第九章 模拟集成电路基本单元

.,第九章模拟集成电路基本单元,洪慧hongh,.,上次课:第八章数字集成电路基本单元及版图,1.TTL基本电路（反相器、与非门、或非门）2.CMOS反相器3.CMOS与非门和或非门4.CMOS传输门和开关逻辑5.CMOS三态门6.CMOS驱动电路7.数字电路标准单元库设计8.焊盘输入/输出单元9.CMOS存储器,.,1.电流源电路2.基准电压源3.单端反相放大器4.差分放大器电路5.运算放大器电路6.振荡器7.D/A与A/D转换器,第九章模拟集成电路基本单元,.,引言：模拟与数字集成电路区别,模拟集成电路主要用于处理连续信号，即模拟信号。模拟集成电路要求电路的每一组成单元必须是精确的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电路要强得多。模拟集成电路的版图设计从平面布局到各器件几何图形的设计都要十分“讲究”，需要考虑的问题往往比数字集成电路要多。一个数字集成电路如果在电路级而不是在逻辑级考虑和优化性能，将与模拟集成电路有许多共同点。对高速数字集成电路设计尤其如此。,.,1.电流源电路设计,双极型镜像电流源双极型基本镜像电流源带缓冲级的镜像电流源威尔逊(Wilson)电流源MOS电流镜NMOS基本电流镜NMOS威尔逊电流镜,.,双极型镜像电流源,（1）双极型基本镜像电流源,.,双极型镜像电流源,（2）带缓冲级的镜像电流源,.,双极型镜像电流源,（3）威尔逊(Wilson)电流源,.,（1）NMOS基本电流镜NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如下图所示。,MOS电流镜,.,MOS电流镜,如果有多个输出支路，如图所示，则各支路的电流的比值就等于各NMOS晶体管的宽长比的比值。IrIo1Io2Ion(W/L)r(W/L)1(W/L)2(W/L)n,.,MOS电流镜优点,它可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响IO和Ir的比值由器件尺寸的比率决定要保证高输出阻抗，采用较长沟道器件，但会影响寄生电容和电路动态特性,.,MOS电流镜,（2）NMOS威尔逊电流镜NMOS基本电流镜因为沟道长度调制效应的作用，交流输出电阻变小。从电路理论可知，采用串联负反馈也可以提高电路的输出电阻。威尔逊电流镜正是这样的结构。,.,MOS电流镜,与NMOS基本电流镜相比，威尔逊电流镜的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于基本电流镜。提高输出电阻的基本原理是在M1的源极由M2而形成的串联电流负反馈。,.,2.基准电压源设计,理想的基准电压源，要求它不仅有精确稳定的电压输出值，而且具有低的温度系数。温度系数：输出电参量随温度的变化量，可以是正的，也可以是负的。正温度系数：输出电参量随温度上升而增大负温度系数：输出电参量随温度上升而减小。要使温度系数小，自然会想到利用具有正温度系数的器件和具有负温度系数的器件适当地组合，实现温度补偿，得到低温度系数甚至零温度系数的电路结构。,.,双极型三管能隙基准源,.,MOS基准电压源,.,3.单端反相放大器电路设计,反相放大器的基本结构通常是漏输出的MOS工作管和负载的串联结构。根据负载的不同，反相放大器的输出特性有很大区别。,.,先分析MOSFET的模拟模型,MOSFET的高频模拟模型.