模拟集成电路中常用的单元电路课件

1、国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-101第八章第八章 模拟集成电路中模拟集成电路中 常用单元电路常用单元电路 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1028-1 恒流源电路恒流源电路 恒流源电路的基本工作原理是基于一定的恒流源电路的基本工作原理是基于一定的参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关系的恒定电流。系的恒定电流。 恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。由于它能提供恒定广泛应用的单元电路之一。由于它能提供恒定的

2、工作电流和很高的动态电阻，的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供常常用于提供稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，以便以便获得稳定的电路性能和大的增益。获得稳定的电路性能和大的增益。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-103 思考题思考题1. 恒流源单元电路有哪些种类恒流源单元电路有哪些种类？各自的特？各自的特点有哪些？点有哪些？2. 恒流源作为有源负载有哪些特点？恒流源作为有源负载有哪些特点？3. 设计恒流源时应注意哪些问题？设计恒流源时应注意哪些问题？ 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2

3、021-11-1048.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源设设T1和和T2完全相同完全相同 则：则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Ic2 因此：因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 =Io+ 2Ib2 = Io ( +2)/ VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因为：因为： 1所以：所以：Ir IoIr= (V-VBE)/Rr国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1058.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源 该电路具有温度补偿作用：该电路具有温度补偿作用： 温度温度 I

4、o Io Ic1 Ir VR (IrRr) Vb IbVRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1068.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 2. 面积比面积比恒流源恒流源设设T1和和T2发射结面积为发射结面积为AE1和和AE2 则：则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2 而：而： Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 则则:Ir =Io ( AE1/AE2+AE1/AE2+1)/ 因为：因为： 1， AE1/AE2值较小值较小所以：所以：Ir IoAE1/AE2即：即： Io / Ir = AE2/AE1

5、VRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1078.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 3. 小电流小电流恒流源恒流源(Widlar电流源电流源)Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2 VBE1 = IE2R2 + VBE2 则：则： IE2R2 = VBE1 VBE2 = VTln(IE1/IE2)因此近似有：因此近似有： Io= (VT /R2 ) ln (Ir/Io) 根据已知的根据已知的Ir 和需要的和需要的Io ，就可以求出要设计的就可以求出要设计的R2。其中：其中： VT =KT/q (热电压热电压) 国际微电子中

6、心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1088.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 4. 多支路多支路恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+(1+N)Ib = Io + (1+N)Io/ 即：即：Io / Ir = / + (1+N) 可见，支路数增加，可见，支路数增加，会使会使Io 与与 Ir的差值增大。的差值增大。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1098.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5. 带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRr

7、IrIoT1T2VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 = Ib1+Ib2 =2Ib2 =2Io/ 可见，可见，Io 与与 Ir的差值明显减小。的差值明显减小。 则：则：Ir = Io+2Io / ( +1) = Io 1+ 2/ ( +1)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10108.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5. 带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = I

8、c1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 =(1+N)Io/ 可见，可见，Io 与与 Ir的的差值明显减小。差值明显减小。 则：则：IoIr = 2+ 2+ +N+1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10118.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6. 具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2222III1I21IIII21I )1()21(1)21(II)21(II2IIIIIII22ro3c3c3b2cr3c3c3e2c2c2b2c3e

9、3b2c3b1cr 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10128.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6. 具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2IoIr = 2+ 2 2+2 +2 这种电流源不仅使这种电流源不仅使Io 与与 Ir的差的差值非常小，而且还具有负反馈补值非常小，而且还具有负反馈补偿特性，更有利于工作点的稳定。偿特性，更有利于工作点的稳定。补偿过程补偿过程: 当由于某种原因使当由于某种原因使Io增增大，则大，则Ie3 Ic2 Ic1 。而。而Ir

