第12章--模拟集成电路中的基本单元电路...ppt

1、第12章模拟集成电路中的基本单元电路，12.2恒流源电路，12.1单晶体管、复合器件和双晶体管放大器级，操作，12.3偏置电压源和参考电压源电路，12.1单晶体管、复合器件和双晶体管放大器级，1。双极晶体管复合器件和双晶体管放大级。在双极模拟集成电路中，两个或两个以上的有源器件通常按照一定的要求连接在一起。在电路分析中，它们通常被视为一个整体。1。达林顿管，Q1和Q2的集电极短接在一起，Q1的发射极与Q2的基极相连，管的静态工作点由恒流源I0(或偏置电阻)设定。在布局设计中，由于两个管的集电极短路，它们可以共用一个隔离岛。上标c代表复合管。复合管的输入电阻、等效DC电流增益、低频小信号电流增益

2、、等效跨导和等效输出电阻。达林顿管因其高输入电阻和大电流增益而广泛应用于集成电路中，但其跨导和输出电阻小于单管，芯片面积增大。2。共集电极和共发射极单元，3。复合PNP晶体管。PNP晶体管有时用于双极模拟集成电路，但一般横向PNP晶体管的电流增益很小。当需要较大电流增益的PNP晶体管时，可以使用复合PNP晶体管。它由水平PNP管和NPN管组成，I0为偏置恒流源。在电路布局中，它需要两个独立的隔离区。2.金属氧化物半导体晶体管放大级，1MOS源极跟随器。由金属氧化物半导体晶体管组成的源极跟随器类似于双极晶体管的发射极跟随器。它具有高输入阻抗、低输出阻抗和电压增益小于(近1)的特点。它广泛应用于金

3、属氧化物半导体集成运算放大器。其源漏电阻rds2变化很小，基本上可以视为常数。它的源漏电阻rds2是一个可变非线性电阻，包括2MOS共源共栅放大器、3共源共栅放大器和4CMOS放大器。上述金属氧化物半导体放大器均为单通道金属氧化物半导体放大器，其缺点是均具有影响放大系数的衬偏调制效应，衬底偏置效应与掺杂浓度有关。互补金属氧化物半导体放大器可以克服这种影响。(1)在固定栅极互补金属氧化物半导体放大器中，由于阱的隔离，两个金属氧化物半导体晶体管的衬底可以连接到它们各自的源极，因此基本上消除了由衬底偏置效应引起的性能退化。M1是一个NMOS管，M2是一个PMOS管，这两个管的衬底与它们自己的源(VB

4、S0)短路；此外，两个管的栅极短路，输入信号Vi同时作用在两个管上。由于两个管的通道不同，两个管的电流方向相反，所以放大器的输出电流是两个管的电流之和。(2)互补金属氧化物半导体放大器，当电路参数相同时，互补金属氧化物半导体放大器的电压增益是固定栅极互补金属氧化物半导体放大器的两倍，两者的输出电阻相同；然而，固定栅极互补金属氧化物半导体放大器的偏置要求相对简单。将CMOS放大器的电压增益和输出电阻与E/E MOS放大器和E/D MOS放大器进行比较，可以看出，由于gds一般比gm和gmb小一两个数量级，在相同的工作电流条件下，CMOS放大器的电压增益比E/E和E/D放大器高得多，通常达到506

5、0分贝，其输出电阻也比E/E放大器高。而且CMOS放大器有两个性能相似的互补管，因此可以简化许多模拟电路。由于这些特性，互补金属氧化物半导体放大器被广泛应用于金属氧化物半导体模拟大规模集成电路中。其缺点是工艺复杂，模具面积大。恒流源电路广泛用作偏置电路和有源负载。其基本形式是镜像电流源电路。为了简化制造工艺，提高恒流源的性能，适应不同的要求，出现了许多电路形式。1.精确匹配电流镜可以实现精确匹配，其原因在于以下措施：(1)增加Q3跟随器缓冲器以改善IB引入的电流传输差；(2)利用R1=R2的负反馈来减小由VBE(VBE1VBE2)引入的电流差；(3)为了抵消IB3的影响，在Q2的集电极增加了一

6、个发射极跟随器Q4，Q4的IB4用来抵消IB3，从而进一步改善了Ir和Io的对称性。在双极模拟集成电路中，NPN晶体管一般用作放大器件，需要互补的PNP晶体管作为有源负载来增加增益，因此PNP恒流源广泛应用于双极模拟电路中。只要用PNP管代替NPN管，改变电源接线和电流方向，各种NPN恒流源都可以变成PNP恒流源。第二，PNP恒流源，由于横向PNP管易于制作成共基多发射极多集电极结构，每个集电极的电流比精确地由每个集电极对应的有效发射面积的周长比决定。这满足了恒流源设计的要求，给电路设计带来了很大的方便，并且可以节省隔离岛的数量，减少管芯面积。12.3偏置电压源和参考电压源电路，集成电路中经常

