（电路与系统专业论文）基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 基于r - m o s f e t c 全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统 学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、自动控制等方面 有着广泛的应用背景，特别是在数字模拟混合信号处理及通信集成电路中有着重要的应 用。而r - m o s f e t - c 滤波器因为具有良好的动态范围和电控能力、与m o sv l s i 工艺兼 容等优点而成为现代滤波器领域中的一个极为活跃的课题。 本文主要研究了基于r - m o s f e t - c 的全差分轨对轨输入级高阶滤波器的设计理论、 设计方法和实现电路。文章首先介绍了课题的研究意义，并介绍了m o s 晶体管的基本 结构、工作原理和模型电路，以及由m o s 晶体管所构成的模拟集成电路的几种基本组 成单元，如：m o s 有源电阻、共源共栅电流镜等。然后，首先给出了一种新的全差分 轨对轨输入级多级运算放大器。在其结构设计方面，分别对所设计的运算放大器的输入 级、中间级、输出级等电路的结构、工作原理和具体实现电路进行了分析和研究。利用 该运算放大器可以实现输入信号动态范围达到满幅度值而输出信号失真很小。并用 p s p i c e 软件对电路做了仿真验证和测试；p s p i c e 仿真结果表明该电路正确可行。而 m o s f e t c 滤波器与有源i 屺滤波器非常近似，只是电阻换成了工作在线性区作有源电 阻用的m o s 管。由于二者相似，本文利用已熟知的有源r c 滤波器的知识设计了 m o s f e t - c 滤波器。最后提出了利用开关电容技术调节工作在线性区作有源电阻用的 m o s 晶体管的栅级电压值大小，以晶体管有源电阻阻值的变化来实现精确控制其阻值的 大小，达到精确设计m o s f e t - c 滤波器截止频率的要求。接着采用该运算放大器和开关 电容阻值调节电路设计了基于r - m o s f e t - c 高阶b 傩e r w o m l 低通滤波器，并实现其频 率的精确可调，仿真结果表明所设计的滤波器正确、有效。 关键词：轨对轨；频率可调；开关电容；b u 舱r w o r m 滤波器；m o s 管有源电阻 硕士学位论文 a b s t r a c t i h es t u d yo f 血l l ym e 影i t e dc o n t i i l o 髑t 妇ef i l t e r sb 弱e do nr - m o s f e i - ci so mo ft l ：屺 c u ：t t m g - e d g ep r o j e c t s i i lm e丘e l d so fi i l i c r o e l e c 仃0 1 1 i c s ，c i r c l l i t s 砒l d s y s t e m a t o l o g y c o n t i r l o u s t i m ef i l t e r sl l a v eb e e n 诵d e l y 印p l i e di i lc o 伽：r n “c a t i o 璐，e l e c 仃o i l i cs u r v e y i l l g ， i i l s 协加1 e n t a t i o n ，a u t oc o m r o l 觚ds oo n ，e s p e c i a l l yi i lt 1 1 e 眦l o ga n dd i g i t a lm i x e ds i 罂l a l p r o c e s s i l l g 锄d 缸e 鲈心c o 衄u i l i c a t i o nc 硫u i t s r - m o s f e t - cf i l t e r sh a v eb e c o m e 雒a c t i v c s u b j e c ti nt l l ef i e l do fm o d e mf i l t e r sb c c a u s eo ft h e i r9 0 0 dd y 衄m i cr 舭g e 强de l e c 仃i cc o n 勺l a b i l i 够觚dt h e i re 硒yc o n l p a t i b i l 时晰n lc m o sv l s it e c h n o l o g y i i lt 1 1 i s 恤s i s ，w em a i l l l ys t u d ym ed e s i g i lp 血c i p l e 锄di n 砒o do fa 向l l yd i 疏r e n t i a lr a i l t 0r a i li n u l t 一她eh i g h - o r d e rf i l 钯rb a s e do nr - m o s f e t - c 锄di t sa c t u 2 l lc 沁u i t s f i r s t l y 、 i i l 缸o d u c et 1 1 e s t u d y ss i g 越f i c a c eo ft h ep r o j e c t ，m eb 嬲i cs 协j c t