第九章 模拟集成电路基本单元

1、精选课件第九章第九章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元洪慧洪慧精选课件上次课上次课:第八章第八章 数字集成电路基本单元及版图数字集成电路基本单元及版图1. TTL1. TTL基本电路（反相器、与非门、或非门）基本电路（反相器、与非门、或非门）2. CMOS2. CMOS反相器反相器3. CMOS3. CMOS与非门和或非门与非门和或非门4. CMOS4. CMOS传输门和开关逻辑传输门和开关逻辑5. CMOS5. CMOS三态门三态门6. CMOS6. CMOS驱动电路驱动电路7. 7. 数字电路标准单元库设计数字电路标准单元库设计8. 8. 焊盘输入焊盘输入/ /输出单元输出单元9.

2、 CMOS9. CMOS存储器存储器精选课件1. 1. 电流源电路电流源电路2. 2. 基准电压源基准电压源3. 3. 单端反相放大器单端反相放大器4. 4. 差分放大器电路差分放大器电路5. 5. 运算放大器电路运算放大器电路6. 6. 振荡器振荡器7. D/A7. D/A与与A/DA/D转换器转换器第九章第九章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元精选课件引言：模拟与数字集成电路区别引言：模拟与数字集成电路区别n模拟集成电路模拟集成电路主要用于处理连续信号，即模拟信主要用于处理连续信号，即模拟信号。号。n模拟集成电路模拟集成电路要求电路的每一组成单元必须是精要求电路的每一组成单元必须是

3、精确的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电确的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电路要强得多。路要强得多。 n模拟集成电路模拟集成电路的版图设计从平面布局到各器件几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何图形的设计都要十分 “ “讲究讲究”，需要考虑的，需要考虑的问题往往比数字集成电路要多。问题往往比数字集成电路要多。n一个一个数字集成电路数字集成电路如果在电路级而不是在逻辑级如果在电路级而不是在逻辑级考虑和优化性能，将与考虑和优化性能，将与模拟集成电路模拟集成电路有许多共同有许多共同点。对高速数字集成电路设计尤其如此。点。对高速数字集成电路设计尤其如此。 精选课件1.1.电流

4、源电路设计电流源电路设计n双极型镜像电流源双极型镜像电流源n双极型基本镜像电流源双极型基本镜像电流源n带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源n威尔逊威尔逊(Wilson)电流源电流源nMOS电流镜电流镜nNMOS基本电流镜基本电流镜nNMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜精选课件双极型镜像电流源双极型镜像电流源（1）双极型基本镜像电流源双极型基本镜像电流源 1222CCOOROBOIIIIIIII精选课件双极型镜像电流源双极型镜像电流源（2）带缓冲级的镜像电流源）带缓冲级的镜像电流源 12221(1)CCOOBROOIIIIIIII 精选课件双极型镜像电流源双极型镜像电流源（3） 威尔逊威尔逊(W

5、ilson)电流源电流源 22222ROII1(1)2OOceOURrI精选课件（1）NMOS基本电流镜基本电流镜 NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如下图所示。MOS电流镜电流镜21()()OrW LIIW L精选课件MOS电流镜电流镜 如果有多个输出支路，如图所示，则各支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路的电流的比值就等于各NMOS晶体管的宽长比晶体管的宽长比的比值。的比值。IrIo1Io2Ion (W/L)r(W/L)1(W/L)2(W/L)n 精选课件MOS电流镜优点电流镜优点n它可以精确地复制电流而不受工艺和它可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影

6、响温度的影响nIO和和Ir的比值由器件尺寸的比率决定的比值由器件尺寸的比率决定n要保证高输出阻抗，采用较长沟道器要保证高输出阻抗，采用较长沟道器件，但会影响寄生电容和电路动态特件，但会影响寄生电容和电路动态特性性精选课件MOS电流镜电流镜（2）NMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜 NMOS基本电流镜因为沟道长度调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电路的输出电阻。威尔逊电流镜正是这样的结构。的结构。 精选课件MOS电流镜电流镜 与与