10、= Ic1+Ib3不变，则不变，则Ic1 Ib3 Io 。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10138.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 7. 版图举例版图举例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10148.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 1. 概述概述 在双极型模拟集成电路中，经常是在双极型模拟集成电路中，经常是npn管管和和pnp管互补应用，因此管互补应用，因此pnp恒流源同样得到恒流源同样得到广泛的应用。广泛的应用。 pnp恒流源电路形式与恒流源电路形

11、式与npn恒流源相同，恒流源相同，只是改变电源的接法和电流方向。只是改变电源的接法和电流方向。 值得注意的是值得注意的是PNP恒流源一般是由横向恒流源一般是由横向PNP管组成，而横向管组成，而横向PNP管的增益（管的增益（ ）远远）远远小于小于NPN管的增益（管的增益（ ） ，因此，因此，PNP恒流源恒流源中中Io 与与 Ir的近似程度较大。的近似程度较大。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1015IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.

12、2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电路图举例国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10168.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电路图举例IrIo1T1T2RrVDD)21(I I2I I2I I2IIo2c2cb2cb1cr 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10178.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电路图举例IrIo1T1T2RrT3VDD)221(IIIII)11(III2I2orro1co3e2c2c 国际微电子中心国际微电子中心

13、集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10188.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 3. 单元版图举例单元版图举例国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10198.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源)V1()VV(LWC21IV21V)VV(LWCIDS2TGSOXnD2DSDSTGSOXnD 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10208.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源DoutD2TGSOXnDSDdsI1rI )VV(

14、LWC21VIg 上述电流源上述电流源/漏需要在两方面加以改进，一漏需要在两方面加以改进，一是增加小信号输出电阻，二是减小是增加小信号输出电阻，二是减小VMIN的值。的值。 有图可见，有图可见，MOS只有工作在饱和区时才是只有工作在饱和区时才是一个较好的电流漏。即一个较好的电流漏。即vOUTVGG+VTN。)V1()VV(LWC21IDS2TGSOXnD 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10218.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i

15、 rir )Vgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10228.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源2s2gsVV 入入接接地地，因因而而求求交交流流输输出出阻阻抗抗时时，输输rrg rrg)rr ( ivrrrig)rr (i rVg)rr (iv2ds2m2ds2m2dsoutoutout2dsout2m2dsout2ds2S2m2dsoutout 2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i rir )Vgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电

16、路设计原理2021-11-10238.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 12gs1gsvv , 0v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10248.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源2ds1ds2mbs2m2ds1dsoutoutout1dsout2ds1ds2mbsout1ds2moutoutoutrr )gg(rr ivrrir )rgirgii (v 12gs1gs

17、vv , 0v 1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10258.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源基本电流镜恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 只要使只要使MOS管都工作在饱管都工作在饱和区和区(忽略沟道长度调制），忽略沟道长度调制），由：由： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2 = : :WL)1(WL)2(WL)3(得：得： Ir一定，一定，Io与输出端电压无与

18、输出端电压无关。如沟道长度取一定值，关。如沟道长度取一定值，则取决于沟道宽度之比。则取决于沟道宽度之比。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10268.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 若考虑沟道调制效应，若考虑沟道调制效应，MOS管工作在饱和区电流公式为：管工作在饱和区电流公式为： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+ VDS)其中沟道调制系数：其中沟道调制系数： =L1 因此，输出电压对输出电因此，输出电压对输出电流产生一

19、定的影响。为减小这流产生一定的影响。为减小这一影响，沟道长度应选大一些。一影响，沟道长度应选大一些。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10278.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续2） 因此，沟道长度选大一因此，沟道长度选大一些，还有利于提高输出电些，还有利于提高输出电阻阻 。另外，小电流工作时。另外，小电流工作时输出阻抗更高。输出阻抗更高。M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 电流源输出电阻电流源输出电阻(MOS管饱和导通电阻管饱和导通电阻)：rds= = IDS1IDSL

