模拟集成电路设计 课件 第10章 模拟集成电路进阶

模拟集成电路设计第十章模拟集成电路进阶一、引言二、比较器三、电源四、振荡器五、混合信号集成电路六、射频收发机一、引言运算放大器是模拟电路的基础单元。一方面，基于运算放大器可以设计功能更为强大的电路，比如滤波器，电压电流源等。另一方面，除了运算放大器之外，还有很多基本的模拟电路单元，例如比较器、振荡器等。本章将简要介绍几种基本电路单元。本章也将简要介绍电源管理单元、混合信号电路和射频收发机的基本原理，它们分别代表集成电路设计产业中的重要方向。二、比较器(1)–静态比较器静态比较器实时反映输入信号的大小关系，不需要时钟控制，通常用来比较直流输入电压。工作在开环模式的高增益放大器（左图）可以将微小的输入信号差值放大到接近电源或地，因此可以作为比较器使用。比较器的输入直流偏移(DCoffset)限制了高增益(>60dB)静态比较器的分辨精度。二、比较器(2)-滞回比较器当输入电压差异很小时,也就是被比较的电压接近阈值电压时，输入端的噪声可能使输出发生随机误翻转，影响后级电路工作。滞回比较器将单一阈值转化为阈值区间，可以解决误翻转问题，但会降低比较器的分辨精度。滞回效果由交叉耦合对管M4和M5产生。通常M3和M6的W/L相等，而M4和M5的W/L相等。当M4~M6的W/L全部相等时，理论上比较器的小信号增益为无穷大。当而M4和M5的W/L大于M3和M6的W/L时，产生滞回效果，相差越大滞回电压范围越大。当而M4和M5的W/L小于或等于M3和M6的W/L时，没有滞回效果。二、比较器(2)-滞回比较器采用时钟控制比较器的工作状态，即比较状态和复位状态。二、比较器(3)–动态比较器交叉耦合对引入的正反馈可以提升比较器的响应速度。采用NMOS和PMOS交叉耦合对进一步提升比较器的响应速度。动态比较器需要外部时钟,只当时钟有效时比较输入信号的大小关系，常用在模数转换器（ADC）中。二、比较器(4)–回踢(kickback)效应输出节点和摆幅较大的内部节点会通过寄生电容反向影响输入端状态，在输入端造成尖峰。采用预放大器可以隔离锁存器的输入端与比较器的输入端,并提供的增益以抑制比较器失调电压的影响。三、电源管理单元(1)

–线性稳压源线性稳压电源工作在连续状态下，无开关噪声，但会浪费功耗，能量转换效率低。LDO（右图）是一种最常见的线性稳压源，功率管MP工作在饱和区。三(1)、线性稳压源–输出接（片外）大负载电容通常将环路主极点设计在输出端，因此需要将环路内其它极点尽量推到高频处。由于MP尺寸较大，而放大器(OTA)的输出端为高阻节点，因此最低的的非主极点通常出现在MP的栅极端。可以采用一个源级跟随器作为缓冲级（高阻抗、小电容输入，低阻抗输出），将放大器(OTA)的输出端与MP的栅极端隔离开，将非主极点推向高频处（左图）。由于MP的输出阻抗会随负载电流变化，主极点也会随负载电流变化，必须考虑负载电流最大时的最差情况。三(1)、线性稳压源–输出接（片内）小负载电容通常将环路主极点设计在MP的栅极端，因此需要将主极点尽量推到低频处。与两级运放的补偿相似，可以采用密勒补偿将主极点推向低频处的同时将输出端的非主极点推向高频处。此类电路通常称为Cap-lessLDO，指的是没有片外电容，但输出端仍需要一定量的片上电容用于滤波，根据负载电流的波动情况确定。DC-DC转换器可以分为降压型转换器(buckconverter)、升压型转换器(boostconverter)和降压-升压型转换器(buck-boostconverter)。晶体管工作在开关状态，而非放大状态，因此输出电压会有纹波。通常需要电感，需要考虑电磁干扰的对其它电路影响。降压型转换器（左图）是最常见的DC-DC转换器。三、电源管理单元(2)

–开关电源三、电源管理单元(2)

–开关电源前页中的电路通过调节开关的占空比控制输入电压，通过负反馈环路控制占空比，从而控制输出电压。一个周期内，电感充磁和消磁的电压时间积相等三、电源管理单元(3)

–效率比较和系统集成开关电源的效率通常高于线性稳压电源。模拟电路通常由线性稳压电源供电，而数字电路可以由开关电源直接供电。四、振荡器振荡器基于正反馈原理工作，满足巴克豪森判据。包括(1)环形振荡器；(2)LC振荡器；(3)RC振荡器；(4)晶体振荡器调节负载电容CL

