第七章 模拟集成电路中常用的单元电路

1、微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理1第七章第七章 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 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理27-1 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工作电流和很高的动态电阻

2、，常常用于提供的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供稳定的偏置电流和放大器的负载电阻，以便获稳定的偏置电流和放大器的负载电阻，以便获得稳定的电路性能和大的增益。得稳定的电路性能和大的增益。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理3 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？ 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理47.1.1 npn恒流源电路恒流源

3、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 ，均，均工作在放大区。工作在放大区。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 Io微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理57.1.1 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，其它条件其它条件完全相同完全相同 ，均工作在放大区。，均工作在放大区。

4、则：则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2 因此：因此：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/AE1VRrIrIoT1T2Ib1Ib2微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理67.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 3. 电阻比电阻比恒流源恒流源Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R1R2 IE1R1 + VBE1 = IE2R2 + VBE2 IE1R1 = IE2

5、R2 + VBE2 - VBE1 IE1R1 IE2R2因此：因此：Ir= IE1 +IE2/( +1) = IE2 R2/R1+1/( +1)所以所以:Ir IoR2/R1 即即: Io/Ir =R1/R2设设T1和和T2完全相同完全相同 ，均工作在放大区。，均工作在放大区。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理77.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 4. 小电流小电流恒流源恒流源Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2 VBE1 = IE2R2 + VBE2 则：则： IE2R2 = VBE1 VBE2 = VTln(IE1/IE2)因此近似有：因此近似有：

6、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，就可以求出要设计的以求出要设计的R2。其中：其中： VT =KT/q (热电压热电压) 设设T1和和T2完全相同完全相同 ，均工作在放大区。，均工作在放大区。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理87.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5. 多支路多支路恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1则：则： Ir = Ic1+(1+N)Ib = Io + (1+N)Io/ 即：即：Io / Ir = / + (1+N) 可见，支路数增加，会可见

7、，支路数增加，会使使Io 与与 Ir的差值增大。的差值增大。 设晶体管均相同设晶体管均相同，均工，均工作在放大区。作在放大区。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理97.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6. 带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1VT0则：则： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 =(1+N)Io/ 可见，可见，Io 与与 Ir的差的差值明显减小。值明显减小。 则：则： IoIr = 2+ 2+ +N+1 设晶体管均相同设晶体管均相同，均工，均工作在放大区。作

8、在放大区。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理107.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 7. 具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2 这种电流源不仅使这种电流源不仅使Io 与与 Ir的差值非的差值非常小，而且还具有负反馈补偿特性，常小，而且还具有负反馈补偿特性，更有利于工作点的稳定。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增大，增大，则则 Ie3 Ic2 Ic1 。而。而Ir= Ic1+Ib3不变，不变，则则 Ic1 Ib3 Io 。则：则：IoIr = 2

9、+ 2 2+2 +2设晶体管均相同设晶体管均相同，均工作在放大区。，均工作在放大区。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理117.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 8. 版图举例版图举例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理127.1.2 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

10、形式与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。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理137.1.2 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IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2Rr

11、VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理147.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 3. 单元版图举例单元版图举例微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理157.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 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(

12、WL)2(WL)3(得：得： Ir一定，一定，Io与输出端电压无与输出端电压无关。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。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理167.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 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

13、 Xd VDS 因此，输出电压对输出电因此，输出电压对输出电流产生一定的影响。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。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理177.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续2）电流源输出电阻电流源输出电阻(MOS管饱管饱和导通电阻和导通电阻)： 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。（ ）LIds Xd VDSrds=

14、= IDS1-1M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理187.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2.级联结构的恒流源级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC MOS管均工作在饱管均工作在饱和区。由于和区。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的作的作用，使输出电流不受输出用，使输出电流不受输出电压的影响，减小了沟道电压的影响，减小了沟道长度调制的影响，同时也长度调制的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。大幅度提高了输出阻抗。 其缺点是为了使晶体其缺点是

15、为了使晶体管都工作在饱和区，输出管都工作在饱和区，输出电压变化范围减小了。电压变化范围减小了。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理197.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3. Wilson(威尔逊）恒流威尔逊）恒流源源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc MOS管均工作在饱和区。管均工作在饱和区。 该电流源的输出阻抗较高该电流源的输出阻抗较高（与级联结构相似）。（与级联结构相似）。 该电流源具有负反馈作该电流源具有负反馈作用，使用，使Io 的变化能得到补偿，的变化能得到补偿，提高了输出电流的稳定性。提高了输出电流的稳定性。 增加增加M3的的W/