20、国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10288.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3.级联结构的恒流源级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC nCox2IDS1=WL(VGS-VT)2(1+ VDS1)( )1 nCox2IDS2=WL(VGS-VT)2(1+ VDS2)( )2IDS1IDS2=IrI0=WL( )1WL( )2(1+ VDS1)(1+ VDS2)需保证需保证 VGS3= VGS4国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10298.1.3 MOS型型恒流源电路恒流

21、源电路 3.级联结构的恒流源级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC 由于由于M4屏蔽了输屏蔽了输出电压的变化对出电压的变化对M2的的作用，使输出电流不作用，使输出电流不受输出电压的影响，受输出电压的影响，减小了沟道长度调制减小了沟道长度调制的影响，同时也大幅的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。度提高了输出阻抗。 其缺点是为了使其缺点是为了使晶体管都工作在饱和晶体管都工作在饱和区，输出电压变化范区，输出电压变化范围减小了。围减小了。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10308.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4.

22、Wilson(威尔逊）恒流源威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc 该电流源的输出阻抗该电流源的输出阻抗较高较高(与级联结构相似与级联结构相似)。 该电流源具有负反馈该电流源具有负反馈作用，使作用，使Io 的变化能得到的变化能得到补偿，提高了输出电流的补偿，提高了输出电流的稳定性。稳定性。 增加增加M3的的W/L可以增可以增强对输出电流变化的调节强对输出电流变化的调节能力。能力。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10318.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4. Wilson(威尔逊）恒流源威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3

23、 Io Io I2 I1 Vds1 Vgs3Ir恒定恒定国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10328.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 1. 双极型电路举例双极型电路举例放大放大器件器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大放大器件器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10338.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 2. CMOS电路举例电路举例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大放大器件器件放大放大器件器件

24、国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10348-2 单级放大器单级放大器 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1035 8.2.1共发射极共发射极 1. 基础知识回顾基础知识回顾TBESCVVIIexpkTqIVIVVVIVVIdVddVdIgCTCTBETSTBESBEBECm expexpBCEmmBCBmBEmCggIIrrIgVgI 1 CbCrogmV1EBr+_V1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1036 8.2.1共发射极共发射极 1. 基础知识回顾基础知识

25、回顾BCECrogmV1EBr+_V1rexrbCCCCSrrc=5020k 5 300 2.5k 0.4pF5.4fF20M 10fF国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1037 8.2.1共发射极共发射极 2. 共发射极放大器共发射极放大器TViVccVoIbIcRcCro RcgmV1Br+_V1ioii+_vivo+_miiigrivRocvoorRivRi|00)|()|(1ocmiovocmorRgvvarRvgv国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1038 8.2.1共发射极共发射极 3. 射极跟随器

26、射极跟随器TViVccVoIiIoRLCro RLgmV1=iiBr+_V1ii+_vivo_+)|(111 |111|111|LoLoioLooiLoooioiRrrRrrrvvRrrvrvRrvrvvrvv 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1039 8.2.1共发射极共发射极 3. 射极跟随器射极跟随器LmLmLomLomLomLomLomLoioRgRgRrgRrgRrgRrgRrgRrrvv1 )|(1)|()|(111 )|(11)|()1 (11 )|)(1 (11国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11

27、-1040 8.2.2共源级共源级 1. 采用电阻负载的共源级采用电阻负载的共源级M1VccVinVoutRD2)(21THinOXnDCCoutVVLWCRVV 进一步增大进一步增大Vin，Vout下降更多，管子下降更多，管子继续工作在饱和区，直到继续工作在饱和区，直到Vin= Vout+VTH，这时这时211)(21THinOXnDCCTHinVVLWCRVVV 减小。如果减小。如果Vcc不是很小，不是很小， M1饱和饱和导通，可以得到导通，可以得到 如果输入电压从零开始增大，如果输入电压从零开始增大，M1截止，截止，Vout=VCC，当当Vin接近接近VTH时，时，M1开始导通，电流流经