可以改变tpd,从而改变振荡器的振荡频率。单端振荡器的级数应为大于或等于3的奇数。四、振荡器(1)-环形振荡器tpd

为每一级反相器的传播延迟。

充放电电流和输出节点负载电容（以及寄生电容）决定了延时时间，进而决定了振荡频率。电流饥饿型反相器由电流镜确定充放电电流的大小，进而确定振荡频率。M1和M2分别相当于控制电流源M4和M3的开关，用来控制充放电电流。四(1)、环形振荡器-电流饥饿型反相器差分环形振荡器比单端环形振荡器具有更好的抗噪声特性和更高的频率稳定性。差分环形振荡器的电路级数可以是偶数,只需要将其中的一级接成同相放大器即可。四(1)、环形振荡器–差分环形振荡器四、振荡器(2)–并联LC振荡网络理想电感电容并不会损耗能量，能量在电感和电容之间转移。在谐振频率处，电容和电感的导纳相互抵消，总导纳最小，即总阻抗最大。在谐振频率处的响应会被放大，并在一定条件下形成振荡，表现为选频特性。四、振荡器(2)-品质因数（Q值）LC谐振网络的能量损失率由品质因数(qualityfactor)决定。在谐振频率下,网络储存的能量和每个周期损失的能量之比。由于寄生电阻的存在,品质因数是一个有限的值。如果没有能量补充，网络存储的能量将在若干个周期后损耗殆尽，电路将停止振荡。四、振荡器(2)-LC振荡器为了维持振荡，可以为LC谐振网络加入有源电路,以补偿每个周期电阻上耗散的能量。交叉耦合对可以提供等效“负阻抗”，用以补偿RP，为LC振荡网络补充能量。五、混合信号集成电路–数据转换器数据转换器(dataconverter)是实现模拟信号与数字信号相互转换的电路,包括数模转换器(digital-to-analogconverter,DAC)和模数转换器(analog-to-digitalconverter,ADC)。模拟量到数字量的转换关系数字量到模拟量的转换关系分辨率和采样率是数据转换器的最重要的参数。五、混合信号集成电路–数据转换器六、射频收发机(1)–二端口网络与增益散射参数(s-parameter)用于描述增益/插入损耗、端口阻抗匹配等关键性能。S11与S22

表征端口的阻抗匹配特性,S21

与S12

表征两端口之间的增益或隔离情况。增益用于衡量系统对输入信号的放大能力。六、射频收发机(2)

–信噪比与噪声系数信噪比(signaltonoiseratio,SNR)是信号能量S与噪声能量N之比噪声系数NF为系统输入与输出的SNR之比信号经过理想无噪声系统时

SNR不会发生变化，其噪声系数为0dB。真实系统的噪声系数一定大于0dB。六、射频收发机(3)

–1dB压缩点对于非记忆性非线性系统对该系统输入正弦信号只考虑二阶和三阶非线性1dB压缩点六、射频收发机(4)

–三阶交调与灵敏度三阶交调如果系统具有滤波特性，有可能会将二阶和三阶分量滤掉，因而不能准确反映系统的非线性，因此定义三阶交调这个参数。接收机正常工作情况下的最小输入信号功率定义为灵敏度六、射频收发机(5)–接收机架构根据中频频率不同，射频接收机主要可分为超外差式接收机(superheterodynereceiver)、低中频接收机(low-IFreceiver)和零中频接收机（zero-IFreceiver，也称作直接转换接收机）。低中频接收机适合窄带通信系统，零中频接收机适合宽带通信系统。现代高集成度接收机很少采用超外差架构。共源共栅低噪声放大器输入谐振网络带宽较窄,适用于低噪声窄带应用共栅低噪声放大器宽频带输入阻抗(50欧姆)匹配六、射频收发机(6)–低噪声放大器适用于多频段、宽频带无线通信系统等场景在低噪声放大器输出端,有用信号同相叠加,匹配级电路噪声反相抵消六、射频收发机(6)–低噪声放大器电阻反馈低噪声放大器噪声抵消放大器双平衡（输入信号和LO都是差分信号）无源混频器和跨阻放大器六、射频收发机(7)–无源混频器混频器用于将信号从射频频段搬移到中频频段（接收机），或者从中频频段搬移到射频频段（发射机），本质上是乘法器。无源混频器的晶体管工作在开关模式，流经其中的为电流信号。后级通常接跨阻放大器(TransimpedanceAmplifier,TIA)，用于将电流信号转成电压信号输出。无源混频器的LO输入通常接近方波，具有较好的线性度和噪声性能，通常应用在射频接收机中。六、射频收发机(8)–有源混频器有源混频器通常由吉尔伯特单元（Gilbertcell)构成。射频有源混频器的负载通常由电感电容网络(LCtank)构成，以实现增益放大和选频功能。LO输入通常为正弦波，晶体管工作在饱和区，线性度和噪声性能通常比无源混频器差。有源混频器能够提供增益，通常应用在发射机中。吉尔伯特单元混频器六、射频收发机(9)–射频发射机射频发射机主要可分为超外差式发射机(superheterodynetransmitter)和直接转换发射机（direct-conversiontransmitter，上图