电容已经在以前提到.ro是输出电阻.,小信号等效电路,.,简化后的小信号等效电路,电流源,输出电阻,简化后的小信号等效电路,.,常用MOS反相放大器电路结构,纯电阻负载NMOS放大器E/ENMOS放大器E/DNMOS放大器PMOS负载放大器,.,纯电阻负载NMOS放大器,小信号等效电路,.,E/ENMOS放大器,.,E/DNMOS放大器,.,PMOS负载放大器,.,PMOS负载放大器(e),小信号等效电路图,.,PMOS负载放大器(e),因为M2的G极电压不变，所以vgs2=0,因为vout=-(gm1*vin)*ro1/ro2,Av=-gm1*(ro1/ro2),.,小信号等效电路,PMOS负载放大器(f),.,因为ro2=ro11/gm2,因为M2的D和G连接在一起，所以用电阻1/gm2替代该电流源,PMOS负载放大器(f),.,主要有：提高工作管的跨导增加宽长比减少衬底偏置效应的影响采用恒流源负载结构,提高放大器电压增益方法,.,改进CMOS推挽放大器,.,4.差分放大器电路设计,双极型差分放大电路双极型基本差分放大电路射极耦合差分放大电路恒流源差分电路MOS差分放大电路基本MOS差分放大电路MOS差分放大器的负载形式PMOS恒流负载差分放大器电路,.,双极型差分放大电路,（1）双极型基本差分放大电路,.,双极型差分放大电路,（2）射极耦合差分放大电路（长尾式差分放大电路）,.,双极型差分放大电路,（3）恒流源差分电路,.,MOS差分放大电路,（1）基本的MOS差分放大电路,.,MOS差分放大器差模特性曲线,MOS差分放大电路,.,MOS差分放大电路,（2）MOS差分放大器的负载形式,.,MOS差分放大电路,PMOS恒流负载差放,MOS差分放大器电路,.,5.运算放大器电路,运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个重要组成部分。评价其性能参数主要有：增益小信号带宽大信号带宽输出摆幅线性噪声与失调电源抑制,.,套筒式共源共栅结构,简单运放结构,.,套筒式共源共栅结构,共源共栅运放,.,套筒式共源共栅结构,输入与输出短路的共源共栅结构,.,折叠式共源共栅运放,折叠式共源共栅电路,.,折叠式共源共栅运放,折叠式共源共栅运放结构,.,共源共栅PMOS负载的折叠共源共栅运放,折叠式共源共栅运放,.,折叠式共源共栅运放,折叠式共源共栅运放的半边电路,.,输出对地短路的等效电路,折叠式共源共栅运放,.,输出开路的等效电路,折叠式共源共栅运放,.,共源共栅运放中器件电容对非主极点影响,折叠式共源共栅运放,.,一种折叠共源共栅运放的实现,折叠式共源共栅运放,.,两级运放,两级运放,两级运放就是两个简单放大器组合形成级联结构。两级运放可以提供更好的增益、摆幅等性能指标。,.,两级运放,一种两级运放的简单实现,.,采用共源共栅的两级运放,两级运放,.,单端输出的两级运放,两级运放,.,6.振荡器,目前振荡器主要分为两类：谐波振荡器张驰振荡器,.,目前谐波振荡器多采用LC谐振电路和晶振来决定振荡频率。主要有：哈特来（Hartley）LC振荡器考毕兹（Colpitts）LC振荡器克莱普（Clapp）LC振荡器差动LC振荡器,LC振荡器,谐波振荡器,.,多谐振荡器,张驰振荡器主要靠对储能元件（主要是电容）进行充放电工作。一般电路由一个强烈正反馈的环路构成。张驰振荡器噪声性能要比LC振荡器要差，但面积小，调谐范围宽。,张驰振荡器,.,环形振荡器,环形振荡器,环形振荡器也属于张驰振荡器。其最大的优点是结构简单，因而得到广泛运用。对于一个总直流相位偏移180度的n级反相放大器组成的环形振荡器，环路振荡周期为2nTd（Td为门延迟）。,.,环形振荡器的延迟单元,环形振荡器,.,RC网络型环形压控振荡器原理图,环形振荡器,环形振荡器振荡频率可以通过改变延迟单元的参数加以控制，形成压控振荡器（VCO）。一种是延迟单元偏置电压直接可控，一种是通过增加附加电路来实现。,.,矢量叠加型环形VCO,环形振荡器,.,7.D/A与A/D转换,D/A转换器：将数字信号转化为相对应的模拟信号A/D转换器：将模拟信号转化为相对应的数字信号,.,D/A转换器,D/A变换器方