模拟电子技术基础 第八章

1、制作：李金平第八章第八章 MOSMOS 模拟集成电路模拟集成电路第一节第一节 概述概述第二节第二节 MOSMOS 模拟集成单元电路模拟集成单元电路第三节第三节 MOSMOS 模拟集成运算放大器模拟集成运算放大器第四节第四节 MOSMOS 模拟开关及开关电容电路模拟开关及开关电容电路第一节 概述与双极型模拟集成电路相比,MOS模拟集成电路:优点优点:集成度高集成度高(1/5),输入阻抗高输入阻抗高,功耗低功耗低,制造简单制造简单, 动态范围大动态范围大,成本低成本低. 缺点缺点: :增益低增益低,(1/40),(1/40),工艺匹配性能差工艺匹配性能差, ,低频噪声大低频噪声大按按MOS工艺分为

2、工艺分为:1.PMOS型型:电路全部由电路全部由P沟道沟道FET组成。组成。2.NMOS型型:电路全部由电路全部由N沟道沟道FET组成。组成。 3.CMOS型型:电路由电路由PMOS、NMOS互补器件组成。互补器件组成。第二节 MOS模拟集成电路一、一、MOS 电流源电流源（一）、（一）、 MOS镜像电流源（电路如图）镜像电流源（电路如图）T!T2EIrI0T1、T2均工作在恒流区均工作在恒流区022112!IIIIrLWLWDD2222222TGSLWCDUUIoxn2112111TGSLWCDUUIoxn因为因为UGS1=UGS2,UT1=UT2,IG=0所以所以一、MOS MOS 电流源

3、电流源（一）、（一）、 MOS镜像电流源（电路如图）镜像电流源（电路如图）T!T2EIrI0022112!IIIIrLWLWDD若若T1、T2结构对称，则沟道的结构对称，则沟道的宽长比宽长比=1。所以。所以 Io=Ir 成镜像关系成镜像关系一、 MOS MOS 电流源电流源（二）、具有多路输出的比例电流源（电路如图）（二）、具有多路输出的比例电流源（电路如图） 由（一）可知，若由（一）可知，若T1、T2结构不对称，则结构不对称，则I0与与Ir成成比例，比例系数为沟道的比例，比例系数为沟道的宽长比之比。设宽长比之比。设T1、T2、T3管的沟道宽长比分别为管的沟道宽长比分别为ST1、ST2、ST3

4、，则有则有I02I03T3rSSIITT1202rSSIITT1303UDDBSD.G.BSgmUGSgmbUBSrDSI0U0二、 MOSMOS管有源负载管有源负载（一）增强型（单管）有源负载（一）增强型（单管）有源负载将将D、G短接，电路如图短接，电路如图R0R0等效电路如图等效电路如图00000UgUgUgUIUdSbSmbGSmRmmbmdSmbmgggggg1111其中：其中：mmbgg 称称跨导比跨导比显然，适当减小显然，适当减小gm(或或 ) ，可提高，可提高R0G.S二、 MOSMOS管有源负载管有源负载（二）耗尽型（二）耗尽型 单管）有源负载单管）有源负载将将D、S短接，电路

5、如图短接，电路如图R0R0等效电路如图等效电路如图00000UgUgUIUdSbSmbRmbdSmbggg11显然，与增强型显然，与增强型MOS有源负载有源负载相比，它具有更高的相比，它具有更高的R0三、 MOSMOS单级放大器单级放大器有源负载的共源有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：放大器常见的电路形式有：1.E/E型型NMOS放大器放大器：放大管和负载管均为：放大管和负载管均为N沟道增强型沟道增强型 （E型）的共源放大器。型）的共源放大器。2. E/D型型NMOS放大器放大器：放大管用增强型（：放大管用增强型（E型）型） ，负载管，负载管 用耗尽型（用耗尽型（D型），两管均为型）

6、，两管均为N沟沟 的共源放大器。的共源放大器。3.CMOS放大器放大器：使衬、源电压（：使衬、源电压（UBS=0）,并由增强型并由增强型NMOS 管和增强型管和增强型PMOS组成的放大器。组成的放大器。4. CMOS放大器放大器：在的基础上，将两管的栅极连在一起作为：在的基础上，将两管的栅极连在一起作为 输入端。输入端。（一）、E/E型NMOSMOS放大器放大器电路如图电路如图 (N1为放大管为放大管,N2为负载管为负载管)等效电路如图等效电路如图 (RL2=1/gmb2为为N2管的等效电阻管的等效电阻)N1N2UDDUiUo电压增益电压增益:21221121mmmbmmgggggLmUERg

