第六章 模拟集成电路设计-1

1、四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室模拟集成电路模拟集成电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室集成电路概述集成电路概述 模拟模拟IC就是能对模拟量进行运算和处理的一种就是能对模拟量进行运算和处理的一种IC，直接对连续可变的模拟量进行计算与处理直接对连续可变的模拟量进行计算与处理 模拟集成电路的种类模拟集成电路的种类 根据输入、输出电压的变化关系分类根据输入、输出电压的变化关系分类 线性线性IC：输出信号随输入信号的变化成线性关系：输出信号随输入信号的变化成线性关系 非线性非

2、线性IC：具有非线性的传输特点：具有非线性的传输特点 接口电路：接口电路：AD/DA转换器转换器 按工作频率分类按工作频率分类 低频、高频、射频、微波、毫米波低频、高频、射频、微波、毫米波 按功率分类按功率分类 功率集成电路功率集成电路 按器件分类按器件分类 双极、双极、MOS、BICMOS 按应用领域分类按应用领域分类 通信用通信用IC四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室 模拟集成电路的特点模拟集成电路的特点 应用的多样性应用的多样性 电路结构的多样性、复合性电路结构的多样性、复合性 微小信号微小信号 电源变化较大电源变化较大 发展

3、发展 模拟电路数字化模拟电路数字化 高频、低噪声、低功耗、宽频带高频、低噪声、低功耗、宽频带 MOS模拟集成电路模拟集成电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本章主要内容本章主要内容 CMOS工艺技术工艺技术 模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术 参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源 CMOS单极放大器单极放大器 CMOS运算放大器运算放大器 负反馈负反馈 D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室一、一、CMOS工艺技术工艺技术 晶片工艺晶

4、片工艺 光刻光刻 氧化氧化 离子注入离子注入 淀积与刻蚀淀积与刻蚀 器件制造器件制造四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室1、有源器件、有源器件 基本晶体管制造基本晶体管制造 后端工艺后端工艺四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2、无源器件、无源器件 电阻电阻 电容器电容器 电感电感四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室3、互连、互连 金属金属 多晶硅多晶硅 扩散层扩散层四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学

5、院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室二、模拟集成电路版图技术二、模拟集成电路版图技术 设计规则设计规则 天线效应天线效应 模拟集成电路版图模拟集成电路版图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室设计规则设计规则 最小宽度最小宽度 最小间距最小间距 最小包围最小包围 最小延伸最小延伸四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室天线效应天线效应 问题问题 小尺寸的栅极与大面积金属一层相连小尺寸的栅极与大面积金属一层相连 在刻蚀时，大面积的金属一层会收集离子，使在刻蚀时，大面积的金属

6、一层会收集离子，使其电位升高，造成击穿。其电位升高，造成击穿。四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室模拟电路的版图模拟电路的版图 叉指晶体管叉指晶体管 对称性对称性 参考源的分布参考源的分布 无源器件无源器件 连线连线 焊盘与静电放电保护焊盘与静电放电保护四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室模拟电路设计模拟电路设计 衬底耦合衬底耦合 封装封装四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本章主要内容本章主要内容 CMOS工艺技术

7、工艺技术 模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术 参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源 CMOS单极放大器单极放大器 CMOS运算放大器运算放大器 负反馈负反馈 D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室恒流源电路和有源负载恒流源电路和有源负载 参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源 偏置电路：把一个支路中的参考电流比较精确偏置电路：把一个支路中的参考电流比较精确地反射到另一个支路上去，以获得较稳定的工地反射到另一个支路上去，以获得较稳定的工作电流作电流 有源负载：设计得到大的动态电阻，从而提高有源

8、负载：设计得到大的动态电阻，从而提高电压增益电压增益四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室基本型恒流源基本型恒流源1. 镜像电流源镜像电流源基准电流：BE1BE2=VVREFI E1E2= IIC1C2= IIRVVIBECCrREFI=RVCC 因为：所以：最后得到公式6-29增加了双极型晶体管工作点的稳定性增加了双极型晶体管工作点的稳定性2IrT2管基极变化上电流的变化IrRrr四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室讨论讨论 恒定电流由恒定电流由Rr决定决定 温度补偿，跟踪性

