设 计就是由这些单元构成的 所以应该对它们先有个总体的认识 才能设计出更复 杂的电路 为后面提出o t a 的结构打下基础 第三章 介绍o t a 电路原理及实现方法 分析不同的结构各自的优缺点 给出针对线性度 失调等参数的改进型电路 提出基于o t a 的各种基本电路单 元 如模拟电阻 增益可控放大器 回转器和压控模拟电感 第四章 提出o t a c 结构的二阶的滤波器 研究传输函数的实现流程 如 信号流图法 l c 梯形电路法 有源r c 网络法等 各自给出二阶的滤波器仿真 环境和仿真结果 分析o t a c 高阶有源滤波器的电路结构 工作原理 设计算 法 并以设计的6 阶c h e b y s h e vo t a c 低通滤波器为例来介绍不同的实现方法 对该6 阶滤波器进行s p i c e 仿真 通过可选控制字的调节 能满足转折频率在 很宽的范围内变化 第五章 分析o t a c 滤波器版图设计中的要点 以滤波器的版图为例介绍 版图绘制中的一些需要注意的问题 如差分电路的失配问题 电源的布线技巧 闩锁效应原理及防治 介绍o t a 的版图以及6 阶o t a c 有源滤波器的版图 从 电源和布局等方面来阐述版图绘制中的技巧 给出滤波器的版图 7 北京工业大学工学硕上论文 第2 章 m o s 晶体管模型分析和c m o s 集成电路研究 在过去的几年里 c m o s 技术已显示了在几十g h z 频率范围工作的能力 逐渐的打破了关于c m o s 器件是低速度和高噪声的观念 而m o s 晶体管具有制 造工艺简单 集成度高 抗噪声能力强以及静态功耗低等特点 使之迅速成为上 世纪8 0 年代以来集成电路芯片中的重要器件 本文中的电路全是基于这种工业 界主流的器件模型 在c a d e n c e 的平台下进行设计及仿真 c m o s 的基本工作原 理及工作状态对于各种电路的理解至关重要 因此在这一章将介绍m o s 管的模 型及基本电路单元 2 1m o s 管模型分析 传统的m o s 晶体管是以硅作为衬底材料 以二氧化硅为绝缘层 以金属铝 或重掺杂的多晶硅为栅 所以称为金属一氧化物一半导体场效应管 如图2 1 所 示为n m o s 管的结构图 4 2 1 g 图2 1n m o s 器件结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f n m o sf e t 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 中的m o s 有个特点是栅极不加电压时 栅氧化层下面不存在 n 型导电沟道 只有当栅极上加一个正电压v g s v t 阈值电压 才在源 漏 之间的p 型材料表面形成了一个导电沟道 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 其主要特点是栅极不加电压时 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形成耗尽型场效应管 在同一衬底上 生成p 沟m o s 场效应管和n 沟道m o s 场效应管 这种结构和工艺通常称为c m o s 电 第2 章m o s 晶体管模型分析和c m o s 集成电路研究 i i i i 一 i l i l l 路结构与工艺 由于c m o s 电路结构简单 静态功耗小 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 以n m o s 管为例 分析m o s 管的两个最重要的特性 即大信号和小信号特 性 2 1 1m o s 管的大信号模型 m o s 管的大信号模型特性可以用它的电流方程来描述 n 型m o s 管的电流 方程为 4 2 1 如 f 孚醌蚓 等 2 1 l0 巧 其中 厶为漏极电流 为栅源电压 为漏源电压 i v 三为沟道的宽 度和长度 k 为跨导 它等于载流子的沟道 k t l 移率 1 0 与单位面积栅电容c d 的乘 积 即k 1 c d 而巴可写成c d 住 其中 8 8 5 x 1 0 1 2 f m 1 为真空中 的介电常数 3 9 为s i 0 2 氧化层的相对介电常数 k 为氧化层的厚度 巧为 阈值电压 可写成 咋 吃 丽一屈 2 2 式 2 2 中 n m o s 取 p m o s 取 一 是 0 时的阈值电压 为体 效应系数 典型数值为0 3 4 7 西为强反型区表面势 此时 可以将m o s 管分 为三个工作区域 截止区 碍 且 巧 且 一巧时 饱和电流为 厶 譬 巧 2 5 在饱和区 增大时 如几乎不变 当考虑二级效应沟道长度调制效应时 饷和区电流为 9 北京工业大学工学硕上论文 