16、L可以增强可以增强对输出电流变化的调节能力。对输出电流变化的调节能力。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理207.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4. 改进的改进的Wilson(威尔逊）恒流源威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3M4M1M2IrIoM3M4Vcc MOS管均工作管均工作在饱和区。在饱和区。 该电流源是在该电流源是在Wilson恒流源基础上恒流源基础上增加了增加了M4，使得，使得M1和和M2的漏端电压相近，的漏端电压相近，Io的误差更小。的误差更小。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理217.1.4 恒流源作有

17、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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理227.1.4 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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理237.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 3. 特点特点VceIc0Ib1Ib2Ib3Ib4Ids

18、VdsVgs4Vgs3Vgs2Vgs1a) 有较大的交流电阻（动态电阻），有利于有较大的交流电阻（动态电阻），有利于提高放大电路的增益提高放大电路的增益; Vce Icrce= Vds Idsrds=b)有较小的直流电阻（静有较小的直流电阻（静态电阻），不需要提高态电阻），不需要提高电源电压来维持一定的电源电压来维持一定的工作电流工作电流;VceIcRce=VdsIdsRds=微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理247.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 3. 特点特点VceIc0Ib1Ib2Ib3Ib4IdsVdsVgs4Vgs3Vgs2Vgs1c)电源

19、电压变化范围宽，只要确保负载管处于放电源电压变化范围宽，只要确保负载管处于放大区，输出电压的变化与工作电流几乎无关。大区，输出电压的变化与工作电流几乎无关。d) 面积小，易制作。面积小，易制作。e) 基区宽度调制效应（沟基区宽度调制效应（沟道长度调制效应）影响道长度调制效应）影响交流电阻。交流电阻。Vce+ VAIcrce=（ ）LIds Xd VDSrds= = IDS1-1微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理257-2 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

20、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

21、压和温度不敏感。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理26 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？各自的特点是基准电压源有哪些类型？各自的特点是什么？什么？微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理277.2.1 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 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（负温度系数）和内阻温度系数（负温度系数）和内阻Rr都很大，与串联个数成正比。都很大，与串联个数

22、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。 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理287.2.1 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ViVrefViVrefVrefGNDVDD微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理297.2.2 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

23、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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理307.2.2 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微电子中心微电子中心HMEC

24、HMEC集成电路设计原理集成电路设计原理317.2.3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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理327.2.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源

25、 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理337.2.4 双极型能隙基准源双极型能隙基准源1 电路及原理电路及原理VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2 Vref T =T0 VT R3 R2 ln( ) +I2 I1 VBE T Vref = VBE + I2R2I2= (小电流源）小电流源）R3 VT ln( ) I2 I1 Vref =VBE+VTR3 R2 ln( ) I2 I1 则：则：微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理347.2.4 双极型能隙基准源

26、双极型能隙基准源1电路及原理电路及原理（续（续1）VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2 VBE T =T0 1 (VBE - Vg0)又：又：Vg0 =Eg0 /q (带隙电压带隙电压)其中：其中：再令：再令： Vref T = 0 Vref T =T0 VT R3 R2 ln( ) +I2 I1 VBE T Vg0 = VBE + VT R3 R2 I2 I1 ln( ) 则：则：微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理357.2.4 双极型能隙基准源双极型能隙基准源1电路及原理电路及原理（续（续2）VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2 只要适当选取只

27、要适当选取R2/R3和和I1/I2，就能使就能使Vref温度系数为零，且此温度系数为零，且此时的时的Vref值为带隙电压值为带隙电压Vg0 。 温度系数可调为零的根本原温度系数可调为零的根本原因是因是VBE具有负温度系数，而具有负温度系数，而VT具有正温度系数。具有正温度系数。Vref =VBE+VTR3 R2 ln( ) I2 I1 Vg0 = VBE + VT R3 R2 I2 I1 ln( ) 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理367.2.5 双极型能隙基准源双极型能隙基准源2电路及原理电路及原理T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2Vref

