第六章 模拟集成电路设计-2

1、集成运算放大器v基本概念基本概念高增益的直流放大器高增益的直流放大器万能的集成电路万能的集成电路v模拟运算、信号处理、采样保持电路、模拟运算、信号处理、采样保持电路、D/A和和A/D等电等电路中路中v主要参数主要参数P178集成运放结构框图输入输入差分级差分级单端化单端化电路电路中间中间放大器放大器射级射级跟随器跟随器输出级输出级及其保护及其保护电平位移级电平位移级偏置电路（恒流源）偏置电路（恒流源）UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：原理框图：输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相对输入级的要求：

2、对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高 KCMRR , , 输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大，双端转单端。尽可能大，双端转单端。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）输入级常采

3、用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。功率放大，提高带负载的能力。集成运算放大器v双极型运算放大器（双极型运算放大器（A741）电路组成电路组成v24个三极管个三极管（其中（其中9个个pnp管）管）v10个电阻个电阻v一个一个MOS电容电容v输入级输入级v中间放大级中间放大级v射极跟随器射极跟随器v输出级输出级v偏置电路偏置电路方框图注意每个管子的应用偏置电路差分输入级中间增益级输出级A输入级v电路特点电路特点T1、T2、T3、T4管组成了共

4、集共基接法的复合差分输入管组成了共集共基接法的复合差分输入级级T5、T6、T7管组成精密输出恒流源管组成精密输出恒流源作用作用采用复合采用复合PNP管：输入阻抗高、输入失调温漂小、高电压增益、管：输入阻抗高、输入失调温漂小、高电压增益、抗干扰能力强抗干扰能力强T3、T4：PNP管，共基极，完成电位平移作用管，共基极，完成电位平移作用有源负载：双端有源负载：双端单端输出，单端输出，电阻比例恒流源电阻比例恒流源T7管的作用管的作用 ？R1=R3，其负反馈作用，减少，其负反馈作用，减少T5、T6管的管的BE结电压变化引起的电流误差结电压变化引起的电流误差单端输出接射随器单端输出接射随器T16，大为减

5、小了，大为减小了IB16对对TC6的影响的影响外接可调电阻、调解平衡外接可调电阻、调解平衡中放级中放级vT16管：射随器，起缓冲、电流放大作用管：射随器，起缓冲、电流放大作用vT17管：共射放大器，（管：共射放大器，（T13B、T12）有源）有源负载。可获得高电压增益负载。可获得高电压增益vT23B缓冲射随器。缓冲射随器。T23A保护保护T16管管v v两级电压放大（差分、中放）两级电压放大（差分、中放）输出级输出级vT14、T20组成互补射随器，作推挽输出组成互补射随器，作推挽输出vT18、T19、T10提供提供偏置偏置来克服来克服“交越失真交越失真”vT15、R6；T21、R7以及以及T2

6、4、T22组成组成输出输出过流保护电路过流保护电路偏置电路偏置电路v其参考电流由其参考电流由T11、T12、R5确定，确定，IR=IC11=IC12。vT10、T11、R4组成微电流恒流源（组成微电流恒流源（Widlar）vT8、T9，T12、T13A.B为基本恒流源为基本恒流源稳定工作电的作用：稳定工作电的作用：（IC1、IC2）、（、（IC8、IC9）由于由于IC10是恒定的。是恒定的。IC10=IC9+（IB3+IB4）IC9导致了（导致了（IB3、IB4）（IC1、IC2）从而抑制了（从而抑制了（IC1、IC2）上升趋势）上升趋势MOS运算放大器理想的运放：高电压增益、高输入阻抗、低输

7、出阻理想的运放：高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗抗性能上降低：速度、输出摆幅和功耗性能上降低：速度、输出摆幅和功耗性能参数性能参数增益：运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精增益：运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度度小信号带宽：工作频率增加小信号带宽：工作频率增加开环增益下降开环增益下降大信号带宽大信号带宽输出摆幅：输出大的摆幅是当今主要课题，但受到速度输出摆幅：输出大的摆幅是当今主要课题，但受到速度影响影响线性线性噪声与失调：影响输出摆幅噪声与失调：影响输出摆幅电源抑制电源抑制电路图CMOS运放电路原理以用于音频编码器的CMOS运放来说明，设计标准增益输入失调电压VIO建立时