9、好温度补偿，跟踪性好 不足不足 比较小则电流匹配性差比较小则电流匹配性差 对电源变化无抑制作用对电源变化无抑制作用 Ir的温度系数的温度系数 晶体管的对称性晶体管的对称性 电阻的温漂电阻的温漂 输出电阻输出电阻dTdRrRrdTdVVVdTdIrIrBEBECC111四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2、电阻比例恒流源、电阻比例恒流源 基准电流基准电流Ir 电路特点：得到不同的电流输出值，减少芯片电路特点：得到不同的电流输出值，减少芯片面积面积），得到公式（3061R1IVV1R0IR1I10E0BE1BE0E0E11100RIVR

10、IVEBEEBE注意：注意：设计中要求微小工作电流设计中要求微小工作电流减小减小R0，以使芯片面积小，以使芯片面积小无法抑制电源变化的影响无法抑制电源变化的影响四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题例题 一多路输出电流源电路如图所示，一多路输出电流源电路如图所示，T1T6管发射管发射结电压结电压VBE=0.7伏，试求伏，试求T3T6管的集电极电流管的集电极电流（IO），并说明），并说明T1的作用的作用mAIr11046 .147 . 0210103解：解：毫安、的电流分别为：推得代入实际的数值，根据8421T6T3R2R1IrIOT

11、1电流放大，以减少从参考电流中分出的基极电流。电流放大，以减少从参考电流中分出的基极电流。使一个参考电流较准确地控制多个电流源使一个参考电流较准确地控制多个电流源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室3、微电流恒流源（、微电流恒流源（Widlar源）源）2221eEBEBERIVVmVKTqVtIIrIVtIIIVtIVVROOEEEEBEBEe26lnln2122212讨论：（1）用中等电阻，可获得较小的恒定电流例题：若VCC=30V，Ir=1mA，IO=10微安，求R和Re2；若用基本恒流源，Rr的值应为多少？若VCC由30V下降至

12、15V。求两种恒流源的IO值？（2）对电源电压变化的抑制作用由上题可见：微电流恒流源有较好的电流稳定性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室4、基极电流补偿恒流源（、基极电流补偿恒流源（Wilson源）源） 图图6-32：应用于较大电流的情况：应用于较大电流的情况 消除基极电流的影响消除基极电流的影响 工作原理工作原理 流过基极的电流经过流过基极的电流经过T3管放大管放大 此电流提供了此电流提供了T1、T2管的基极电流和管的基极电流和T3管的管的集电极电流集电极电流 通过公式（通过公式（6-3335）得，输出电流与参考电）得，输出电流与

13、参考电流十分接近了流十分接近了 反馈补偿作用反馈补偿作用 稳定工作点稳定工作点四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室5、Pnp恒流源恒流源 PNP管恒流源在双极型模拟电路中广泛使管恒流源在双极型模拟电路中广泛使用用 根据电流源电路的特点：基极短接、发射根据电流源电路的特点：基极短接、发射极接同样电位，因此采用多集电极横向极接同样电位，因此采用多集电极横向PNP管就可等效出多个恒流源管就可等效出多个恒流源 优点：可把偏置和恒流的几个晶体管都作优点：可把偏置和恒流的几个晶体管都作在一个隔离岛内，而且共用一个发射极、在一个隔离岛内，而且共用一

14、个发射极、一个基极，从而节省了面积一个基极，从而节省了面积 缺点：误差大、频率特性差缺点：误差大、频率特性差 电路如图电路如图6-33四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室6、MOS恒流源恒流源（1）基本恒流源（如图）基本恒流源（如图6-34） T1、T2管为管为n沟道增强型沟道增强型MOS管管 工作原理工作原理 T1管栅漏短接，始终工作在饱和区管栅漏短接，始终工作在饱和区 T2管与管与T1管工艺参数相同管工艺参数相同2TGSnDVVKI1212WLLWIrIO讨论：I、考虑沟道长度调制效应，造成偏差II、交流输出电阻较高III、输出电