28、 = VBE + (I1+ I2)R2I2= (小电流源）小电流源）R1 VT ln( ) I2 I1 I1 Vref =VBE + (1+ )VTI2 R1 R2 ln( ) I2 I1 Vref T = (1+ ) T0 VT R1 R2 ln( ) +I2 I1 VBE T I2 I1 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理377.2.5 双极型能隙基准源双极型能隙基准源2电路及原理电路及原理（续（续1）T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2 VBE T =T0 1 (VBE - Vg0)又：又：Vg0 =Eg0 /q (带隙电压带隙电压)其中：

29、其中：再令：再令： Vref T = 0 Vref T = (1+ ) T0 VT R1 R2 ln( ) +I2 I1 VBE T I2 I1 Vg0 = VBE + (1+ ) VT R1 R2 I2 I1 ln( ) I2 I1 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理387.2.5 双极型能隙基准源双极型能隙基准源2电路及原理电路及原理（续（续2）T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2 只要适当选取只要适当选取R2/R1和和I1/I2，就能使就能使Vref温度系数为零，且此温度系数为零，且此时的时的Vref值为带隙电压值为带隙电压Vg0 。 I1

30、/I2还需通过调整还需通过调整T3和和T4 管管的面积比的面积比(AE3/AE4)来实现。来实现。I1 Vref =VBE + (1+ )VTI2 R1 R2 ln( ) I2 I1 Vg0 = VBE + (1+ ) VT R1 R2 I2 I1 ln( ) I2 I1 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理397.2.6 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

31、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。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理407.2.6 MOS型能隙基准源型能隙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 eVSB/VTWL设设M1、M2工作于次开启，工作于次开启，令令 =W/L，则有：，则有： 1 2e(VSB1- VSB2)

32、/ VT= 1 2e-VR1/VT = 3 4Io = ( 5 / 4) ( VR1 /R1 )VR1=VTln 3 2 4 1微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理417.2.6 MOS型能隙基准源型能隙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具有正的温度具有正的温度系数，系数， VBE具有负的温度具有负的温度系数。因而，只要适当调系数。因而，只要适当调整各整各MOS管的管的W/L值及电值及电阻值，即可得到零温度系阻值，即可得到零温度系数的参考电压，且其值恰数的参考电

33、压，且其值恰为带隙电压。为带隙电压。M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理427.2.6 MOS型能隙基准源型能隙基准源 PNP晶体管晶体管P-subN-WellP+P+P+N+N+P-subN-WellP+P+N+N+P+微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理437-3 差分放大器差分放大器 差分放大器又称为差动放大器，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。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成

34、电路设计原理集成电路设计原理44 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？微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理457.3.1 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（1）输入差模信号）输入差模信号Ri1d = rbb+(1+ )re re Rid 2 re Ro1d = Rc/rce Rc Rod 2RcKv1d = = =- = - o1d id o1d2 i1d ro1d2ri1dRc2reKvd = = = - od id2 o1d2 i1dRc

35、re VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理467.3.1 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（2）输入共模信号）输入共模信号Ri1c=rbb+(1+ )(re+2RE) (1+ )(re+2RE) Ric (1+ )(re+2RE)/2Ro1c=Rc/rce Rc Rod 2Rc o1c o1cKv1c = = - ic i1c Rc(1+ )(re+2RE)Kvc = = 0 oc icVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路

36、设计原理集成电路设计原理477.3.1 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 实际上的差分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； 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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理487.3.1 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

37、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 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理497.3.1 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

38、称时：KCMRR VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理507.3.1 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 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

39、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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理517.3.1 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微电子中心微电子中心H

40、MECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理527.3.1 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） VOS 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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计

41、原理集成电路设计原理537.3.1 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：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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理547.3.1 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

42、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流（内阻偿电流（内阻Rs= ）称为输入）称为输入失调电流，记为失调电流，记为IOS。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管基极管基极偏置电流应有的差值。偏置电流应有的差值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理557.3.1 双极型差分放大器双极型差

43、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（续）（续）IOS可表示为：可表示为： IOS = (IB1-IB2)|Vod=0IOS IiB + RCRC 其中其中IiB将为输入偏置电流，将为输入偏置电流，通常取两输入端电流的平均值。通常取两输入端电流的平均值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理567.3.1 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（续）（续） IOS T 单位温度变化所引起的输入单位温度变化所引起的输入失调电