7、A2111NNSS由于由于SN1、SN2受工作点限制不能随意受工作点限制不能随意增加，所以增加，所以AUE较小。较小。输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds/RL2211mg（二）、E/D型NMOSMOS放大器放大器N1N2UDDUiUo电路如图电路如图 (N1为放大管为放大管,N2为负载管为负载管)等效电路如图等效电路如图 (RL2=1/gmb2为为N2管的等效电阻管的等效电阻)电压增益电压增益:输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds/RL2212121121NNmmmbmSSggggLmUDRgA因为因为 2为为0.1左右左右,所以所

8、以AUD比比AUE高高一个数量级一个数量级,增益较高。增益较高。22111mbmbdsggg显见，比显见，比E/E型放大器输出电阻高。型放大器输出电阻高。（三）、C CMOSMOS放大器放大器电路如图电路如图 : (B、S短接即短接即UBS=0;UGS=0)等效电路如图等效电路如图 : (P2管的等效负载管的等效负载RL2=rds)rdS2电压增益：电压增益： AUC=-gm1(rds1/rds2)=- gm1/(gds1+gds2)gds1+gds2比比gm2、gmb2小小12个数量级，所以，在个数量级，所以，在 同样工作电流条件下，同样工作电流条件下，AUC远高于远高于AUE、AUD。在恒

9、流区在恒流区，ID越小，越小，AUC越高。越高。输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds1/rds2=1/(gds1+gds2)Ro比比E/E、E/D放大器的放大器的Ro高。高。-USS（四）、C CMOSMOS互补放大器互补放大器电路如图：电路如图：等效电路如图：等效电路如图：gm1Ugs1gm2UGS2rds2电压增益：电压增益：AUC=-(gm1+ gm2)/(rds1/rds2) =-( gm1 + gm2) /(gds1+gds2)输入电阻：输入电阻：Ri1010 输出电阻：输出电阻：Ro=rds1/rds2 =1/(gds1+gds2)显见，它比显见，它比

10、CMOS放大器具有更高的增益。放大器具有更高的增益。-USS第三节、MOSMOS集成运算放大器集成运算放大器2.CMOS运放：运放： 常用的集成运算放大器有常用的集成运算放大器有1.NMOS运放：运放： 优点：速度快、集成度高。优点：速度快、集成度高。缺点：缺点：Au小、电路复杂。小、电路复杂。优点：增益高、电路简单。优点：增益高、电路简单。缺点：速度较低、集成度较低。缺点：速度较低、集成度较低。（一）、5G14573CMOSMOS四运放电路四运放电路PoP1P2P3P4N1N2N3cR-UssUDDUoUi1Ui2123456789101112131415165G14573外形封装如图（含外

11、形封装如图（含4个完全相同的运放）个完全相同的运放）(1/4) 5G14573运放电路如图运放电路如图(1/4)5G14573(1/4)5G14573运放电路分析运放电路分析PoP1P2P3P4N1N2N3cR-UssUDDUoUi1Ui2电路结构：电路结构：偏置电路偏置电路差动输入级差动输入级输出级输出级偏置电路：偏置电路：由由P0、P1、P2管组成比例电流源，参管组成比例电流源，参考电流由考电流由P0和和R提供。提供。差动输入级：差动输入级：由由P3、P4组组成，成，N1、N2为其有源负载为其有源负载，并完成双，并完成双-单端转换。单端转换。输出级：输出级：由由N1,P2构成共构成共源放大

12、器，源放大器，P2为负载管，为负载管，C为密勒补偿电容。为密勒补偿电容。第四节第四节 MOSMOS模拟开关及开关电容电路模拟开关及开关电容电路在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，MOS管可做为：管可做为： 1.增益器件；增益器件； 2.有源负载；有源负载； 3.模拟开关模拟开关(接近于理想开关接近于理想开关)做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性：做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性： 1.器件接通时器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。间不存在固有的直流漂移。 2.控制端控制端G与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之 间无直流电流

13、。间无直流电流。从开关应用角度讲，从开关应用角度讲，NMOS优于优于PMOS，所以通常选用，所以通常选用NMOS管做模拟开关。管做模拟开关。一、单管一、单管 MOSMOS传输门模拟开关传输门模拟开关1.增强型单管增强型单管MOS模拟开关电路模拟开关电路GSBCLRLUoUiSDBGCGSCSBCGDCDBKR0nKUGUt时管子导通（时管子导通（Ron 0）。）。 所以可近似等效为理想开关（如图）所以可近似等效为理想开关（如图）实际应用时，实际应用时，MOS管并非理想开关。管并非理想开关。 因为：因为：（1）极间电容）极间电容CGS、CGD、CSB、CDB存在存在（2）Roff , Ron 0