8、间电源电压精度大于60dB20mV1.5微秒7.5伏1电路组成（图电路组成（图6-71）T1、T2管组成差分输入对管组成差分输入对T3、T4管组成基本恒流源管组成基本恒流源T7管提供偏置电流管提供偏置电流T5管为共源反向放大器，管为共源反向放大器，T9为其负载为其负载T10、T11管组成偏置电路管组成偏置电路T5管作为输出管作为输出密勒电容：频率补偿作用。与密勒电容：频率补偿作用。与T6管组成缓冲级，管组成缓冲级，T8管为管为T6管提供恒流偏置管提供恒流偏置三个三个NMOS、其余都是、其余都是PMOS。电路设计从相关工作电计算出W/L。根据MOS管的输出电阻要求来确定L设计CMOS运放先计算先

9、计算点直流工作电压点直流工作电压输出正幅值为输出正幅值为5伏，工作电压：伏，工作电压：7.5伏，根据饱和极限得伏，根据饱和极限得V1=4伏伏ID10=ID11得，两个管子的宽长比。得，两个管子的宽长比。根据恒流源：根据恒流源：4：4：8：1输出负幅值为输出负幅值为-5伏，伏，ID9=ID5，得两管的长宽比，得两管的长宽比T1、T2管的尺寸应适当设计大些管的尺寸应适当设计大些T3、T4管的尺寸应适当设计小些管的尺寸应适当设计小些VVT5 . 12TGSnDVVKI集成数-模和模-数转换器D-A和和A-D转换器的基本概念转换器的基本概念lA-D转换器的功能就是能将连续变化的模拟转换器的功能就是能将

10、连续变化的模拟两转变成相应的多位数字量（连续两转变成相应的多位数字量（连续离散）离散）lD-A转换器的功能就是能将一组具有一定位转换器的功能就是能将一组具有一定位数的数码代码转换为唯一对应的模拟量（离散数的数码代码转换为唯一对应的模拟量（离散连续）连续）滤波器A/D转换器DSP系统D/A转换器集成A-D和D-A转换器的类别组建型组建型l选用某一种单一功能的集成电路选用某一种单一功能的集成电路l运算放大器、逻辑电路、集成电压比较器等运算放大器、逻辑电路、集成电压比较器等混合型混合型单片型单片型l1971年诞生了第一块单片高位集成化年诞生了第一块单片高位集成化D-A转换器转换器l全双极型全双极型l

11、BiCMOS相容型相容型转换时间大小为标志转换时间大小为标志按精度划分按精度划分A-D和D-A转换器的主要参数分辨率：转换器能够分辨最小的量化信号分辨率：转换器能够分辨最小的量化信号的能力，的能力，LSB精度：实际转换器的模拟量（精度：实际转换器的模拟量（A-D转换器转换器的输入或的输入或D-A转换器的输出）与理想转换转换器的输出）与理想转换器的模拟量之间的差值器的模拟量之间的差值线性度：转化器实际传输特性曲线与它的线性度：转化器实际传输特性曲线与它的平均传输特性曲线之间的最大偏差平均传输特性曲线之间的最大偏差温度灵敏度温度灵敏度转换器的工作速度：建立时间转换器的工作速度：建立时间D-A转换器

12、集成D-A转换器v译码器件：接收的是数字编码信号，而以电流或译码器件：接收的是数字编码信号，而以电流或电压形式提供模拟信号输出电压形式提供模拟信号输出v输入信号：一组由输入信号：一组由0和和1组成的数字码组成的数字码Dv输出信号：模拟量输出信号：模拟量Av组成部分组成部分产生基准电压的基准电压源产生基准电压的基准电压源设置二进位系数的开关设置二进位系数的开关电阻性电流定标电路电阻性电流定标电路输出电流求和放大器（将电流输出变成电压输出）输出电流求和放大器（将电流输出变成电压输出）DKVAREFD-A转换器的基本类型v电流定标电路（双极型）电流定标电路（双极型）利用二进制加权电阻网络利用二进制加