44、流的变化称为输入失调电失调电流的变化称为输入失调电压温漂，记为：压温漂，记为： 为了直观起见，忽略电阻为了直观起见，忽略电阻的不对称性，即的不对称性，即 RC = 0，则：则：IOS IOS T= - TVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理577.3.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施a)用恒流源代替射极耦用恒流源代替射极耦合电阻合电阻RE 既增大了等效电阻，既增大了等效电阻，改善了共模抑制比，又改善了共模抑制比，又稳定了工作电流。稳定了工作电流。 (单纯增加阻值，单纯增加阻值

45、，将影响工作电流将影响工作电流)。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2T4IrIeT3微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理587.3.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施 b)采用有源负载代替集采用有源负载代替集电极负载电阻电极负载电阻RC 有较高的动态输出有较高的动态输出阻抗，提高增益和共模阻抗，提高增益和共模抑制比；而又具有较低抑制比；而又具有较低的直流电阻，不需要提的直流电阻，不需要提高工作电压即可维持正高工作电压即可维持正常工作电流。常工作电流。 T2T1 o2 i1 i2T3T4VCCIeT5T6IrT4 o

46、1微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理597.3.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施 c)改善差分输入改善差分输入管特性管特性 采用高增益采用高增益晶体管、达林顿晶体管、达林顿管、互补复合管、管、互补复合管、MOS管等，提高管等，提高增益，提高输入增益，提高输入阻抗。阻抗。 T2T1 o2 i1 i2T3T4VCCIeT5T6IrT4 o1微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理607.3.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 4.单端化结构单端化结构T2T1 o i1 i2T3T4VCCT5IeT6I

47、r I3 I2 I1 Io当输入差模信号时当输入差模信号时： I1= - I2 T3 、T4组成镜像电组成镜像电流源，使：流源，使： I3= I1因此：因此： Io= I3 - I2 = I1 - I2= - 2 I2 当输入共模信号时当输入共模信号时，同理可得同理可得 Io=0。 可见，与双端输出信号相同可见，与双端输出信号相同。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理617.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 1. E/E NMOS结构结构VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电

48、路设计原理627.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 2. E/D NMOS结构结构VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理637.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 3. NMOS管作为输入管的管作为输入管的CMOS结构结构1VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理647.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 4. NMOS管作为输入管的管作为输入管的CMOS结构结构2VccVi1Vi2VoM1M2M3M

49、4M5IsM6M7微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理657.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 5. PMOS管作为输入管的管作为输入管的CMOS结构结构1VccVi1Vi2Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7Vo1微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理667.3.2 MOS型差分放大器型差分放大器 6. PMOS管作为输入管的管作为输入管的CMOS结构结构2VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理677.3.3 集成差分放大器的特点集成差分放

50、大器的特点 影响差分放大器性能的关键因素就影响差分放大器性能的关键因素就是不对称性，包括电阻、晶体管等器件是不对称性，包括电阻、晶体管等器件参数的差异，由此引起放大器的输入失参数的差异，由此引起放大器的输入失调及其温漂。而集成电路的最大优点就调及其温漂。而集成电路的最大优点就是相关器件的匹配性能好，原因是所有是相关器件的匹配性能好，原因是所有器件都在同一芯片中，可以做到工艺离器件都在同一芯片中，可以做到工艺离散性小，环境差异小。因而集成差分放散性小，环境差异小。因而集成差分放大器的对称性好。大器的对称性好。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理687-4 模拟开关

51、电路模拟开关电路 模拟开关在模拟集成电路中应用很广，模拟开关在模拟集成电路中应用很广，如如A/D转换器、转换器、D/A转换器、取样保持电路、转换器、取样保持电路、电容开关滤波器、多路开关电路等。电容开关滤波器、多路开关电路等。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理69 思考题思考题1. 模拟开关的特点是什么模拟开关的特点是什么？2. 模拟开关有哪些种类？模拟开关有哪些种类？3. 什么叫什么叫“电容馈通效应电容馈通效应”？ ？微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理707.4.1 模拟开关电路的特点模拟开关电路的特点 模拟开关是用来控制模