7、NMOS基本电流镜相比，威尔逊电流镜基本电流镜相比，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电流镜。提高输出电阻的基本原理是在M1的源的源极由极由M2而形成的串联电流负反馈。而形成的串联电流负反馈。精选课件 2.2.基准电压源设计基准电压源设计 理想的基准电压源，要求它不仅有精确稳理想的基准电压源，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。定的电压输出值，而且具有低的温度系数。n温度系数：温度系数：输出电参量随温度的变化量，可以输出电参量随温度的变化量，可以是正的，也可以是负的。是正的，也可以是

8、负的。n正温度系数：正温度系数：输出电参量随温度上升而增大输出电参量随温度上升而增大n负温度系数：负温度系数：输出电参量随温度上升而减小。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。零温度系数的电路结构。 精选课件双极型三管能隙基准源双极型三管能隙基准源112222lnln33REFBEBETJJRkTRVVVVRqJRJ精选课件MOS基准电压源基准电压源1

9、2ln()DSREFBEDSInkTVVqI精选课件3.3.单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 反相放大器的基本结构通常是反相放大器的基本结构通常是漏输出的漏输出的MOS工作管和负载的串联工作管和负载的串联结构。结构。 根据负载的不同，反相放大器根据负载的不同，反相放大器的输出特性有很大区别。的输出特性有很大区别。精选课件先分析先分析MOSFET的模拟模型的模拟模型*MOSFET的高频模拟模型的高频模拟模型.*电容已经在以前提到电容已经在以前提到.*ro 是输出电阻是输出电阻.小信号等效电路精选课件简化后的小信号等效电路简化后的小信号等效电路电流源电流源输出电阻输出电阻简化后的小信号

10、等效电路简化后的小信号等效电路精选课件常用常用MOS反相放大器电路结构反相放大器电路结构n纯电阻负载纯电阻负载NMOS放大器放大器nE/E NMOS放大器放大器nE/D NMOS放大器放大器nPMOS负载放大器负载放大器精选课件纯电阻负载纯电阻负载NMOS放大器放大器VT1VINVDDVOUTRL101101(/)2()(/)VLnoxDSLAg RrCW L IRr 小信号等效电路小信号等效电路精选课件E/E NMOS放大器放大器1122()()VgW LAgW L 精选课件E/D NMOS放大器放大器112()1()VBBW LAg rW L 精选课件PMOS负载放大器负载放大器12( )

11、112| |12()|AAV eNoxAADSVVACW LVVI 11()22()()NVfPW LgAgW L 精选课件PMOS负载放大器负载放大器(e)小信号等效电路图精选课件PMOS负载放大器负载放大器(e)因为因为M2的的G极电压不变，极电压不变，所以所以vgs2=0因为因为vout=-(gm1*vin)*ro1/ro2Av = -gm1*(ro1/ro2)精选课件小信号等效电路PMOS负载放大器负载放大器(f)精选课件因为因为ro2=ro11/gm2因为因为M2的的D和和G连接连接在一起，所以用电阻在一起，所以用电阻1/gm2替代该电流源替代该电流源PMOS负载放大器负载放大器(f

12、)1122NVPW LgAgW L 精选课件主要有：主要有：n提高工作管的跨导提高工作管的跨导 增加宽长比增加宽长比n减少衬底偏置效应的影响减少衬底偏置效应的影响n采用恒流源负载结构采用恒流源负载结构提高放大器电压增益方法提高放大器电压增益方法精选课件改进改进CMOS推挽放大器推挽放大器12112| |22()|AAVNoxAADSVVACW LVVI精选课件4.4.差分放大器电路设计差分放大器电路设计n双极型差分放大电路双极型差分放大电路n双极型基本差分放大电路双极型基本差分放大电路n射极耦合差分放大电路射极耦合差分放大电路n恒流源差分电路恒流源差分电路nMOS差分放大电路差分放大电路n基本