13、权电阻网络v问题：电阻（在问题：电阻（在8位分辨率的电路中电阻网络需要从位分辨率的电路中电阻网络需要从R变化至变化至128R，精度和大小都是工艺难点），精度和大小都是工艺难点）采用采用R-2R梯形网络梯形网络v电压定标电路（电压定标电路（MOS）根据电位根据电位v缺点：元件太多缺点：元件太多v电荷定标电路（电荷定标电路（MOS）利用加到电容矩阵上的总电荷来定标利用加到电容矩阵上的总电荷来定标电路图AD7520v梯形电阻网络实现电流标定电路v由CMOS反相器、传输门实现权位开关单元v注意P3管的作用 ？寄生电阻带来的影响，解决方法集成A-D转换器v编码器：将人意的模拟量如电压或电流等，按规定的位

14、数转换成数字代码v输出可以使串行的，也可以是并行的v组成部件输入多路选择器采样与保持电路A/D转换器输出选通器状态控制器分类v在变换周期中对定时电容器充电或放电的积分型A/D转换器v在反馈回路中采用二进制计数器和D/A转换器的数字-斜坡或伺服型A/D转换器v利用逐次试探误差产生数字输出的逐次逼近式A/D转换器v在一个单一的步骤内，完成所有各位变换的并行比较器型或“一次完成”A/D变换器NNFSAbbbVVD2.22221逐次比较式A-D转换器v以D-A转换器的输出电压VA与输入模拟电压Vi进行比较，利用时序脉冲发生电路和存储电路，使输入到D-A转换器的数字电压一开始就有最高位输出，然后从最高位

15、至最低位逐次输出，经其中的D-A转换器转换成模拟电压VA，与Vi进行比较v电路组成：环形移位寄存器、数码寄存器、D-A转换器、电压比较器、并行码输出器及CP时钟等部分组成v图6-88并行比较型A-D转换器v用一组比较器把基准阶跃电压Vref和模拟输入电压Vi进行比较，通过编码器得到数字输出v缺点：元件数目多，例如8位A-D转换器就需要255个电压比较器和256个精密电阻v图6-89模拟集成电路版图设计l器件的电学性能特点工作电压高电流增益大要求晶体管有较好的频率特性对称性输出管有一定的电流容量及小的饱和压降横向pnp管，要求有小的bc结电容，高的特征频率值工艺技术的特点l外延层材料外延层电阻率

16、：提高外延层电阻率有利于增加横向pnp管和纵向npn管的电流增益值，但会使击穿电压降低l淡硼扩散浓度和结深l发射区扩散浓度和结深l隐埋工艺的选择l不掺金的工艺l隔离性能隔离区划分l 可放在同一个隔离区的条件Npn管的集电极电位相等Pnp管的基极电位相等Npn管的集电极电位与pnp管的基极电位相等l 电阻原则上可以都放在同一个隔离区中，按电阻值、最高电位的不同进行分区隔离l 对压降小的电阻可以单独隔离l Npn管的集电极电位和pnp管的基极电位高于电阻两端的电位时，可以把管子和电阻放在同一个隔离区内l 例子中可以看到这些规则的应用元件的设计l晶体管的横向尺寸的选择（光刻的最小尺寸、发射极电流容量综合考虑）l横向pnp管的纵向尺寸（基区宽度）l纵向pnp管的结构l电阻器的设计A741运算放大器的版图设计l隔离区的划分l最小尺寸的晶体管l有源器件版图设计识别l无源器件版图设计识别l布局与布线划分隔离区l 电路中共有35个元件T1、T2、T8、T9管T12、T13管T3、T4管T18、T19管和R10R5、T7管T11管、R1、R2、R3、R4、R8、R9T14管、R6、R7其余晶体管各占一个隔离区电容独占一个隔离区元件的图形尺寸l 以最小尺寸画出的