15、压摆幅：VCCVGS-VT、R电阻值比较大四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室（2）Wilson恒流源恒流源 电路图与双极型的相同，如图电路图与双极型的相同，如图6-36 引入负反馈，提高输出电流的稳定性，提高输出引入负反馈，提高输出电流的稳定性，提高输出阻抗阻抗 例：已知例：已知Wilson源的基准电流源的基准电流Ir=50微安，微安，MOS管的参数：管的参数：n=400cm2/S.V。Cox=3.810-8F/cm2，W1/L1=W2/L2=W3/L3=2，ro1=ro3=3.3105欧姆，求电路的输出电流欧姆，求电路的输出电流及

16、及输出输出电阻？电阻？GSDSmVIg2TGSnDVVKI公式6-42四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室衬底调制效应衬底调制效应 若若Ir=50微安、微安、VGS2=1V、n2Cox2= n3Cox3=210-5A/V2、衬底调制系数、衬底调制系数r=0.27V1/2，2F=0.8V、参考电压：、参考电压：5V、VTH=1伏。求伏。求T2、T3管的宽长比。管的宽长比。FGSFTHTVrVV222aSiOXFBSFTTNqCVVV21220在加上沟道长度调制效应，计算较为复杂在加上沟道长度调制效应，计算较为复杂四川大学物理科学与技术学

17、院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室有源负载有源负载TCCCmVVRIRgA（1）电源电压）电源电压（2）集电极的负载电阻）集电极的负载电阻交流阻抗很大而直流电阻很小的负载原件作为放大器的负载交流阻抗很大而直流电阻很小的负载原件作为放大器的负载一般电阻负载共射放大器和射耦对中的一般电阻负载共射放大器和射耦对中的电压增益：电压增益：结论：结论： 在一般高增益集成放大器中，常用极性在一般高增益集成放大器中，常用极性 相反的恒流源输出管来做负载。相反的恒流源输出管来做负载。如图如图6-38、6-39所示，其主要特点所示，其主要特点 由于其较大的交流电阻，从而提高了

18、共射放大器的电压增益由于其较大的交流电阻，从而提高了共射放大器的电压增益 直流电阻并不大，电源电压要求不高直流电阻并不大，电源电压要求不高 电源电压变化的范围可以较宽电源电压变化的范围可以较宽 有源负载在集成工艺中容易实现有源负载在集成工艺中容易实现四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室课堂练习题课堂练习题 T1、T2为横向为横向pnp晶体管，电流增益为晶体管，电流增益为10；T3、T4管为纵向管为纵向NPN晶体管，电流增益为晶体管，电流增益为150。两种。两种晶体管的发射结正向压将均为晶体管的发射结正向压将均为1V。已知：。已知：Rr

19、=28千欧，千欧，Vt=0.026伏，伏，IC4=0.1毫安毫安 计算电阻计算电阻Re的值的值 电流电流IC2的值的值电路图微电流恒流源（微电流恒流源（widlar源）源）Pnp恒流源电路恒流源电路OOeIIrIVtRln四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室MOS恒流源恒流源 电源电压：电源电压：5V，节点，节点1的电压：的电压：3V。 电子迁移率：电子迁移率：5002/VS。MOS栅氧化层厚度栅氧化层厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/ MOS管的阈值电压：管的阈值电压：0.7V。 其中其中M1管的宽长比：管

20、的宽长比：5 其它其它PMOS管的宽长比的比例：管的宽长比的比例：1：4：8 其它其它NMOS管的宽长比的比例：管的宽长比的比例：1：3：61212WLLWIrIO四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) ) 稳压电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室基准源电路基准源电路 原理原理 高质量的高质量的IC内部稳压电源，提供稳定的偏置电压或基内部稳压电