13、基本MOS差分放大电路差分放大电路nMOS差分放大器的负载形式差分放大器的负载形式nPMOS恒流负载差分放大器电路恒流负载差分放大器电路精选课件双极型差分放大电路双极型差分放大电路 （1）双极型基本差分放大电路）双极型基本差分放大电路 精选课件双极型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）射极耦合差分放大电路（长尾式差分放大电路）分放大电路） 精选课件双极型差分放大电路双极型差分放大电路（3）恒流源差分电路）恒流源差分电路 精选课件MOS差分放大电路差分放大电路（1）基本的）基本的MOS差分放大电路差分放大电路 精选课件iD1-iD2Iss-IssvID-vIDvI

14、Do MOS差分放大器差模特性曲线差分放大器差模特性曲线 MOS差分放大电路差分放大电路精选课件MOS差分放大电路差分放大电路（2）MOS差分放大器的负载形式差分放大器的负载形式 精选课件MOS差分放大电路差分放大电路PMOS恒流负载差放恒流负载差放MOS差分放大器电路差分放大器电路精选课件 5.5.运算放大器电路运算放大器电路 运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和运算放大器（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：能参数主要有：n增益增益n小信号带宽小信号带宽n大信号带宽大信号带宽n输出摆幅输出摆幅n线性线

15、性n噪声与失调噪声与失调n电源抑制电源抑制精选课件套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构简单运放结构简单运放结构20204(|)VmAgrr精选课件套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构共源共栅运放共源共栅运放24 02 046 06 08(|)VmmmAggr rgr r精选课件套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构输入与输出短路的共源共栅结构输入与输出短路的共源共栅结构精选课件折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 折叠式共源共栅电路折叠式共源共栅电路 精选课件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结构折叠式共源共栅运放结构精选课件共源共栅共源共栅PMOS负载的折叠共源共栅运放负

16、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 精选课件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折叠式共源共栅运放的半边电路精选课件输出对地短路的等效电路输出对地短路的等效电路折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 精选课件输出开路的等效电路输出开路的等效电路折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 精选课件共源共栅运放中器件电容对非主极点影响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折叠式共源共栅运放 精选课件一种折叠共源共栅运放的实现一种折叠共源共栅运放的实现 折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 精选课件两级运放两级运放两级运放两级运放 两级运

17、放就是两个简单放大器组合形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。益、摆幅等性能指标。精选课件两级运放两级运放一种两级运放的简单实现一种两级运放的简单实现 精选课件采用共源共栅的两级运放采用共源共栅的两级运放 两级运放两级运放精选课件单端输出的两级运放单端输出的两级运放两级运放两级运放精选课件6.6. 振荡器振荡器目前振荡器主要分为两类：目前振荡器主要分为两类：n谐波振荡器谐波振荡器n张驰振荡器张驰振荡器精选课件 目前谐波振荡器多采用目前谐波振荡器多采用LC谐振电路和晶振谐振电路和晶振来决定振荡频率。主要有：来

18、决定振荡频率。主要有：n哈特来（哈特来（Hartley） LC振荡器振荡器n考毕兹（考毕兹（Colpitts） LC振荡器振荡器n克莱普（克莱普（Clapp） LC振荡器振荡器n差动差动LC振荡器振荡器LC振荡器振荡器谐波振荡器谐波振荡器精选课件多谐振荡器多谐振荡器 张驰振荡器主要靠张驰振荡器主要靠对储能元件（主要是电对储能元件（主要是电容）进行充放电工作。容）进行充放电工作。一般电路由一个强烈正一般电路由一个强烈正反馈的环路构成。反馈的环路构成。 张驰振荡器噪声性张驰振荡器噪声性能要比能要比LC振荡器要差，振荡器要差，但面积小，调谐范围宽。但面积小，调谐范围宽。张驰振荡器张驰振荡器精选课件环形振荡器环形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。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对于一个总直流相位偏移180度的度的n级反相级反相放大器组成的环形振荡器，环路振荡周期为放大器组成的环形振荡器，环路振荡周期为2nTd（Td为门延迟）。为门延迟）。精选课件环形振荡器的延迟