模拟电子技术基础 第八章.ppt

1、制作：李金平,第八章 MOS 模拟集成电路,第一节 概述 第二节 MOS 模拟集成单元电路 第三节 MOS 模拟集成运算放大器 第四节 MOS 模拟开关及开关电容电路,第一节 概述,与双极型模拟集成电路相比,MOS模拟集成 电路:,优点:集成度高(1/5),输入阻抗高,功耗低,制造简单, 动态范围大,成本低.,缺点:增益低,(1/40),工艺匹配性能差,低频噪声大,按MOS工艺分为:,1.PMOS型:电路全部由P沟道FET组成。 2.NMOS型:电路全部由N沟道FET组成。 3.CMOS型:电路由PMOS、NMOS互补器件组成。,第二节 MOS模拟集成电路,一、MOS 电流源,（一）、 MOS

2、镜像电流源（电路如图）,T1、T2均工作在恒流区,因为UGS1=UGS2,UT1=UT2,IG=0所以,一、MOS 电流源,（一）、 MOS镜像电流源（电路如图）,若T1、T2结构对称，则沟道的 宽长比=1。所以 Io=Ir 成镜像关系,一、 MOS 电流源,（二）、具有多路输出的比例电流源（电路如图）,由（一）可知，若T1、T2 结构不对称，则I0与Ir成 比例，比例系数为沟道的 宽长比之比。设T1、T2、T3 管的沟道宽长比分别为ST1 、ST2、ST3，则有,二、 MOS管有源负载,（一）增强型（单管）有源负载,将D、G短接，电路如图,R0,R0,等效电路如图,其中：,称跨导比,显然，适

3、当减小gm(或 ) ，可提高R0,G.S,二、 MOS管有源负载,（二）耗尽型 单管）有源负载,将D、S短接，电路如图,R0,R0,等效电路如图,显然，与增强型MOS有源负载 相比，它具有更高的R0,三、 MOS单级放大器,有源负载的共源MOS放大器常见的电路形式有：,1.E/E型NMOS放大器：放大管和负载管均为N沟道增强型 （E型）的共源放大器。,2. E/D型NMOS放大器：放大管用增强型（E型） ，负载管 用耗尽型（D型），两管均为N沟 的共源放大器。,3.CMOS放大器：使衬、源电压（UBS=0）,并由增强型NMOS 管和增强型PMOS组成的放大器。,4. CMOS放大器：在的基础上

4、，将两管的栅极连在一起作为 输入端。,（一）、E/E型NMOS放大器,电路如图 (N1为放大管,N2为负载管),等效电路如图 (RL2=1/gmb2为N2管的等效电阻),电压增益:,由于SN1、SN2受工作点限制不能随意 增加，所以AUE较小。,输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds/RL2,（二）、E/D型NMOS放大器,电路如图 (N1为放大管,N2为负载管),等效电路如图 (RL2=1/gmb2为N2管的等效电阻),电压增益:,输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds/RL2,因为2为0.1左右,所以AUD比AUE高 一个数量级,增益较高。,显见，比E/E型放大器输出电阻高

5、。,（三）、CMOS放大器,电路如图 : (B、S短接即UBS=0;UGS=0),等效电路如图 : (P2管的等效负载RL2=rds),rdS2,电压增益： AUC=-gm1(rds1/rds2)=- gm1/(gds1+gds2),gds1+gds2比gm2、gmb2小12个数量级，所以，在 同样工作电流条件下，AUC远高于AUE、AUD。,在恒流区，ID越小，AUC越高。,输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds1/rds2=1/(gds1+gds2),Ro比E/E、E/D放大器的Ro高。,-USS,（四）、CMOS互补放大器,电路如图：,等效电路如图：,电压增益：AUC=-(gm1

6、+ gm2)/(rds1/rds2) =-( gm1 + gm2) /(gds1+gds2),输入电阻：Ri1010,输出电阻：Ro=rds1/rds2 =1/(gds1+gds2),显见，它比CMOS放大器具有更高的增益。,-USS,第三节、MOS集成运算放大器,2.CMOS运放： ,常用的集成运算放大器有,1.NMOS运放： ,优点：速度快、集成度高。,缺点：Au小、电路复杂。,优点：增益高、电路简单。,缺点：速度较低、集成度较低。,（一）、5G14573CMOS四运放电路,5G14573外形封装如图（含4个完全相同的运放）,(1/4) 5G14573运放电路如图,(1/4)5G14573