14、TGSLWoxnUUConR1UGS Ron ,CGSCGD串扰串扰 .所以应适当选择所以应适当选择UGSLWRon ,极间电容极间电容 .所以应适当选择所以应适当选择LW显见：显见：保证保证MOSMOS模拟开关正常工作的条件模拟开关正常工作的条件MOS开关的正常工作受限于与开关连接的电容值，开关的正常工作受限于与开关连接的电容值， 时间常数是限制开关工作速度的重要因素。时间常数是限制开关工作速度的重要因素。保证开关工作的条件为：保证开关工作的条件为：开关工作频率开关工作频率时钟控制频率时钟控制频率二、开关电容电路（简称二、开关电容电路（简称SCSC电路）电路）开关电容电路的组成：开关电容电路

15、的组成：由模拟开关和由模拟开关和NMOS电容组成。电容组成。开关电容电路的功能：开关电容电路的功能：在时钟信号的控制下完成电荷的存储和在时钟信号的控制下完成电荷的存储和 转移。它与运放等基本电路组合起来可转移。它与运放等基本电路组合起来可 实现多种功能。实现多种功能。几种常用的基本几种常用的基本SC电路电路:1.SC等效电阻电路，分为等效电阻电路，分为（1）并联型）并联型SC等效电阻电路，等效电阻电路，（2）串联型）串联型SC等效电阻电路，等效电阻电路，2.SC积分器（简称积分器（简称SCI）3.SC低通滤波器低通滤波器（一）、（一）、SCSC等效电阻电路等效电阻电路1.并联型并联型SC等效电

16、阻电路，（如图）等效电阻电路，（如图）/ ttTc （1）要求：）要求： 、 / 同频、反相、等幅同频、反相、等幅 且不重叠。波形如图且不重叠。波形如图（2）工作原理）工作原理当当 为高电平时，为高电平时，N1通、通、N2止，止，C接到接到U1得到充电电荷得到充电电荷Q1=CU1当当/ 为高电平时，为高电平时，N1止、止、N2通，通，C接到接到U2，C端端电荷电荷Q2=CU2因此，在时钟因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输传输 的电荷为的电荷为 Q=Q1-Q2=C(U1-U2)N1N2U2U1 / CRU1U2（一）、（一）、SCSC等效电阻电路等效电阻电路（2）工作原理）工作原理因此

17、，在时钟因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输传输 的电荷为：的电荷为： Q=Q1-Q2=C(U1-U2)从从U1流向流向U2的平均电流为：的平均电流为：I= Q/TC=C(U1-U2)/TC所以，等效电阻为：所以，等效电阻为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC注意：注意：等效电阻等效电阻R代替常规电阻必须满足以下条件代替常规电阻必须满足以下条件1.fC远大于远大于fS2.U1、U2 不受开关闭合的影响不受开关闭合的影响N1N2U2U1 / CRU1U2（一）、（一）、SCSC等效电阻电路等效电阻电路工作原理工作原理因此，在时钟因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输传

18、输 的电荷为：的电荷为： Q=Q1-Q2=C(U1-U2)所以，等效电阻也为：所以，等效电阻也为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC2.串联型串联型SC等效电阻电路，（如图）等效电阻电路，（如图）当当 为高电平时，为高电平时，N1通、通、N2止，止，C上储存的电荷量上储存的电荷量Q1=C（U1-U2)当当/ 为高电平时，为高电平时，N1止、止、N2通，通，C上储存的电荷量上储存的电荷量Q2=0显见，与并联型显见，与并联型SC等效电阻电路的等效电阻电路的 Q相同相同二、二、 SCSC积分器（简称积分器（简称SCISCI） / UiCC1UoUiCUoR已知已知RC有源积分器电路如图有源积分器电路如图其输出表达式为：其输出表达式为：只要用只要用SC等效电阻代替上图中的等效电阻代替上图中的常规电阻常规电阻R，即得到，即得到SC积分器。积分器。相应的输出表达式为：相应的输出表达式为： dttUtUtiCCfc10在集成电路中，很难获得精确地电容在集成电路中，很难获得精确地电容，但易获得精确地电容比，所以，但易获得精确地电容比，所以SCI有较高的精度有较高的精度. dttUtUtiRC10（三）、（三）、SCSC低通滤波器低通滤波器R1CUiUc