第六章 模拟集成电路设计-1

1、2020/11/23,模拟集成电路,2020/11/23,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,2020/11/23,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

2、声、低功耗、宽频带 MOS模拟集成电路,2020/11/23,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,2020/11/23,一、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,2020/11/23,1、有源器件,基本晶体管制造 后端工艺,2020/11/23,2、无源器件,电阻 电容器 电感,2020/11/23,3、互连,金属 多晶硅 扩散层,2020/11/23,二、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,2020/11/23,设计规则,最

3、小宽度 最小间距 最小包围 最小延伸,2020/11/23,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。,2020/11/23,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,2020/11/23,模拟电路设计,衬底耦合 封装,2020/11/23,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,2020/11/23,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

4、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,2020/11/23,基本型恒流源,2020/11/23,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,2020/11/23,2、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,2020/11/23,例题,一多路输出电流源电路如图所示，T1T6管发射结电压VBE=0.7伏，试

5、求T3T6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,2020/11/23,3、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,2020/11/23,4、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

6、 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（6-3335）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,2020/11/23,5、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6-33,2020/11/23,6、MOS恒流源,（1）基本恒流源（如图6-34） T1、T2管为n沟道

7、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：VCCVGS-VT 、R电阻值比较大,2020/11/23,（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=3.810-8F/cm2，W1/L1=W2/L2=W3/L3=2，ro1=ro3=3.3105欧姆，求电路的输出电流及输出电阻？,公式6-42,2020/

8、11/23,衬底调制效应,若Ir=50微安、VGS2=1V、n2Cox2= n3Cox3=210-5A/V2、衬底调制系数r=0.27V1/2，2F=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,2020/11/23,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

9、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,2020/11/23,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,2020/11/23,MOS恒流源,电源电压：5V，节点1的电压：3V。 电子迁移率：5002/VS。MOS栅氧化层厚度Tox=800埃，0SiO2=3.3X10-13F/ MOS管的阈值电压：

10、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：1：3：6,2020/11/23,稳压电路,2020/11/23,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=0.60.8V。温度系数：-2mV/ BE结构成的齐纳二极管（反向电压）VBER=69V。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,2020/11/23,正向二极管基

11、准源电路,如图6-41：利用晶体管的be结正偏特性。,Vref=nVFn0.7V,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,2020/11/23,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。,VIVOVZIZIRVRVO,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

12、 （3）温度系数,2020/11/23,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,2020/11/23,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,2020/11/23,参考电压源,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

13、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,2020/11/23,应用 串联型稳压电源,串联型稳压电源的构成,VO =VI-VR， 当VIR 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ILRVR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。,2020/11/23,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:,2020/11/23,实例L7805 Layout,2020/11/23,L78

14、05电路图,2020/11/23,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+5V L7809 输出+9V L7812 输出+12V L7815 输出+15V L7900系列 稳定负电压 L7905 输出-5V L7909 输出-9V L7912 输出-12V L7915 输出-15V,2020/11/23,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,2020/11/23,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

15、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，2n 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,2020/11/23,电路分析,2020/11/23,典型应用,2020/11/23,典型应用,2020/11/23,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,2020/11/23,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

16、器 其它单极放大器,2020/11/23,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,2020/11/23,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。,2020/11/23,二、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

17、越小，ui就越接近uS,2020/11/23,三、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。,2020/11/23,四、通频带,通频带：,fbw=fHfL,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,2020/11/23,五、饱和度,2020/11/23,单端放大器,共源极,2020/11/23,场效应管的微变等效电路,跨导,漏极输出电阻,2020/11/23,场效应管的微变等效电路,2020/11/23,共源极放大器,2020/11/23,结论,放大器的重要参数 增益 信号摆幅 功耗 频率响应

18、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,2020/11/23,其它晶体管放大器,2020/11/23,结论, Common-source stage: large voltage gain and transconductance, high input resistance, large output resistance excellent transconductance amplifier, reasonable voltage amplifier Common-dr

19、ain stage: no voltage gain, but high input resistance and low output resistance good voltage buffer Common-gate stage: no current gain, but low input resistance and high output resistance good current buffer,2020/11/23,典型应用,2020/11/23,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,2020/11/23,Differen

20、tial Amplifiers,2020/11/23,结论, In differential amplifiers signal represented by difference between two voltages. Differential amplifier: amplifies difference between two voltages but rejects ”common mode” ) noise immunity. Using ”half-circuit” technique, small-signal operation of differential amplif

21、iers is analyzed by breaking problem into two simpler ones: differential-mode problem and common-mode problem. Common-mode rejection ratio: important figure of merit of differential amplifiers. Differential amplifiers require good device matching.,2020/11/23,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

22、（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,2020/11/23,差动-单端转换电路,电路分析,T1集电极电流变化量：IC1 T2变化量： IC2 输入信号为相反信号， 所以IC1=-IC2,VQ=2R1IC1,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,2020/11/23,用有源负载实现的差动-单端转换电路,T3、T4组成镜像电流

23、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,2020/11/23,其它电路,图6-55（b） CMOS电路,2020/11/23,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,2020/11/23,射随器输出级,图6-56 T1：射极输出管 外部负载电阻 T2、T3和R1R3组成恒流源,2020/11/23,互补推挽输出级,Vout,一个npn管和一个pnp管组成,当Vth2Vi Vth1时，T1、T2都截止 当ViVth1时，T2截止、T1导通， npn管射极输出器 当ViVth2时，T1截止、T2导通， pnp管射极输出器,