模拟集成电路设计4-2.ppt

1 模拟集成电路设计 第4章 提纲 4 1MOS开关4 2MOS二极管 有源电阻4 3电流漏和电流源4 4电流镜4 5基准电流和电压4 6带隙基准4 7小结 第4章模拟CMOS子电路 目标 研究用于CMOS模拟电路的子电路 设计层次 2 第4章 设计层次运算放大器模拟电路的分层次图例 3 第4章第1节 目的 研究与CMOS集成电路兼容的开关特性 4 1MOS开关 4 4 1 MOS开关 理想开关导通时短路 关断时开路 一 开关模型 实际开关 实际开关 5 4 1 MOS开关 二 MOS晶体管开关 1 MOS开关导通特性 在导通状态 vDS很小 vGS很大 可以假设MOS工作在非饱和区 由 得 5 4 1 MOS开关 二 MOS晶体管开关 在关断状态 vGS vT MOS工作在截止区 6 4 1 MOS开关 三 MOS开关电压范围 如果MOS开关用于连接两个电路 其模拟信号在0 1V的变化范围 那么 开关导通工作 体 栅电压必须取值多少 为了确保体 源和体 漏PN结反偏 体电压必须比NMOS开关的最小模拟信号小 为了确保开关导通 栅极电压必须比NMOS开关的最大模拟信号和阈值之和要大 遗憾的是 大的反偏体电压会导致阈值电压的增加 7 4 1 MOS开关 VDD VT 如果VB 0 VG VDD 保证开关导通 开关端允许模拟信号的最大值是多少 8 4 1 MOS开关 四 NMOS开关电流 电压特性及导通电阻 图中的曲线并不关于V1 0对称 8 4 1 MOS开关 四 NMOS开关电流 电压特性及导通电阻 W L越大 rON越低 9 4 1 MOS开关 1 导通电阻影响 例 假设VC 0 0 VG ON 5V TH 0 1us C 10pF 在T充 5条件下 MOS开关的W L T充 5 解 RON 又 说明 用最小尺寸开关充电芯片电容相对比较容易 开关电阻在开关工作时实际上不是常数 问题比上述情况复杂得多 五 MOS开关导通电阻和关断状态的影响 有限的导通电阻 10 4 1 MOS开关 2 关断状态的影响 主要是从开关终端流到地面的电流 所以 采样保持电路中CH应足够大 11 4 1 MOS开关 六 寄生电容的影响 寄生电容有两个影响 1 研究电荷注入的模型 开关端与地的寄生电容增加电容值 CBD CBS 使用杂散 不敏感的开关电容可以解决 栅 源 栅 漏寄生电容造成电荷注入 电荷馈通 可以减少 但不能消除 12 4 1 MOS开关 2 电荷注入 时钟馈通 电荷馈通 电荷注入是一个复杂的分析 更适合于计算机分析 定性了解如何减少电荷注入效应 什么是电荷注入 当栅 源 栅 漏电容间有电压变化 将流过电流 当开关关闭 电荷注入将发生在连接到开关终端的电容 CL 造成电压变化 电荷注入有两种情况 取决于开关关闭时的转换率 1 慢跃变时间 2 快跃变时间 13 4 1 MOS开关 1 慢跃变时间 在A B的转换期间 电荷注入被低阻电源vin吸收 当VG vin VT B点 开关关断 从B C开关关断 但栅电压在改变 结果电荷注入发生在CL上 14 4 1 MOS开关 2 快跃变时间 对于快跃变时间 过渡的速度快于通道时间常数 所以在A B期间 尽管晶体管开关尚未关闭 一些电荷就注入到CL了 15 4 1 MOS开关 3 电荷注入的量化模型 将栅极电压近似为量化阶梯波形如下 沟道时间常数决定了电容CL在每个电压步骤是否满充 略 16 4 1 MOS开关 4 近似电荷注入的分析表达式 假设栅极电压从VH到VL变化 其中 U是vG t 的斜率 定义 所以 又 电荷注入引起的误差 1 慢跃变时 2 快跃变时 略 17 4 1 