易 等 一巧 2 1 ia i 2 6 二l 式中a 为调制因子 对于m o s 管a 的典型值为0 0 1 v 0 0 2 v 图2 2 为m o s 管漏电流与漏源电压的关系 不同功能作用的m o s 管工作 在不同的区域 例如开关关断时工作在截止区 用m o s 管做的可变电阻工作在 可变电阻区 镜像电流源工作在饱和区 而这些工作区域的选择又是通过调节 m o s 管尺寸来调节漏电流与栅源电压之间的关系实现的 所以对于三种大信号 工作状态的了解是学习m o s 模拟集成电路设计当中首先需要牢记的东西 d r a i nt os o u r c ev o l t a g e v 图2 2 漏电流与漏源电压的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n oa n d 2 1 2m o s 管的小信号模型 当输入信号的幅度比电源电压小很多时 即在直流偏置工作点附近变化的时 候 可以近似认为器件工作于m o s 管的直流工作点的线性区 这种小信号的分 析对设计模拟集成电路是必要的 大信号特性用于确定器件的直流工作点 小信 号特性用来设计器件和电路的性能 m o s 管的小信号模型可以直接由直流模型 导出 大多数情况下m o s 管被偏置于饱和状态 对于n m o s 管 由伏安特性关 系可得直流工作点附近的跨导和输出电阻分别为 舻烈2 孚c v r x l l a 2 孚删删坨l 口 2 7 2 去 2 者二掣l 口 p 8 铲i 2 可2 产l r 2 嗡 a j 口 式 2 7 和 2 8 中的厶是漏极直流电流 由此可以看出r a 与厶成反比 岛与 j d 的平方根成正比 c o s c o n c d s 分别是栅源 栅漏及漏源之间的寄生电容 1 0 1l仁 jgliqj日 lc芒暑u c 趸q 第2 章m o s 品体管模型分析和c m o s 集成f 乜路研究 则m o s 管的饱和区交流小信号模型见图2 3 当电路工作在低频时可以不考虑 这些电容的影响 此时的小信号简化模型如图2 4 所示 e g o g d 图2 3m o s 管的交流小信号模型 f i g 2 3a c s m a l ls i g n a lm o d e lo fm o s f e t g d s 图2 4 低频时m o s 管的交流小信号模型 f i g 2 4a cs m a l ls i g n a lm o d e lo fm o s f e t i nl o wf r e q u e n c y 2 2 m o s 模拟集成电路基本单元 m o s 管的作用很多 有很强的移植性 由于其独特的工作状态 不同的结 构可以生成电阻 二极管 电容和电流镜等不同的基本元件 而模拟电路设计又 是基于这些基本元件的 在某种程度上 适当的用m o s 管组成的元器件能大大 的减小芯片的面积 例如如果电阻值不需要很精确但值很大 则可以用m o s 电 阻代替用多晶硅形成的电阻 如果作为电源耦合作用的电容 用m o s 电容代替 其它电容 可以增大电容值从而减小占用面积 2 2 1m o s 电阻 在集成电路中 为了降低功耗及增加电阻的准确性 一般使用m o s 电阻代 替扩散电阻 以获得直流电阻及小信号交流电阻 结构最为简单的m o s 电阻如 图所示 其中图2 5 a 为n m o s 电阻 图2 5 b 为p m o s 电阻 图2 5 c nm o s 电阻的伏安特性曲线 2 2 1 1m o s 直流电阻 作为直流电阻 m o s 管的伏安特性曲线是非线性的 所以有源直流电阻是 北京工业大学工学硕上论文 非线性的 它的直流电阻反映在静态工作点的电流场对应所产生直流电压 a n m o s 电阻 a n m o sr e s i s t o r 2 2 1 2m o s 交流电阻 b p m o s 电阻 c m o s 电阻的i v 曲线 b p m o sr e s i s t o r c i vc u co fm o s r e s i s t o r 图2 5m o s 有源电阻 f i g 2 5m o s a c t i v er e s i s t o r 如图2 5 所示 因m o s 管的栅极与漏极相连 只要v d s 吩 m o s 管就工 作于饱和区 电流电压关系为 厶 鲁 一v t 2 y 巧 而2 1 1 m 那么 小信号电阻为 a 矿三 r 一 一 甜k7 w v 巧 2 2 2c m o s 电流镜 2 9 2 1 0 2 1 i 基本c m o s 电流镜如图2 6 所剥4 2 1 其中 a 为n m o s 电流镜 b 为p m o s 电流镜 v d d m l i 厶 l