28、开始导通，电流流经RD，使，使Vout国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1041 8.2.2共源级共源级 由上式可以计算出由上式可以计算出Vin1，当，当Vin Vin1时，时， M1工作在工作在线性区：线性区：M1VccVinVoutRD21)(22outoutTHinOXnDCCoutVVVVLWCRVV 因为在线性区跨导会下降，通常确保因为在线性区跨导会下降，通常确保管子工作在管子工作在饱和区饱和区，即，即Vout Vin VTH。定。定义小信号增益义小信号增益DmTHinOXnDinoutvRgVVLWCRVVA )(DOXnTHinOXnmI

29、LWC2)VV(LWCg 跨导跨导国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1042Vout 8.2.2共源级共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级21)/()/(LWLWAPnv M1VccVinM2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1043Vout 8.2.2共源级共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级21)/()/(LWLWAPnv M1VccVinM221212221)()( )()()()( )()(21 )()(21LWLWVVAVVVVVLW

30、LWVVLWCVVLWCIpninoutVToutDDTinpnTGSOXpTinOXnD即方法一方法一国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1044Vout 8.2.2共源级共源级 M1VccVinM2gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vout+_212121212221212121211|1|1 |1 11 1)1 ( )|)(mmoommVoomommomomominoutVomoutoinmoutoooutminmggrrggArrgrggrgrgrgVVArgVrVgVrr

31、VgVg）（于是即分数部分显然表示的是方法二方法二国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1045 8.2.2共源级共源级 212122121111)()()( )()()( )()(LWLWggILWCVVLWCgILWCVVLWCgpnmmDOXpTGSOXPmDOXnTGSOXnm国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1046 8.2.2共源级共源级 3.采用电流源负载的共源级采用电流源负载的共源级M1VccVinM2VbVoutgm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_简化简化Vout=- gm

32、1Vin(rds1/rds2)211dsdsminoutvgggVVA gm1VinVinVoutrds1rds2+_国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1047 8.2.2共源级共源级 4.推挽结构推挽结构M1VccVinM2Voutgm1VinVinVoutrds1rds2 gm2Vin+_Vout=- (gm1+ gm2)Vin(rds1/rds2) 2121dsdsmmvggggA gm1VinVinVoutrds1rds2+_gm2Vin简化简化国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1048 8.2.2共源

33、级共源级 5.源跟随器源跟随器 outbsoutgsinoutbsmbgsmVVVVVRVVgVg简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_SR|R )(1)1()(ombmminoutvoutmbminmoutoutmboutinmrRggRgVVAVggRVgRVVgVVg国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1049 8.2.2共源级共源级 5.源跟随器源跟随器 简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_Ggm

34、VgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_ 1SmSminoutvRgRgVVAro Rs ，忽略衬底效应SoR|rR )(1RggRgVVAmbmminoutv国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1050 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRDSmDmDmvSmmmSmmDSvTGSOXninDmTSDoDDinOXnTGSOXnDRgRgRGARggGRGgRRAVVLWCVIGVRRVVVLWCVVLWCI11)1 ( )1)()(21 )(2122方法一方法一如果RS1/gm，

35、则 ，也就是 ，这表明Vin的大部分变化落在RS上，漏电流是输入电压的线性函数。这种线性化的获得是以牺牲增益和高的噪声为代价的。SmRG/1SinDRVI/国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1051 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRDSmDmvinSmDmoSmingsSgsmingsDgsmoRgRgAVRgRgVRgVVRVgVVRVgV111方法二方法二gm1VgsVinVoutroRs+_国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10528-3

36、 基准电压源电路基准电压源电路 基准电压源是利用二极管的正向压降、齐基准电压源是利用二极管的正向压降、齐纳二极管的击穿电压和热电压具有一定的固纳二极管的击穿电压和热电压具有一定的固定值的特性，以及它们具有正的或负的温度定值的特性，以及它们具有正的或负的温度系数可以相互补偿的特点来设计的。一般采系数可以相互补偿的特点来设计的。一般采用恒流源作偏置电流进一步稳定工作点。用恒流源作偏置电流进一步稳定工作点。 基准电压源电路是模拟集成电路中非常重基准电压源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。其作用是提要、广泛应用的单元电路之一。其作用是提供稳定的偏置电压或作基准电压。一般要求供稳定的