MOS开关 P98例4 1 1电荷馈通误差的计算 情况1 U 5V 0 2ns 25X109 2 66X109属快跃变 Verror 19 7mV 情况2 U 5V 10ns 5X108 2 66X109属慢跃变 Verror 10 95mV 说明 不要期望从误差公式得到关于电荷馈通量的精确答案 相反 它们只是帮助了解各种电路元件和端口的条件的影响 以便在设计技术中最大限度地减少不必要的行为 略 18 4 1 MOS开关 5 解决电荷注入的方案 1 使用最小尺寸的开关 以减少重叠电容 增加CL 2 使用虚拟补偿晶体管 需要一个互补时钟 完全消除是困难的 实际上可能会在其他方面产生问题 18 4 1 MOS开关 5 解决电荷注入的方案 3 使用互补开关 19 模拟集成电路设计 第4章第2节 4 2MOS二极管 有源电阻 20 4 2 MOS二极管 有源电阻 当MOS管的栅极和漏极接在一起 其特性类似于一个PN结二极管 一 MOS二极管 请注意 当栅极连接到增强型MOSFET的漏极 该管总是工作在饱和区 增强型MOSFETVT 0 所以VDG 0满足饱和条件 nmos pmos 21 1 大信号特性 二 MOS二极管的特性 忽略沟道调制 2 小信号特性 小信号模型是大信号模型在工作点的一种线性化 4 2 MOS二极管 有源电阻 22 1 从偏置电流获得偏置电压 三 MOS二极管的应用 4 2 MOS二极管 有源电阻 22 三 MOS二极管的应用 2 从电源获得偏置电压 4 2 MOS二极管 有源电阻 23 3 实现浮动电阻 假设是小信号 vDS很小 管子工作在非饱和区 电阻值的范围大 但却是非线性的 4 2 MOS二极管 有源电阻 24 模拟集成电路设计 第4章第3节 4 3电流漏和电流源 25 1 描述特性的两个量 4 3 电流漏和电流源 一 电流漏和电流源特性 rout 输出电阻 衡量电流源 漏的 水平度 不依靠电压 VMIN 最小电压 漏源间电压必须大于VMIN电流源 漏正常工作 2 电流漏 25 4 3 电流漏和电流源 一 电流漏和电流源特性 3 电流源 期望rout VMIN 26 1 利用负反馈增加输出电阻 4 3 电流漏和电流源 二 电流漏和电流源输出电阻的增加 由等效电路 2 增加输出电阻的简单电流漏 27 3 共源共栅电流漏 4 3 电流漏和电流源 由等效电路 因为 所以 28 4 3 电流漏和电流源 由上图可知 简单电流漏 源的输出电流受Vout影响 减小VMIN很重要 29 4 3 电流漏和电流源 三 栅 源匹配原理 1 如果两个管的栅 源电压相等 并且匹配 工作在饱和区 那么 电流与管子的W L比率相关 29 4 3 电流漏和电流源 三 栅 源匹配原理 2 如果两个管子的漏极电流相等 并且匹配 工作在饱和区 那么 栅 源电压与管子的W L比率相关 注意 理想情况必须vDS1 vDS2 30 问题 VMIN太大解决 采用高摆幅共源共栅电流漏减小VMIN 4 3 电流漏和电流源 四 标准共源共栅电流漏 31 4 3 电流漏和电流源 五 高摆幅共源共栅电流漏 所以 问题 vDS3 vDS1 iout IREF解决 采用改进的高摆幅共源共栅电流漏 根据匹配原理 32 M5与M3串联 使M3和M1的漏极电压相等 因而消除了由沟道长度调制效应产生的误差 4 3 电流漏和电流源 六 改进的高摆幅共源共栅电流漏 33 模拟集成电路设计 第4章第4节 4 4电流镜 34 电流镜基本上只是一个电流放大器 理想特性的电流放大器是 输出电流正比于输入电流iout Aiiin输入电阻为零输出电阻无穷大另外 VMIN不仅适用于输出 而且还适用于输入VMIN