52、拟信号传输模拟开关是用来控制模拟信号传输的一种电子开关，的一种电子开关，其本身是由数字信号其本身是由数字信号控制而呈现控制而呈现“接通接通”或或“断开断开”两种状两种状态，以使信号态，以使信号“通过通过”或或“阻断阻断”。 通常要求其导通电阻小、截止电阻大、通常要求其导通电阻小、截止电阻大、速度快、精度高、稳定性好。速度快、精度高、稳定性好。 这种电子开关比机械触点开关寿命长、这种电子开关比机械触点开关寿命长、速度快、使用方便。速度快、使用方便。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理717.4.2 模拟开关电路的分类模拟开关电路的分类 组成模拟开关的器件可以是双极

53、晶体组成模拟开关的器件可以是双极晶体管或管或MOS管。管。 根据开关接换的对象是电流还是电压，根据开关接换的对象是电流还是电压，可以把模拟开关分为电流开关型和电压可以把模拟开关分为电流开关型和电压开关型。开关型。 在在电流电流开关中，流过开关的电流总是开关中，流过开关的电流总是和被接换的电流相等；和被接换的电流相等； 在在电压电压开关中，输出的电压总是和被开关中，输出的电压总是和被接换的电压有关。接换的电压有关。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理727.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关1. 基本型电流开关基本型电流开关VrefRE（网络电阻）（网络电阻）V

54、-AV控控RfD2D1TicVA 当当V控控为低电平时，为低电平时， D2截止，则经截止，则经T管及管及网络电阻网络电阻RE的电流的电流ic由下一级电路通过由下一级电路通过Rf 和导通的和导通的D1提供，流提供，流经运放，参与运算，经运放，参与运算，此时为此时为“接通接通”状态。状态。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理737.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关1. 基本型电流开关（续）基本型电流开关（续） 当当V控控为高电平时，为高电平时， D2导通，使导通，使VA抬高，抬高， D1截止。则经截止。则经T管及管及网络电阻网络电阻RE的电流的电流ic由由V控控

55、提供，而不流经提供，而不流经运放，此时为运放，此时为“断开断开”状态。状态。VrefRE（网络电阻）（网络电阻）V-AV控控RfD2D1TicVA微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理747.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关1. 基本型电流开关（续）基本型电流开关（续）ic =1+ Vref VBEVRE 可以在可以在T管管的发射极直接进的发射极直接进行控制。行控制。Vref（网络电阻）（网络电阻） REV-V控控D2D1TicVA 被切换电流：被切换电流：VrefVV控控D2Tic（网络电阻）（网络电阻） RE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计

56、原理集成电路设计原理757.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVAV控控为低电平为低电平时，时， T2导通，导通， VA升高，升高， T5导通，导通， T6截截止，止， ic= 0，网络电阻网络电阻RE的电流由的电流由T5提供，不参提供，不参与运算。与运算。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理767.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T

57、2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVAV控控为高电平为高电平时，时， T2截止，截止， VA下降，下降， T5截止，截止， T6导导通，通， ic流经流经运放参与运运放参与运算。算。ic =1+ Vref2 VBEVRE微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理777.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特点一：特点一： T1 、T2为横为横向向PNP管，管，BE结击穿电结击穿电压较高，允压

58、较高，允许输入较大许输入较大幅度的数字幅度的数字控制信号。控制信号。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理787.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特点二：特点二：控制信号控制信号V控控与与流经网络电阻流经网络电阻RE的电流（的电流（权权电流电流）是相互）是相互隔离的，使隔离的，使V控控的变化对权电的变化对权电流几乎没有影流几乎没有影响。响。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理797

59、.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特点三：特点三：肖特基二极肖特基二极管的箝位作管的箝位作用限制了用限制了VA变化幅度，变化幅度，提高了开关提高了开关响应时间。响应时间。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理807.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关2.差分控制差分控制ECL电流开关电流开关icARfRE（网络电阻）（网络电阻）T2T1V+T3T4V-V控控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特点四：特点四

60、：T3、 T4组成的组成的电流镜完成电流镜完成了单端化作了单端化作用，从而缩用，从而缩短了瞬态转短了瞬态转换时间。换时间。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理817.4.3 双极型双极型模拟开关模拟开关3.互补型电压开关互补型电压开关V控控-VrefV+VST1T2T3V-VBVA 当当V控控为高电平时，为高电平时， T1截止，截止， VA、 VB降低，降低，使使T3 管饱和导通，管饱和导通， T2截止，输出电压截止，输出电压VS约约为为-Vref 。 当当V控控为低电平时，为低电平时， T1导通，导通， VA、 VB升高，升高，使使T2 管饱和导通，管饱和导通