m l m 2 m 2 l 口 a 基本n m o s 电流镜 b 基本p m o s 电流镜 a b a s i cn m o sc u r r e n tm i r r o r b b a s i cp m o s c u r r e n tm i r r o r 图2 6 基本c m o s 电流镜 f i g 2 6b a s i cc m o s c u r r e n tm i r r o r 在图2 6 a q 丁 m l 的栅源短接 一 l 所以m 1 总是工作在饱和区 只要 v t m 2 也工作在饱和区 漏极的交流输出电阻很高 这是图 1 2 第2 章m o s 品体管模型分析和c m o s 集成电路研究 2 6 a 作为电流镜的必要条件 在这个条件下 由m o s 饱和区大信号i 特性式 2 1 2 有 x o 彳k 2 w 2 l 一 2 2 1 乞 2 2 1 2 二厶2 厶 华 彬 1 2 1 3 铀 如果m l 与m 2 完全匹配 有k 鹊7 巧 吐或 则 i o w 2 i q 1 如 v d s 2 2 1 4 厶 厶 1 由式 2 1 4 可知 昆与最的比值与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 l 与m 2 的沟道长宽比相等即 蹦尼l 亿2 时 有 i o i r 但实际上 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 管的漏源电压不相等时 会引起电流镜电流跟随误差 但由于沟道调制系数九很小 所以误差也很小 设计电流镜的时候尽量把沟道长 度取大一点 来规避沟道调制效应的影响 从而减小电流镜像的误差 2 2 3 带源极负反馈的共源级放大器 带源极负反馈的共源级放大器的介绍是为了介绍第三章跨导运算放大器的 线性化处理做准备 在一些应用中 往往希望对漏电流与过驱动电压之间的平方关系引入额外的 非线性来软化器件的特性曲线 对于共源放大器 可以用二极管连接的m o s 管 做负载的来使之线性化 另外一种方法就是通过用一个 负反馈 电阻串联在晶 体管源端来实现 如图2 7 所示 v n n a 电路结构 b 小信号结构 a t h es t r u c t u r eo fc i r c u i t b s m a l ls i g n a lm o d e l 图2 7 带源负反馈的共源级 f i g 2 7c o m m o n s o u r c ew i t hs o u r c ed e g e n e r a t i o n 随着v i n 增加 i d 也增加 同样在r s 上的压降也会增加 也就是说 输入电 1 3 北京工业大学工学硕士论文 压的一部分出现在电阻r s 上而不是作为栅源的过驱动电压 变的平滑 电路的等效跨导可以由下面等式得出 假设i d 是v o s 的函数 有厶 厂 可以得出 g 盟 旦盟 a a y 舀a 圪 因为 吆一 可得象 1 r sd a i y 于是 因此导致i d 的变化 2 1 5 瓯 1 一b 瓦a i 瓦a f 2 1 6 其中老 g 卅为m 的跨导 故而g m 再囊万 在0 电流时 云1 b 则 g 册 g 当过驱动电压增大 g m 变大 由于负反馈效应 反馈因子l g b 变 大 足够大时 瓯接近于1 咫 2 3 本章小结 本章介绍了m o s 管的模型 大信号小信号分析 给出了各种不同工作状态 下的电流电压关系 介绍了各种不同工作状态下的m o s 管的应用 第二节阐述 了由m o s 管组成的基本电路单元 如有源电阻 电流镜 带源极负反馈的共源 级 为研究和分析跨导运算放大器的电路结构打下基础 1 4 第3 章跨导运算放大器的实现及基本原理和应用 第3 章跨导运算放大器的原理 应用及实现 跨导运算放大器是一种电压转电流的放大器结构 增益为跨导 从网络角度 看 电子放大器是一种线性受控电压源 按照控制量 被控制量是电压还是电流 划分 存在四种受控源 即人们熟知的电压控制电压源 v c v s 电压控制电流 源 v c c s 电流控制电流源 c c c s 和电流控制电压源 c c v s 与之对应的是电 子放大器也应该有四种类型 即电压型 跨导型 电流型和跨阻型 这四种放大 器的关系是各有所长 各有所用 互相补充 共同发展 跨导运算放大器是将电压输入信号放大 提供电流输出信号 是一种电压控 制的电流源 跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值 量纲为电导 单 位为西门子 s 由于决定增益的输出电流和输入电压不是在同一节点测量的 而是分别在输出端和输入端测量的 因此称其增益为跨导