第六章模拟集成电路设计-1..ppt

2020 3 31 模拟集成电路 2020 3 31 集成电路概述 模拟IC就是能对模拟量进行运算和处理的一种IC 直接对连续可变的模拟量进行计算与处理模拟集成电路的种类根据输入 输出电压的变化关系分类线性IC 输出信号随输入信号的变化成线性关系非线性IC 具有非线性的传输特点接口电路 AD DA转换器按工作频率分类低频 高频 射频 微波 毫米波按功率分类功率集成电路按器件分类双极 MOS BICMOS按应用领域分类通信用IC 2020 3 31 模拟集成电路的特点应用的多样性电路结构的多样性 复合性微小信号电源变化较大发展模拟电路数字化高频 低噪声 低功耗 宽频带MOS模拟集成电路 2020 3 31 本章主要内容 CMOS工艺技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器CMOS运算放大器负反馈D A A D转换器 2020 3 31 一 CMOS工艺技术 晶片工艺光刻氧化离子注入淀积与刻蚀器件制造 2020 3 31 1 有源器件 基本晶体管制造后端工艺 2020 3 31 2 无源器件 电阻电容器电感 2020 3 31 3 互连 金属多晶硅扩散层 2020 3 31 二 模拟集成电路版图技术 设计规则天线效应模拟集成电路版图 2020 3 31 设计规则 最小宽度最小间距最小包围最小延伸 2020 3 31 天线效应 问题小尺寸的栅极与大面积金属一层相连在刻蚀时 大面积的金属一层会收集离子 使其电位升高 造成击穿 2020 3 31 模拟电路的版图 叉指晶体管对称性参考源的分布无源器件连线焊盘与静电放电保护 2020 3 31 模拟电路设计 衬底耦合封装 2020 3 31 本章主要内容 CMOS工艺技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器CMOS运算放大器负反馈D A A D转换器 2020 3 31 恒流源电路和有源负载 参考电压源和参考电流源偏置电路 把一个支路中的参考电流比较精确地反射到另一个支路上去 以获得较稳定的工作电流有源负载 设计得到大的动态电阻 从而提高电压增益 2020 3 31 基本型恒流源 2020 3 31 讨论 恒定电流由Rr决定温度补偿 跟踪性好不足 比较小则电流匹配性差对电源变化无抑制作用Ir的温度系数晶体管的对称性电阻的温漂输出电阻 2020 3 31 2 电阻比例恒流源 基准电流Ir电路特点 得到不同的电流输出值 减少芯片面积 注意 设计中要求微小工作电流减小R0 以使芯片面积小无法抑制电源变化的影响 2020 3 31 例题 一多路输出电流源电路如图所示 T1 T6管发射结电压VBE 0 7伏 试求T3 T6管的集电极电流 IO 并说明T1的作用 解 T1电流放大 以减少从参考电流中分出的基极电流 使一个参考电流较准确地控制多个电流源 2020 3 31 3 微电流恒流源 Widlar源 讨论 1 用中等电阻 可获得较小的恒定电流例题 若VCC 30V Ir 1mA IO 10微安 求R和Re2 若用基本恒流源 Rr的值应为多少 若VCC由30V下降至15V 求两种恒流源的IO值 2 对电源电压变化的抑制作用由上题可见 微电流恒流源有较好的电流稳定性 2020 3 31 4 基极电流补偿恒流源 Wilson源 图6 32 应用于较大电流的情况消除基极电流的影响工作原理流过基极的电流经过T3管放大此电流提供了T1 T2管的基极电流和T3管的集电极电流通过公式 6 33 35 得 输出电流与参考电流十分接近了反馈补偿作用稳定工作点 2020 3 31 5 Pnp恒流源 PNP管恒流源在双极型模拟电路中广泛使用根据电流源电路的特点 基极短接 发射极接同样电位 因此采用多集电极横向PNP管就可等效出多个恒流源优点 可把偏置和恒流的几个晶体管都作在一个隔离岛内 而且共用一个发射极 一个基极 从而节省了面积缺点 误差大 频率特性差电路如图6 33 2020 3 31 6 MOS恒流源 1 基本恒流源 如图6 34 T1 T2管为n沟道增强型MOS管工作原理T1管栅漏短接 始终工作在饱和区T2管与T1管工艺参数相同 讨论 I 考虑沟道长度调制效应 造成偏差II 交流输出电阻较高III 输出电压摆幅 VCC VGS VT R电阻值比较大 2020 3 31 2 Wilson恒流源 电路图与双极型的相同 如图6 36引入负反馈 提高输出电流的稳定性 提高输出阻抗例 已知Wilson源的基准电流Ir 50微安 MOS管的参数 n 400cm2 S V Cox 3 8 10 8F cm2 W1 L1 W2 L2 W3 L3 2 ro1 ro3 3 3 105欧姆 求电路的输出电流及输出电阻 公式6 42 2020 3 31 衬底调制效应 若Ir 50微安 VGS2 1V n2Cox2 n3Cox3 2 10 5A V2 衬底调制系数r 0 27V1 2 2 F 0 8V 参考电压 5V VTH 1伏 求T2 T3管的宽长比 在加上沟道长度调制效应 计算较为复杂 2020 3 31 有源负载 1 电源电压 2 集电极的负载电阻 交流阻抗很大而直流电阻很小的负载原件作为放大器的负载 一般电阻负载共射放大器和射耦对中的电压增益 结论 在一般高增益集成放大器中 常用极性相反的恒流源输出管来做负载 如图6 38 6 39所示 其主要特点由于其较大的交流电阻 