37、偏置电压或作基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定、内阻小、这些电压源的直流输出电平较稳定、内阻小、对电源电压和温度不敏感。对电源电压和温度不敏感。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1053 思考题思考题1. 基准电压源的作用是什么基准电压源的作用是什么？2. 基准电压源有哪些类型？各自的特点基准电压源有哪些类型？各自的特点是什么？是什么？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10548.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 1. 基本原理及特点基本原理及特点ViVrefN个个RVref = NVF

38、一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结二极管。结二极管。 温度系数（温度系数（负温度系数负温度系数）和内阻）和内阻Rr都很大，与串联个数成正比。都很大，与串联个数成正比。 输入电压的变化将引起输出电压的输入电压的变化将引起输出电压的变化：变化： Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供电，稳定输出。可采用恒流源供电，稳定输出。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10558.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 2. 电路及版图电路及版图VrefGNDVDDViVrefViVref国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路

39、设计原理2021-11-10568.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 1. 基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结反结反向二极管。向二极管。 正温度系数正温度系数和和内阻内阻Rr都很大。都很大。 BE结面击穿有先有后，随着电流增结面击穿有先有后，随着电流增加击穿电压也增加。加击穿电压也增加。 输入电压的变化将引起输出电输入电压的变化将引起输出电压的变化压的变化: Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。可采用隐埋齐纳二极管。可采用隐埋齐纳二极管。Vref = VRViVrefRVR国际微电子中心国际微

40、电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10578.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10588.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 1.基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结结二极管（一正一反）。二极管（一正一反）。 温度系数接近于零。内阻温度系数接近于零。内阻Rr较大。较大。 Vref = ViRr /(R+Rr) 输入电压的变化将引起输出电压输入电压的变化将引起输出电压的变化。的

41、变化。可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。Vref =VF+VRViVrefRVFVR国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10598.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10608.3.4带隙基准带隙基准 1.负温度系数负温度系数 研究表明，双极晶体管的基极研究表明，双极晶体管的基极-发射极电发射极电压，或者更一般的说，压，或者更一般的说，pn结二极管的正向电压，结二极管的正向电压，具有负

42、温度系数。具有负温度系数。 2.正温度系数正温度系数 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，则它们的基极密度下，则它们的基极-发射极电压的差值与绝发射极电压的差值与绝国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10618.3.4带隙基准带隙基准对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶体管体管(IS1=IS2)偏置在集电极电流分别为偏置在集电极电流分别为nI0和和I0，(忽略基极电流忽略基极电流)则则nI0I0Q1Q2VDD+ -BEV nlnV IIlnVInIlnV VVVT2S

43、0T1S0T2BE1BEBE nqkTVBEln 因为因为所以所以 正温度系数正温度系数国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10628.3.4带隙基准带隙基准 3.带系基准带系基准 如果令如果令 VREF=a1VBE+ a2VBE= a1VBE+ a2(VTlnn) 已知室温下室温下KmVTVKmVTVTBE /087. 0/5 . 1 取取a1=1， 令令0 TVREF得得 2 .17ln 5 . 1ln087. 022 nana即即VREF VBE+17.2VT1.25V国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10

44、638.3.4带隙基准带隙基准 假设我们用某种方法强制假设我们用某种方法强制VO1= VO2。 那么，那么，VBE1=RI+VBE2 即，即， IR = VBE1 -VBE2 现在来实现这个电压。现在来实现这个电压。IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2 晶体管晶体管Q2是有是有n个并列的单元组成，而个并列的单元组成，而Q1是一个晶体管单元。是一个晶体管单元。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10648.3.4带隙基准带隙基准 所以，所以， VO2 = VBE2+VTlnn，这意味着如果这意味着如果lnn17.2， VO2就可以作为与温度无关就可以作为