7、需要高质量的内部稳压源来提供稳定的偏置电压或参考电压。通常，要求这些电压源的DC输出电平稳定，并且该DC电平应该对电源电压和温度不敏感。在集成电路中，有三种与电源电压无关的常用标准电压：(1)铍结二极管的正向压降VBE，VBE=0.60.8V伏，其温度系数-2mV；(2)由氮磷管反向击穿铍结构形成的齐纳二极管的击穿电压Vz、Vz69V和温度系数2MV(3)等效热电压Vt26mV毫伏，温度系数0.086毫伏。这三个标准电压的温度系数为正和负。利用VBE、Vz和Vt的温度系数符号相反，以及集成电路中元件之间的更好匹配和温度跟踪，通过以不同方式组合这三个标准电压，可以获得对电源电压和温度不敏感的不同

8、电压源和参考电压。1.双极三管能隙基准源利用等效热电压Vt的正温度系数和VBE的负温度系数相互补偿，可以使输出基准电压的温度系数接近零。Vg01.205V是硅在0K时的外推能隙电压；n是一个常数，它的值与晶体管的制造工艺有关。选择参考温度T0后，只要R2/R3和J1/J2设计得当，该温度下参考电压的温度系数可以接近零。由于这种零温度系数的参考电压接近材料的能隙电压Vgo，因此称为能隙参考源。当需要更高的参考电压时，可以将VBE叠加在三管能隙参考源的输出参考电压上，并且可以增加电阻比以获得接近5V的输出参考电压。2。双极双管能隙参考源。三管能隙参考源的输出是参考电压，它是Vg0的整数倍。如果输出

9、电压不是Vg0的整数倍，可以使用双管能隙基准源。通过改变R4/R5的比值，可以获得不同的输出，而不影响获得零温度系数的条件。通过适当选择R3的电阻值，可以补偿流经R4的基极电流造成的影响。该电路的温度漂移小于0.0l/，电压精度高达0.1，输出电压不是Vgo的整数倍。在双极电路中，电子束结压降是一个重要的电参数，它随温度变化明显。能隙基准源是通过合理的电路设计来补偿VBE对输出电压的影响，从而获得一个温度系数接近于零的基准源。金属氧化物半导体电路中的重要电参数是金属氧化物半导体场效应晶体管的导通电压，它也随温度而明显变化。通过合理的电路设计，我们还可以得到一个接近零温度系数的参考电压源。这由M

10、1M4组成的源极耦合对采用双端输出，其输出被送到第二级差分放大器的输入端(M5和M6)的栅极。在设计有源负载M3和M4时，不仅要求具有高输出阻抗，还要求严格匹配它们的特性，以便M1和M2的电流相等。为了确保M3和M4具有相同的导通电压，它们的源电压(相对于衬底)必须相等。即使当M9的负载电流改变时，M7和M8的源极电压(即，M5和M6的漏极电压)总是相等的。由于M5和M6的电流和Vds严格匹配，确保M5和M6具有相等的栅极电压，从而使M3和M4的线性源极和漏极源极电压相等。第二级差分放大器采用单端输出，输出送到由M9和M10组成的源极跟随器，源极跟随器输出参考电压VREF。第二级增益电路由M5

11、M8和M14组成，其功能是保证M3和M4的源电压相等，同时完成从两端到一端的转换。M7和M8是匹配的耗尽型金属氧化物半导体对。当它们的电流相等时，它们应该有VGS7VGS80。M11Ml5是一个偏置电路，提供恒定电流偏置，使电路中的所有耗尽型器件工作在饱和区。M16偏置是两级放大器电路的总电流(I1I2)。由于该电路中每个器件的电压和电流仅取决于M16的电流和每个器件的几何尺寸，所以该电路的电源电压抑制相对较高。该电路的输出电压VREFVTEVTD，VREF的值可以通过适当地控制离子注入过程来适当地改变。如果要求基准电压能够在较大范围内变化并具有更精确的绝对值，则可以使用图12.20所示的电路

12、，输出电压为4。利用金属氧化物半导体场效应晶体管在二次导通区的饱和漏电流与电压成指数关系的特性，可以制作出互补金属氧化物半导体基准电压源和小温度系数的互补金属氧化物半导体基准电压源。根据对金属氧化物半导体晶体管子导通区电学特性的理论分析，当n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管工作在子导通区时，如果其源极电压不为零，其漏电流可以表示为VGB、VSB和VDB分别代表栅极、源极和漏极对衬底的电势；m是与对比度调制系数相关的系数；ID0被称为特征电流，它表示当场效应晶体管的宽长比WLl和每个电极对地(衬底)的电势为零时的漏极电流。CMOS基准电压源的基本出发点是利用上述指数特性，产生与绝对温度成正比的电压源(称为PTAT源)的正温度系数，并补偿双极晶体管铍结压降的负温度系数，从而获得温度系数较小的基准电压源。PTAT的M1、M3和M5构成了第一组镜像恒流源，他们的VGS是相等的，但他们的W/L是不同的；M2和M