u r e ，w o r k 曲gp r i i l c i p l e 缸l d m o d e lc u i to fm o s 衄l s i s t o r sa n ds o m eb 船i cc o m p o s i n gu i 】乱so ft l l ei n t e 鲈a t e d 觚a l o g c 硫u i tc o 删p r i s e do fm o s 锄珊i s t o r s ：吐屺m o sa c t i v er e s i s t a n c e ，t 1 1 ec o m m o n - s o u r c ea n d c o m m o n - g a t ec m e n tm 曲r o r 锄do 廿l e r s s e c o i l d l y ，w ep r o p o s eai l o v e l 如l l yd i 丘- c r e n t i a lr a i lt 0 r a i lm u l t s t a g e o p e r a t i o i l a l 锄p l i f i e r ，a n d 龇l a l y s ea i l ds t u d y 廿1 ec i r c u i ts 仇j c t u 陀，、o r k i i l g p f i n c i p l e 龇l da c 删c i r c u ho fi t si n p u t ，m i d d l ea n do u t p u ts t a g e s u s i l 玛t 量l eo p e f a t i o r 谢 龇i l p l i f l e r ，s i g n a l s c a nb e i n p 毗 t 0 如l l 锄p l i n l d e 龇l do u p u t 、杌t 1 1 l o wk m n o i l i c d i s t o n i o n ( t h d ) w 色a l s od o 删a t i o 璐t 0e x a m i n ea n dt e s tm ec i r c u i t 谢m 也es o f h a r e p s p i c ea i l dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec i r c u i t 、o r k sc o n e c t l y w ed r a wo nk n o w l e d g eo f w e l l - k n o w nr cf i l t e l 。st 0d e s i 印m em o s f e t cf i l t e rb e c a u s e 吐圮ya r eq u i t es i 血l a re x c e p t t l l a tt h er e s i s t 雒c e sa r er 印l a c e db yt l l em o s 仃a i l s i s t o r s 、0 r k i n gi i lt l l e 仃i o d er e g i o n 弱a c t i v e r c s i s t a n c e s f i i l 越l y ，w ep r o p o s ea d j u s t i o nw i 也s w i t c l l i n gc a p a c i t o r so fm eg a t ev o l t a g eo fn 璩 m o s 觚i s t o rt oc k m g et l l ev a l u e so ft l l ea c t i v e 仃a n s i s t o rr e s i s t a n c e ，b yw m c ht h ec u t o 行 舭q u e n c yo f 廿地m o s f e t - cf i l t e rc 肌b ea c c u r a t e l ya u c l l i e v e d a n dt 1 1 e n 、ed e s i 萨a k 曲一o r d e rl o w - p 邪sb 皑e r w o m lf i n e r b 嬲e do nr - m o s f e t - cu s i i l gn l eo p e 玎a t i o i 讲舭l p l i 矗盯 a n ds 、) l ，i t c h i l l gc a p a c i t o rt u 】【1 i l l gc 沁u i t ，a i l dr e a l i z ea c c 咖ea d j u s t a b i l 匆o fi t s 毹q u e n c y t h e s i n l u l a t i o nr e s u l t ss h o wn l ef i l 锨、ed e s i g nw o t l 【sc o r r e c t l y 龇l de 饪e c t i v e l y k e yw o r d s ：r a i lt 0r a i l ；1 协a b l e 舶( m e n c y ；s w l l i n gc a p a c r ；b u 他r 、0 m lf i l t e r ； a c t i v er c s i s t o ro fm o s 仃缸峪i 咖r 基予鞔对孰输入级运放豹离阶可调频率滤波器豹设计 插图索引 图2 1n m o s 管的简化结构图5 图2 2m o s 管大信号模型。