in 是输入电阻不够小的vin的范围VMIN out 是输出电阻不够大的vout的范围 4 4 电流镜 一 电流镜的特点 如图 35 假设 4 4 电流镜 二 简单的MOS电流镜 那么 如果晶体管匹配 如果 那么 因此 误差来源于 1 2 M1和M2不匹配 36 4 4 电流镜 三 影响电流比的因素 1 沟道调制参数 的影响 2 器件失配的影响 3 器件宽长比误差的影响 37 如果管子匹配且宽长比一致 那么 4 4 电流镜 1 沟道调制参数 的影响 请注意 人们可以利用这一效应测量 由此可见 电流镜应该有相同的漏源电压和大的输出电阻 小 电流比误差与漏压差的关系 38 假设 4 4 电流镜 但 定义 那么 则有 假设上式中跟在1后面的变量都很小 那么 只保留一阶乘积项 得到 2 器件失配的影响 39 4 4 电流镜 2 器件失配的影响 40 4 4 电流镜 例4 4 1 假设L1 L2 W1 5 0 05 W2 20 0 05 求比例误差 3 器件宽长比误差的影响 41 4 4 电流镜 这时 W1 5 0 05 W2 4 5 0 05 版图技术解决器件宽长比误差的影响 42 4 4 电流镜 四 简单MOS电流镜 放大器性能综述 由于电流增益精度不高 如何改善性能 43 4 4 电流镜 五 改进的电流镜 提高输出电阻 由P104 4 3 6式 标准共源共栅电流漏 44 4 4 电流镜 威尔逊电流镜 45 4 4 电流镜 改进的威尔逊电流镜 漏栅连接 栅接偏置 P102 4 2 3 46 4 4 电流镜 2 最小输入输出电压的减小 W L VI MIN V MIN 标准共源共栅电流漏 47 4 4 电流镜 威尔逊电流镜 W L VI MIN V MIN 48 模拟集成电路设计 第4章第5节 4 5基准电流和电压 49 4 5 基准电流和电压 1 什么是理想的基准电流和电压 一 基准电流和电压的特点 理想的基准电流和电压与电源和温度无关 基准电流和电压比一般源中所要求的更精确和更稳定 2 基准电路的要求 独立于电源独立于温度独立于变化过程独立于噪声和其它干扰 3 基准电压对电源的灵敏度 50 4 5 基准电流和电压 二 简单偏置 基准电路 1 分压式基准电压 51 4 5 基准电流和电压 2 双极型电阻基准电压 52 4 5 基准电流和电压 3 MOS电阻基准电压 53 4 5 基准电流和电压 4 击穿二极管基准电压 简单基准存在电源依赖性 54 4 5 基准电流和电压 1 自举电流源 阈值基准电路 二 自举偏置 基准电路 55 4 5 基准电流和电压 2 基于发射极电压的基准电路 自举基准独立于电源 但存在温度依赖 56 模拟集成电路设计 第4章第6节 4 6带隙基准 介绍一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术 57 模拟集成电路设计 4 6 带隙基准 一 带隙基准的一般原理 对温度求导 用VBE和Vt的温度系数求出理论上不依赖于温度的K值 VBE与电源几乎无关 所以带隙基准与电源电压几乎无关 58 模拟集成电路设计 4 6 带隙基准 二 推导VBE温度系数 1 集电极电流密度 59 模拟集成电路设计 4 6 带隙基准 2 联立上面三式 得集电极电流密度方程 3 T T0时的Jc 4 Jc与Jco的比 5 整理上式得到VBE 6 假设 在T To处求 60 模拟集成电路设计 4 6 带隙基准 三 推导Vt温度系数 61 模拟集成电路设计 4 6 带隙基准 四 推导带隙基准电压增益K 1 为了在To时达到零温度系数 2 可以得到 3 定义因此 4 解得K 5 带隙基