模拟集成电路模拟CMOS子电路

LOGO CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计 第四章第四章 模拟模拟CMOS子电路子电路 CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计 第四章第四章 模拟模拟CMOS子电路子电路 黑龙江大学黑龙江大学 电子工程学院电子工程学院 集成电路设计与集成系统集成电路设计与集成系统 李志远李志远 2015 目录 引言1 MOS开关3 2 MOS二极管 有源电阻4 3 电流源和电流漏4 电流镜5 基准电流和电压3 6 带隙基准4 7 引言引言 子电路是一个子电路是一个CMOS模拟电路设计的方法学课题模拟电路设计的方法学课题 典型的子电路由简单电路组成典型的子电路由简单电路组成 可完成更复杂的电路功能可完成更复杂的电路功能 4 1 MOS开关开关 开关的作用 多路选择 调制 传输门等 理想开关 4 1 MOS开关开关 实际的开关 电压控制开关是一个电压控制开关是一个 三端口网络三端口网络 其中其中A B 端组成开关端组成开关 C端是控端是控 制电压制电压Vc作用端作用端 偏移源和漏电流极性偏移源和漏电流极性 偏移源和漏电流极性偏移源和漏电流极性 是不确定的是不确定的 电容电容CAC和和CBC的影响的影响 称为电荷馈通称为电荷馈通 控制电压控制电压 的一部分会出现在开关的一部分会出现在开关 A B端端 4 1 MOS开关开关 应用MOS管实现开关 导通电阻由导通电阻由rD rS的组合与始终存在的沟道电阻串联组成的组合与始终存在的沟道电阻串联组成 通常通常rD rS的影响很的影响很 小小 所以主要考虑沟道电阻所以主要考虑沟道电阻 沟道电阻的求得沟道电阻的求得 开关导通时开关导通时 0 VDS模拟信号电压最大值阈值电压之和模拟信号电压最大值阈值电压之和 5V VT VGate off 模拟信号电压最小值模拟信号电压最小值 0 4 1 MOS开关开关 NMOS开关的I V特性 晶体管端晶体管端 漏漏 源源 开关起着开关起着源源 开关起着开关起着 VDS过零的转换过零的转换 作用作用 4 1 MOS开关开关 MOS开关的导通电阻 W L越大越大 导通电阻越小导通电阻越小 VGS越大越大 导通电阻越小导通电阻越小 VGS小于小于VT时时 开关断开开关断开 导通电阻趋向无穷大导通电阻趋向无穷大 4 1 MOS开关开关 MOS开关非理想性对性能的影响 非0的导通阻抗 4 1 MOS开关开关 MOS开关非理想性对性能的影响 例 假设电容C 10pF 最初没有充电 如果时钟摆幅为 5V 高电位时间为T 0 1 s 输入端电压为2 5V 请确定 MOS开关的W L以保证电荷转移时间等于5倍时间常数 解 要求RC T解 要求RONC T 已知T 0 1 s 5RONC RON T 5C 0 1 s 50pF 2k 4 1 MOS开关开关 MOS开关非理想性对性能的影响 非0的关断漏电流 开关关断状态的影响 采样保持电路中IOFF影响举例 如果CH不够大 那 么在保持模式中 MOS开关是断开的 漏电流会使CH充 上或放掉相当量的 电荷 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 由于栅到源和漏的耦合电容引起 这个耦合会导致栅极信号 一般是时钟 传送到源极和 漏极节点 引起耦合的因素 版图尺寸源极和漏极节点的阻抗 引起耦合的因素 版图 尺寸 源极和漏极节点的阻抗 栅极的波形 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 当开关闭合时 存储在沟道中的电荷为 当开关断开时 电荷注入到源端和漏端 假设电荷在源漏两端平均分配 那么电 容CL两端电压的变化 电荷注入不影响Vin 因为Vin是电压源 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 电荷随着管子栅极电压 1从高到低的跳变而产生的注入 是令人感兴趣的 栅极电压过渡的两种情况 快跃变时间 慢跃变时间 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 慢跃变时间 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 快跃变时间 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 将栅极电压模拟为分段恒定波形 一个量化波形 并考虑每个跳变过程中电荷的流动 CL电压的变化范围表示管子导通时的工作情况 两种情况中 量化的电压步长是相同的 但是步长间的时间不同 CL两端电压呈指数变化 其时间常数由沟道电阻和沟道电容决定 并不随快 慢情况 而改变 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 慢跃变情况 快跃变情况 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 例4 1 1 了解 4 1 MOS开关开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 避免电荷馈通的解决办法 应用尽可能小的MOS管尺寸 减小交叠电容 增大负载电容增大负载电容 应用dummy补偿晶体管 需要互补时钟 完全消除是困难的 甚至可能会使馈通更严重 应用互补的开关 比如传输门 较小的时钟摆幅 应用差动开关电容电路 相对较好的办法 4 1 MOS开关开关 传输门 NMOS传输门 4 1 MOS开关开关 传输门 PMOS传输门 4 1 MOS开关开关 传输门 CMOS传输门 4 1 MOS开关开关 MOS开关小结 MOS开关的源 漏可置换性 较高的开关断开电阻Roff 适当的开关导通电阻 对多数应用都OK 时钟馈通与开关尺寸成正比 与负载电容成反比 互补开关提高动态范围 随着电源电压减小 开关更难完全导通 4 2 MOS二极管二极管 有源电阻有源电阻 MOS二极管二极管 当MOS管的栅极和漏极被接在一 起时 I V特性实质上类似于一个pn结二极管 因 此命名为MOS 二极管 MOS二极管被用作电流 镜的一个元件和电平转换 电压降 镜的一个元件和电平转换电压降 4 2 MOS二极管二极管 有源电阻有源电阻 MOS二极管二极管 当MOS管的栅极和漏极被接在一起时 MOS管总工作在饱和区 大信号特性 忽略沟道调制效应 4 2 MOS二极管二极管 有源电阻有源电阻 低频小信号模型低频小信号模型 When Vbs 0 4 2 MOS二极管二极管 有源