45、与温度无关的基准。的基准。 IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2nIIIIIIIIVVSSSSBEBElnV nlnVlnV lnVlnV IRTTT2T1T21国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10658.3.4带隙基准带隙基准 上面的电路有两个问题：上面的电路有两个问题： 放大器放大器A1 驱动驱动R1和和R2(R1=R2)上端，使上端，使X和和Y点稳定在近似相点稳定在近似相等的电压上。等的电压上。 下图可以解决上述问题。下图可以解决上述问题。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +Vout_A1 2、lnn=17.2，n的值会相当大。的值会相

46、当大。30000000! 1、我们需要保证、我们需要保证VO1= VO2；国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10668.3.4带隙基准带隙基准由前面的分析得由前面的分析得 VBE1 -VBE2=VTlnn，于是右边，于是右边支路的电流为支路的电流为VTlnn/ /R3，因此输出电压为，因此输出电压为)1(ln )(ln3222332RRnVVRRRnVVVTBETBEout 为了得到零温度系数，为了得到零温度系数，必须使必须使(1+ R2/R3)lnn 17.2。如果选择。如果选择n=31，则则R2/R3=4。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +

47、Vout_A1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10678.3.5 MOS型能隙基准源型能隙基准源 面对当今低电压大规模集成的需要，面对当今低电压大规模集成的需要，低电压低功耗带隙基准源是目前研究的低电压低功耗带隙基准源是目前研究的一个主要发展方向。一个主要发展方向。 目前在目前在N阱阱CMOS工艺下设计工艺下设计CMOS型带隙基准源多数都要利用型带隙基准源多数都要利用“寄生寄生PNP管管”和和MOS管的次开启特性。实质上仍管的次开启特性。实质上仍是利用是利用VBE和和VT的温度特性。的温度特性。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计

48、原理2021-11-10688.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL其中其中VGB, VSB, VDB分别分别为栅极、源极和漏极对为栅极、源极和漏极对衬底的电位；衬底的电位；m是和衬是和衬偏调制系数有关的系数；偏调制系数有关的系数；IDO称为特征电流。称为特征电流。 设设M1、M2工作于次工作于次开启，令开启，令 =W/L，则有：，则有：国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-

49、10698.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL 1 2e(VSB2- VSB1)/ VT= 1 2eVR1/VT = 3 4Io = ( 5 / 4) ( VR1 /R1 )VR1=VTln 3 2 4 1I1I2=VGB2=VGB1, VSB1=0, VGB4=VGB3, VSB4= VSB3= 0, 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10708.3.5 MOS型基准

50、源型基准源电路及原理电路及原理（续（续1）Io = ln 5 VT 4 R1 3 2 4 1Vref = VBE + IoR2 由于由于VT具有正的温具有正的温度系数，度系数， VBE具有负的温具有负的温度系数。因而，只要适度系数。因而，只要适当调整各当调整各MOS管的管的W/L值及电阻值，即可得到值及电阻值，即可得到零温度系数的参考电压，零温度系数的参考电压，且其值恰为带隙电压。且其值恰为带隙电压。M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10718-4 差分放大器差分放大器 差分放大器又称

51、为差动放大器，差分放大器又称为差动放大器，是模拟集成电路中的最常用的单元是模拟集成电路中的最常用的单元电路之一。电路之一。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1072 思考题思考题1. 差分放大器的优点是什么差分放大器的优点是什么？2.改进差分放大器特性的措施有哪些？改进差分放大器特性的措施有哪些？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-1073差动工作方式的优点：差动工作方式的优点：1 抑制噪声；抑制噪声；2 增大输出电压的摆幅。增大输出电压的摆幅。VCC-(VGS-VTH)2VCC-(VGS-VTH)M1VccVi