21、源，提供稳定的偏置电压或基准电压准电压 要求：输出直流电平稳定，且对电源电压和温度变化要求：输出直流电平稳定，且对电源电压和温度变化不敏感不敏感 常用的标准电压：常用的标准电压： BE结的正向压降结的正向压降VBE=0.60.8V。温度系数：。温度系数：-2mV/ BE结构成的齐纳二极管（反向电压）结构成的齐纳二极管（反向电压）VBER=69V。温。温度系数：度系数：2mV/ 等效热电压：等效热电压：Vt=0.026V，温度系数：，温度系数：0.086mV/ 组合得到对电源电压和温度不敏感的电压源和基组合得到对电源电压和温度不敏感的电压源和基准电压源准电压源四川大学物理科学与技术学院四川大学物

22、理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室正向二极管基准源电路正向二极管基准源电路 如图如图6-41：利用晶体管的：利用晶体管的be结正偏特性。结正偏特性。Vref=nVFn0.7VTVFnTVref电路的内阻等于各个正向二级管的电路的内阻等于各个正向二级管的n倍倍集电极电位相同的晶体管，可以放在同一隔离区，集电极电位相同的晶体管，可以放在同一隔离区，而此电路路而此电路路be结首尾相接，结首尾相接，bc结短接结短接所以需要单独隔离，占用了芯片面积所以需要单独隔离，占用了芯片面积改进：如图改进：如图6-42，利用电阻的分压作用实现大的，利用电阻的分压作用实现大的Vref四川大学

23、物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室齐纳二极管基准源电路（图齐纳二极管基准源电路（图6-43）稳压原理稳压原理 利用稳压二极管的反向击穿特性。利用稳压二极管的反向击穿特性。（采用（采用bc结短接的晶体管）结短接的晶体管） 由于反向特性陡直，较大的电流变由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。化，只会引起较小的电压变化。VIVOVZIZIRVRVO讨论：讨论：（1）二极管）二极管PN结分布不一致性及结分布不一致性及 其缺陷、杂质、不均匀等因素其缺陷、杂质、不均匀等因素（2）体电阻和接触电阻）体电阻和接触电阻（3）温度系数）温度

24、系数四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室具有温度补偿的齐纳基准源电路具有温度补偿的齐纳基准源电路二极管具有负温度系数、齐纳二极管的稳定电压具有正温度系数，二极管具有负温度系数、齐纳二极管的稳定电压具有正温度系数，形成图形成图6-44（a），实现温度的补偿。），实现温度的补偿。 参数参数型号型号稳定电压 V稳定电稳定电流流 mA温度系数%/度动态电阻 最大稳定电流 mA耗散功率 W2CW146 75100.0615330.252CW2013.5 1750.09550150.252CW7C6.1-6.5100.00510300.25由表可

25、以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。其结构如下：正向二极管 稳压管温度补尝图6-44 版图和剖面图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室负反馈基准源电路（图负反馈基准源电路（图6-45）改进后的优点改进后的优点实现温度补偿实现温度补偿T1、T2、DZ和电阻和电阻R组成反馈电路，从而保持稳定组成反馈电路，从而保持稳定由由T1射随器输出电压，因此基准源的内阻小射随器输出电压，因此基准源的内阻小四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室参考电压源参考电压源 齐纳二极管基准电压源齐纳二

26、极管基准电压源 图图6-46 利用电阻、二极管、齐纳二极管的温度系数来利用电阻、二极管、齐纳二极管的温度系数来求得一平衡点求得一平衡点 带隙参考电压源带隙参考电压源 图图6-47 利用利用BJT在不同的工作电流密度下，三极管的在不同的工作电流密度下，三极管的be结电压温度系数之差、结电压温度系数之差、be结本身的负温度系结本身的负温度系数来调节基准电压数来调节基准电压 Vref的数值与硅的禁带宽度相近的数值与硅的禁带宽度相近 通过叠加通过叠加VBE和增加电阻比值的方法实现较高和增加电阻比值的方法实现较高的参考电压源的参考电压源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计

27、实验室专用集成电路设计实验室应用应用串联型稳压电源串联型稳压电源串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 VO =VI- -VR，当当VIR VR在一定程度在一定程度上抵消了上抵消了VI增加对输出电压的影增加对输出电压的影响。响。若负载电流若负载电流ILRVR在在一定程度上抵消了因一定程度上抵消了因IL增加，使增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。减小，对输出电压减小的影响。 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样串联式稳