从而提高了共射放大器的电压增益直流电阻并不大 电源电压要求不高电源电压变化的范围可以较宽有源负载在集成工艺中容易实现 2020 3 31 课堂练习题 T1 T2为横向pnp晶体管 电流增益为10 T3 T4管为纵向NPN晶体管 电流增益为150 两种晶体管的发射结正向压将均为1V 已知 Rr 28千欧 Vt 0 026伏 IC4 0 1毫安计算电阻Re的值电流IC2的值 电路图 微电流恒流源 widlar源 Pnp恒流源电路 2020 3 31 MOS恒流源 电源电压 5V 节点1的电压 3V 电子迁移率 500 2 VS MOS栅氧化层厚度Tox 800埃 0 SiO2 3 3X10 13F MOS管的阈值电压 0 7V 其中M1管的宽长比 5其它PMOS管的宽长比的比例 1 4 8其它NMOS管的宽长比的比例 1 3 6 2020 3 31 稳压电路 2020 3 31 基准源电路 原理高质量的IC内部稳压电源 提供稳定的偏置电压或基准电压要求 输出直流电平稳定 且对电源电压和温度变化不敏感常用的标准电压 BE结的正向压降VBE 0 6 0 8V 温度系数 2mV BE结构成的齐纳二极管 反向电压 VBER 6 9V 温度系数 2mV 等效热电压 Vt 0 026V 温度系数 0 086mV 组合得到对电源电压和温度不敏感的电压源和基准电压源 2020 3 31 正向二极管基准源电路 如图6 41 利用晶体管的be结正偏特性 Vref nVF n 0 7V 电路的内阻等于各个正向二级管的n倍 集电极电位相同的晶体管 可以放在同一隔离区 而此电路路be结首尾相接 bc结短接所以需要单独隔离 占用了芯片面积 改进 如图6 42 利用电阻的分压作用实现大的Vref 2020 3 31 齐纳二极管基准源电路 图6 43 稳压原理 利用稳压二极管的反向击穿特性 采用bc结短接的晶体管 由于反向特性陡直 较大的电流变化 只会引起较小的电压变化 VI VO VZ IZ IR VR VO 讨论 1 二极管PN结分布不一致性及其缺陷 杂质 不均匀等因素 2 体电阻和接触电阻 3 温度系数 2020 3 31 具有温度补偿的齐纳基准源电路 二极管具有负温度系数 齐纳二极管的稳定电压具有正温度系数 形成图6 44 a 实现温度的补偿 由表可以看出2CW7C的性能比较好 温度系数小 其结构如下 图6 44版图和剖面图 2020 3 31 负反馈基准源电路 图6 45 改进后的优点 实现温度补偿T1 T2 DZ和电阻R组成反馈电路 从而保持稳定由T1射随器输出电压 因此基准源的内阻小 2020 3 31 参考电压源 齐纳二极管基准电压源图6 46利用电阻 二极管 齐纳二极管的温度系数来求得一平衡点带隙参考电压源图6 47利用BJT在不同的工作电流密度下 三极管的be结电压温度系数之差 be结本身的负温度系数来调节基准电压Vref的数值与硅的禁带宽度相近通过叠加VBE和增加电阻比值的方法实现较高的参考电压源 2020 3 31 应用串联型稳压电源 串联型稳压电源的构成 VO VI VR 当VI R VR 在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响 若负载电流IL R VR 在一定程度上抵消了因IL增加 使VI减小 对输出电压减小的影响 2020 3 31 串联式稳压电路由基准电压 比较放大 取样电路和调整元件四部分组成 串联型稳压电路 2020 3 31 实例L7805Layout 2020 3 31 L7805电路图 2020 3 31 常用的集成三端稳压器的类型 类型 L7800系列 稳定正电压L7805输出 5VL7809输出 9VL7812输出 12VL7815输出 15VL7900系列 稳定负电压L7905输出 5VL7909输出 9VL7912输出 12VL7915输出 15V 2020 3 31 MOS基准源电路 用MOS管代替三极管单元 饱和区 利用两个沟道类型相同 而阈值电压不同的MOS管CMOS带隙基准电压源 2020 3 31 CMOS带隙基准源 BiCMOS 原理 利用MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的BE结导通电压VBE的负温度特性互相补偿 达到恒定的基准电压输出 MOSFET亚阈区电流 条件 VGS VT 见图6 48电流随电压VGS的变化不是二次方而是指数性关系 分界点 2 n 4 在CMOS带隙基准源中所有的MOS管多工作在亚阈值饱和状态 2020 3 31 电路分析 2020 3 31 典型应用 2020 3 31 典型应用 2020 3 31 本章主要内容 CMOS工艺技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器CMOS运算放大器负反馈D A A D转换器 2020 3 31 主要内容 放大器基本原理共源极放大器带电流源的共源极放大器其它单极放大器 2020 3 31 放大器的种类 电压放大器跨阻放大器跨导放大器电流放大器 放大器的组成前馈放大器检测输出的方式反馈网络产生反馈误差的方式 Vin Vout 2020 3 31 电压放大电路的性能指标 一 电压放大倍数Au Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值 Au是复数 反映了输出和输入的幅值比与相位差 2020 