52、nVXRDM1V1VXRDM1VccV2VYRD差模输入电压差模输入电压Vd=V1-V2共模输入电压共模输入电压Vc=(V1+V2)/2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10748.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RERC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB（1）输入差模信号）输入差模信号国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10758.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性Ri1d =

53、 rbb+(1+ ) re re Rid 2 re Ro1d = Rc/rce Rc Rod 2RcKv1d = = =- = - o1d id o1d2 i1d Ro1d2Ri1dRc2reKvd = = = - od id2 o1d2 i1dRcre 差模放大倍数差模放大倍数（1）输入差模信号）输入差模信号RC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10768.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性Ri1c=rbb+(1+ )(re+2RE) (1+ )(re+2RE) R

54、ic (1+ )(re+2RE)/2Ro1c=Rc/rce Rc Roc 2Rc o1c o1cKv1c = = - ic i1c Rc(1+ )(re+2RE)Kvc = = 0 oc icVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE（2）输入共模信号）输入共模信号 ic+_共模放大倍数共模放大倍数国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10778.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 b)零输入时输出零输入时输出不为零，用失调表示。不为零，用失调表示。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE 实际上的差分

55、放实际上的差分放大器不可能完全对称，大器不可能完全对称，具体表现为：具体表现为： a)共模输入电压共模输入电压增益不为零，用共模增益不为零，用共模抑制比表示；抑制比表示；国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10788.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （1）共模抑制比）共模抑制比 差模信号电压增益与共模差模信号电压增益与共模信号电压增益之比定义为共模信号电压增益之比定义为共模抑制比，记为：抑制比，记为：KCMRR=KvdKvc或：或：KCMRR=20lgKvdKvc(dB)VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2R

56、E国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10798.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （1）共模抑制比（续）共模抑制比（续）Kc -2RERc 22RERc Rc + re不对称时：不对称时：Kc = Kvc2-Kvc1 因此有：因此有：KCMRR=2REre 22RERc Rc + re-1当电路完全对称时：当电路完全对称时：KCMRR VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10808.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不

57、对称性不对称性 （2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂 当差分放大器的输入信号为当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出零时，由于电路的不对称，输出电压并不为零。要使输出电压为电压并不为零。要使输出电压为零，在输入端所必须加的一个补零，在输入端所必须加的一个补偿电压（内阻偿电压（内阻Rs=0）称为输入失）称为输入失调电压，记为调电压，记为VOS。也就是为保。也就是为保持输出电压为零，持输出电压为零，T1、T2管基射管基射极偏置电压应有的差值。极偏置电压应有的差值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理202

58、1-11-10818.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续） 若忽略输入回路中基区、若忽略输入回路中基区、发射区的欧姆电阻，发射区的欧姆电阻，VOS可表可表示为：示为： VOS = (VBE1-VBE2)|Vod=0VOS VT + + 2 RCRC IESIESVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10828.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续） V

59、OS T 固定的失调电压可以设法固定的失调电压可以设法用调零装置预先调零。然而，用调零装置预先调零。然而，当温度变化时，失调也随之当温度变化时，失调也随之变化，通常难以追随。单位变化，通常难以追随。单位温度变化所引起的输入失调温度变化所引起的输入失调电压的变化称为输入失调电电压的变化称为输入失调电压温漂，记为：压温漂，记为：VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10838.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续）衬底温度均匀时有：

60、衬底温度均匀时有： VOS TVOST 如果衬底温度不均匀，如果衬底温度不均匀，环境温度变化时，电路两边环境温度变化时，电路两边的温度变化也不一致，将引的温度变化也不一致，将引进附加的温漂，影响较大。进附加的温漂，影响较大。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2021-11-10848.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 （3）失调电流及其温漂失调电流及其温漂 当差分放大器的输入信号为当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出零时，由于电路的不对称，输出电压并不为零。要使输出电压