28、压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+串联型稳压电路串联型稳压电路:四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室实例实例L7805 Layout四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室L7805电路图电路图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室 常用的集成三端稳压器的类型常用的集成三端稳压器的类型

29、类型：类型：L7800系列系列 稳定正电压稳定正电压 L7805 输出输出+5V L7809 输出输出+9V L7812 输出输出+12V L7815 输出输出+15V L7900系列系列 稳定负电压稳定负电压 L7905 输出输出-5V L7909 输出输出-9V L7912 输出输出-12V L7915 输出输出-15V四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室MOS基准源电路基准源电路 用用MOS管代替三极管代替三极管单元（饱和区）管单元（饱和区） 利用两个沟道类型利用两个沟道类型相同，而阈值电压相同，而阈值电压不同的不同的MOS管管

30、 CMOS带隙基准电带隙基准电压源压源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS带隙基准源（带隙基准源（BiCMOS）原理原理利用利用MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的的BE结导通电压结导通电压VBE的负温度特性互相补偿，达到恒定的基准电压输出的负温度特性互相补偿，达到恒定的基准电压输出MOSFET亚阈区电流qnkTVVnkTVVqIITTTGSDSDSexp0条件：条件：VGS VT，见图见图6-48电流随电压电流随电压VGS的变化不是二次方而是指数性关系的变化不是二次方而

31、是指数性关系分界点，分界点，2n 4在在CMOS带隙基准源中带隙基准源中所有的所有的MOS管多工作在管多工作在亚阈值饱和状态亚阈值饱和状态四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电路分析电路分析LWSSSSSRRqKTSSVBERIVVRBEref其中2341ln123522N沟沟M1、M3管与管与P沟沟M2、M4管分别是管分别是基本电流源电路，它们构成了一闭合回路基本电流源电路，它们构成了一闭合回路电阻电阻R1的负反馈作用的负反馈作用M3、M5管也是恒流源电路管也是恒流源电路特点特点 假设温度系数为零3241ln31521000SSSS

32、SqRSKRTVBETVrefTTVTTVTVBEOgBE基准电压调整到零温度系数时，其输出基准电压值为半导体禁带带隙电压四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本章主要内容本章主要内容 CMOS工艺技术工艺技术 模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术 参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源 CMOS单极放大器

33、单极放大器 CMOS运算放大器运算放大器 负反馈负反馈 D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室主要内容主要内容 放大器基本原理放大器基本原理 共源极放大器共源极放大器 带电流源的共源极放大器带电流源的共源极放大器 其它单极放大器其它单极放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室放大器的种类放大器的种类 电压放大器电压放大器 跨阻放大器跨阻放大器 跨导放大器跨导放大器 电流放大器电流放大器 放大器的组成放大器的组成 前馈放大器前馈放大器 检测输出的方式检

34、测输出的方式 反馈网络反馈网络 产生反馈误差的方式产生反馈误差的方式VinVout四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电压放大电路的性能指标电压放大电路的性能指标一、电压放大倍数一、电压放大倍数AuiouUUA |Ui 和和Uo 分别是输入和输出电压分别是输入和输出电压的有效值。的有效值。uiuoAuiouUUAAu是复数，反映了输出和输入的是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。幅值比与相位差。四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室二、输入电阻二、输入电阻ri放大电路一定要

35、有前级（信号源）为其提供信号，放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。那么就要从信号源取电流。输入电阻输入电阻是衡量放大是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AuUSiiiIUr定义：定义：即：即：ri越大，越大，Ii 就越小，就越小，ui就越接近就越接近uSiIiU四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室三、输出电阻三、输出电阻roAuUS放大电路对其放大电路对其负载

36、负载而言，相当于信号源，既是而言，相当于信号源，既是电压源，电压源，输出电阻越大，在负载取得的电压越输出电阻越大，在负载取得的电压越小，对负载的影响越大。小，对负载的影响越大。roUS四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室四、通频带四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：fbw=fHfL放大倍数随频率变化放大倍数随频率变化曲线曲线幅频特性曲幅频特性曲线线耦合电耦合电容造成容造成三极管结三极管结电容造成电容造成四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路