3 31 二 输入电阻ri 放大电路一定要有前级 信号源 为其提供信号 那么就要从信号源取电流 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入电阻越大 从其前级取得的电流越小 对前级的影响越小 定义 即 ri越大 Ii就越小 ui就越接近uS 2020 3 31 三 输出电阻ro 放大电路对其负载而言 相当于信号源 既是电压源 输出电阻越大 在负载取得的电压越小 对负载的影响越大 2020 3 31 四 通频带 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 幅频特性曲线 耦合电容造成 三极管结电容造成 2020 3 31 五 饱和度 2020 3 31 单端放大器 共源极 2020 3 31 场效应管的微变等效电路 跨导 漏极输出电阻 2020 3 31 场效应管的微变等效电路 2020 3 31 共源极放大器 2020 3 31 结论 放大器的重要参数增益信号摆幅功耗频率响应工艺误差和温度漂移代电阻共源放大器 增益 成本和频率响应采用电流源设计高增益 输入电阻大 输出电阻大电压放大器 高增益 输入电阻大 输出电阻小 改进 2020 3 31 其它晶体管放大器 2020 3 31 结论 Common sourcestage largevoltagegainandtransconductance highinputresistance largeoutputresistance excellenttransconductanceamplifier reasonablevoltageamplifier Common drainstage novoltagegain buthighinputresistanceandlowoutputresistance goodvoltagebuffer Common gatestage nocurrentgain butlowinputresistanceandhighoutputresistance goodcurrentbuffer 2020 3 31 典型应用 2020 3 31 结论 三种放大器参数功能频率响应物理因素电路分析噪声电源器件设计信号干扰 2020 3 31 DifferentialAmplifiers 2020 3 31 结论 Indifferentialamplifierssignalrepresentedbydifferencebetweentwovoltages Differentialamplifier amplifiesdifferencebetweentwovoltagesbutrejects commonmode noiseimmunity Using half circuit technique small signaloperationofdifferentialamplifiersisanalyzedbybreakingproblemintotwosimplerones differential modeproblemandcommon modeproblem Common moderejectionratio importantfigureofmeritofdifferentialamplifiers Differentialamplifiersrequiregooddevicematching 2020 3 31 直流电平位移及差动 单端转换电路 直流电平位移电路 利用基极与集电极之间存在的电压差 图6 50 利用稳压二极管 图6 52 利用源 漏之间存在的电压差 图6 53 差动 单端转换电路 为什么要位移 避免输出端满足不了零输入 零输出条件输出电压的变化范围减小 把差分输入的双端输出信号 全部转换成单端输出信号如图6 54所示 2020 3 31 差动 单端转换电路 电路分析 T1集电极电流变化量 IC1T2变化量 IC2输入信号为相反信号 所以 IC1 IC2 VQ 2R1 IC1 相当于从P Q两点取出的电压变化量该电路完成了把从P Q两点双端输出的信号变为Q点单端输出的信号 2020 3 31 用有源负载实现的差动 单端转换电路 T3 T4组成镜像电流源 作T1 T2的负载 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益 T1管集电极电流的变化由T3 T4管组成的电流源镜像到T2管的集电极T2管集电极电流本身引起的变化以上两点共同决定了输出端电流 和差分双端输出相等 2020 3 31 其它电路 图6 55 b CMOS电路 2020 3 31 输出级电路 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类 主要有通用 高速 宽带 高精度 高输入电阻和低功耗等几种 射随器输出级互补推挽输出级CMOS输出级甲类偏置的CMOS输出级CMOS互补输出级输出过流保护电路 2020 3 31 射随器输出级 图6 56T1 射极输出管外部负载电阻T2 T3和R1 R3组成恒流源 2020 3 31 互补推挽输出级 Vout 一个npn管和一个pnp管组成 当Vth2 Vi Vth1时 T1 T2都截止当Vi Vth1时 T2截止 T1导通 npn管射极输出器当Vi Vth2时 T1截止 T2导通 pnp管射极输出器 缺点 交