7、运放电路分析,电路结构：,偏置电路,差动输入级,输出级,偏置电路：由P0、P1、P2 管组成比例电流源，参 考电流由P0和R提供。,差动输入级：由P3、P4组 成，N1、N2为其有源负载 ，并完成双-单端转换。,输出级：由N1,P2构成共 源放大器，P2为负载管， C为密勒补偿电容。,第四节 MOS模拟开关及开关电容电路,在模拟集成电路中，MOS管可做为： 1.增益器件； 2.有源负载； 3.模拟开关(接近于理想开关),做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性： 1.器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。 2.控制端G与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之 间无直流电流。,从开关应用

8、角度讲，NMOS优于PMOS，所以通常选用NMOS 管做模拟开关。,一、单管 MOS传输门模拟开关,1.增强型单管MOS模拟开关电路,K,UGUt时管子截止（Roff ）。,UGUt时管子导通（Ron0）。 所以可近似等效为理想开关（如图）,实际应用时，MOS管并非理想开关。 因为： （1）极间电容CGS、CGD、CSB、CDB存在 （2）Roff , Ron 0,UGS Ron,CGSCGD串扰.所以应适当选择UGS,Ron,极间电容.所以应适当选择,显见：,保证MOS模拟开关正常工作的条件,MOS开关的正常工作受限于与开关连接的电容值， 时间常数是限制开关工作速度的重要因素。,保证开关工作

9、的条件为：,开关工作频率时钟控制频率,二、开关电容电路（简称SC电路）,开关电容电路的组成：由模拟开关和NMOS电容组成。,开关电容电路的功能：在时钟信号的控制下完成电荷的存储和 转移。它与运放等基本电路组合起来可 实现多种功能。,几种常用的基本SC电路:,1.SC等效电阻电路，分为,（1）并联型SC等效电阻电路，,（2）串联型SC等效电阻电路，,2.SC积分器（简称SCI）,3.SC低通滤波器,（一）、SC等效电阻电路,1.并联型SC等效电阻电路，（如图）,（1）要求： 、 /同频、反相、等幅 且不重叠。波形如图,（2）工作原理,当为高电平时，N1通、N2止， C接到U1得到充电电荷Q1=C

10、U1,当/为高电平时，N1止、N2通， C接到U2，C端电荷Q2=CU2,因此，在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为,Q=Q1-Q2=C(U1-U2),（一）、SC等效电阻电路,（2）工作原理,因此，在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电荷为：,Q=Q1-Q2=C(U1-U2),从U1流向U2的平均电流为：,I= Q/TC=C(U1-U2)/TC,所以，等效电阻为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC,注意：等效电阻R代替常规电阻必须满足以下条件,1.fC远大于fS 2.U1、U2 不受开关闭合的影响,（一）、SC等效电阻电路,工作原理,因此，在时钟Tc内，从U1向U2传输 的电

11、荷为：,Q=Q1-Q2=C(U1-U2),所以，等效电阻也为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC,2.串联型SC等效电阻电路，（如图）,当为高电平时，N1通、N2止， C上储存的电荷量Q1=C（U1-U2),当/为高电平时，N1止、N2通， C上储存的电荷量Q2=0,显见，与并联型SC等效电阻电路的Q相同,二、 SC积分器（简称SCI）,已知RC有源积分器电路如图,其输出表达式为：,只要用SC等效电阻代替上图中的 常规电阻R，即得到SC积分器。,相应的输出表达式为：,在集成电路中，很难获得精确地电容 ，但易获得精确地电容比，所以SCI 有较高的精度.,（三）、SC低通滤波器,RC无源网络构成的低通滤波器电路如图,其传输函数：,其中，0=1/R1C 称低通截止频率。,有源一阶低通滤波器电路如图,其传输函数：,其传输函数：,用SC等效电阻代替上图中的电阻， 就得到SC低通滤波器。如图,低通截止频率： 0=fcC1/C,本章小结,ljp:,1.MOS集成电路的分类（NMOS、PNOS、CMOSC、MOS互补）,2.MOS器