37、设计实验室专用集成电路设计实验室五、饱和度五、饱和度iDvDSvGS输入波形输入波形uo输出波形输出波形四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室单端放大器单端放大器 共源极共源极四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDDuuiuuiiDSDSGSmurug 1GSDmuig 跨导跨导DDSDSiur 漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学

38、院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室很大，很大，可忽略。可忽略。 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsLmuRgA四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室共源极放大器共源极放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结论结论 放大器的重要参数放大器的重要参数 增益增益 信号摆幅信号摆幅 功耗功耗 频率响应频率响应 工艺误差和温度漂移工艺误差和温度漂移 代电阻共源放大器：增益、成本和

39、频率响应代电阻共源放大器：增益、成本和频率响应 采用电流源设计采用电流源设计 高增益、输入电阻大、输出电阻大高增益、输入电阻大、输出电阻大 电压放大器（高增益、输入电阻大、输出电阻小）电压放大器（高增益、输入电阻大、输出电阻小） 改进改进四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室其它晶体管放大器其它晶体管放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结论结论 Common-source stage: large voltage gain and transconductance, hi

40、gh input resistance, large output resistance excellent transconductance amplifier, reasonable voltage amplifier Common-drain stage: no voltage gain, but high input resistance and low output resistance good voltage buffer Common-gate stage: no current gain, but low input resistance and high output re

41、sistance good current buffer四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结论结论 三种放大器三种放大器 参数参数 功能功能 频率响应频率响应 物理因素物理因素 电路分析电路分析 噪声噪声 电源电源 器件设计器件设计 信号干扰信号干扰四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室Differential Amplifiers四川大学物理科学与技术学院四川大学

42、物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结论结论 In differential amplifiers signal represented by difference between two voltages. Differential amplifier: amplifies difference between two voltages but rejects ”common mode” ) noise immunity. Using ”half-circuit” technique, small-signal operation of differential a

43、mplifiers is analyzed by breaking problem into two simpler ones: differential-mode problem and common-mode problem. Common-mode rejection ratio: important figure of merit of differential amplifiers. Differential amplifiers require good device matching.四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室

44、直流电平位移及差动直流电平位移及差动单端转换电路单端转换电路直流电平位移电路直流电平位移电路利用基极与集电极之间存在的电压差（图6-50）利用稳压二极管（图6-52）利用源、漏之间存在的电压差（图6-53）差动差动单端转换电路单端转换电路为什么要位移？避免输出端满足不了零输入零输出条件输出电压的变化范围减小把差分输入的双端输出信号，全部转换成单端输出信号如图6-54所示四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室差动差动-单端转换电路单端转换电路电路分析电路分析T1集电极电流变化量：IC1T2变化量： IC2输入信号为相反信号，所以IC1=-

45、IC2VQ=2R1IC1相当于从P、Q两点取出的电压变化量该电路完成了把从P、Q两点双端输出的信号变为Q点单端输出的信号四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室用有源负载实现的差动用有源负载实现的差动-单端转换单端转换电路电路T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。T1管集电极电流的变化由T3、T4管组成的电流源镜像到T2管的集电极T2管集电极电流本身引起的变化以上两点共同决定了输出端电流，和差分双端输出

46、相等四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室其它电路其它电路 图图6-55（b） CMOS电路电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室输出级电路输出级电路根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗功耗等几种。等几种。射随器输出级射随器输出级互补推挽输出级互补推挽输出级CMOS输出级输出级 甲类偏置的甲类偏置的CMOS输出级输出级 CMOS互补输出级互补输出级输出过流保护电路输出过流保护电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室射随器输出级射随器输出级 图图6-56 T1：射极输出管：射极输出管 外部负载电阻外部负载电阻 T2、T3和和R1R3组成恒流源组成恒流源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室互补推挽输出级互补推挽输出级T1T2R1V+V-V