7 图2 3m o s 管的交流小信号模型。9 图2 。4 低频时m o s 管的交流信号模型9 图2 5m o s 管噪声源模型11 图2 6m o s 管等效嗓声源模型ll 图2 7m o s 有源电阻1 2 图2 8 基本m o s 电流镜1 3 图2 9m o s 威尔逊电流镜1 3 图2 10 共源共栅电流镜l5 图2 1l 基本源耦差分对电路。1 5 图3 1 一般运算放大器的差分输入级1 9 图3 2 基本的r a i l t o r a i l 输入结构2 0 图 图 图 图 3 隧l 韵一f a i l 运算放大器共模输入电压范围2 0 4 跨导随共模输入电压变化图2 1 5 运算放大器输入级结构2 3 6 折叠共源共栅运算放大器2 4 图3 。7 折叠共源共栅运算放大器半边等效电路。2 4 图3 8 输出对地短路的等效电路2 5 图3 9 输出开路的等效电路2 5 图3 1 0n m o s 差分管作为输入的折叠共源共栅运算放大器2 7 霉3 1 l 攀类放大器一2 8 图3 1 2 全差分运算放大器共模负反馈电路图。2 8 图3 1 3 具有共模负反馈的轨对轨输入级运放原理图2 9 图3 1 4 输入输出转移特性2 9 图3 15 轨对轨输入级运放幅特性蓝一3 0 图3 1 6 轨对轨输入级运放相频特性曲线3 0 图4 1由m o s 管构成的最简单的可变电阻3 2 图4 2 差分平衡可变电阻3 2 图4 3r - m o s f e 暑c 积分器3 2 图4 4 砧m o s f e b c 积分器等效图，3 3 v l 硕士学位论文 图4 5r - m o s f e t - c 一阶低通滤波器3 4 图4 6 一阶低通滤波器的等效电路图3 4 图4 7r m o s f e 娶c 一阶低通滤波器幅频特性越线3 4 图4 8r - m o s f e t _ c 一阶低通滤波器相频特性曲线3 5 图4 9 无源r l c 滤波器原理图3 6 图4 10 信号流图3 6 图4 1l 无损积分器一3 6 图4 1 2 有损积分器3 6 图4 1 3 单端有源r c 滤波器3 7 图4 1 4 四阶全差分双端有源低通滤波器3 7 图4 。1 5 有源低通滤波器幅频特性曲线3 8 图4 。1 6 有源低通滤波器相频特性曲线3 8 图4 1 7 低通滤波器的幅频特性曲线3 9 图4 18 四阶巴特沃靳低通原型滤波器4 1 图4 1 9 四阶巴特沃斯低通滤波器具体实现电路一铊 图4 2 0 四阶有源b u 位e r 、v o r c h 低通滤波器的幅频响应曲线4 3 图5 1 基本开关电容单元4 6 图5 2舀动频率调节电路4 8 图蔓3全差分四阶b 城o r w o r t l lr m o s f e t - c 运放滤波器实现原理图4 9 图5 4 全差分四阶b u 讹州o r c l lr _ m o s f e t - c 运放滤波器幅频特性曲线4 9 图5 5 全差分四阶b u 谯钔o 衄& m o s f e t - c 运放滤波器相频特性曲线4 9 v h 基于轨霹轨输入级运放翡高酚可灞频率滤波器的设计 附表索引 表2 1m o s 及p m o s 的伏安特性关系8 表2 2m s f e t 模型参数l o 表4 。至妇一忧的邑特n 沃衔低逶滤波器传递邋数的分母多顼式。钓 v | l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：朗畅 f 日期：勾口占年r 月2 汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“) t 作者签名 导师签名 日期： 州刍年r 月们日 r 版日期：加9 年j 月舢日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的重要意义及国内外研究现状 近三十年来，集成电路技术迅猛发展，突出表现在特征尺寸不断缩小、集成 度不断提高。集成度的提高一直遵从摩尔定理，动态随机存储器( d r a m ) 的集 成度每1 8 个月魏一番。集成度的提高，大大地改善了电路系统的电学性能，提高 了电路系统的可靠性，并降低了成本。随着集成电路复杂程度的提高，对集成电 路的设计提出了越来越高的要求，如：要求设计精度高、周期短、成本低、设计 差错尽量少等。对于现在的集成电路设计技术而言，利用计算机辅助模拟工具预 测或验证所设计的电路或系统的性能，已经成为其中最重要的工作。电路模拟中 用于预测器件和电路性能的器件模型包括两部分：( 1 ) 描述器件工作过程的数学 方程组、等效电路图或者数据表，多用数学方程组；( 2 ) 精确的模型参数。在选 定一个包含了器件工作过程中的各种主要物理效应的模型及其方程后，利用此模 型预测电路和器件特性的准确性就与所采用模型参数的准确程度有极大的关系， 随着器件尺寸的缩小和电路模拟器中模型复杂程度的提高，这一种依赖关系变褥 越来越重要。因此，提取模型方程中参数的准确值就成为决定s p i c e 模拟结果的 关键。模型参数提取不仅可以为各种电路模拟器提供准确的模型参数，用于 v s i c a d ，还可以根据提取的模型参数，改进和完善工艺过程。 超大规模集成电路工艺的发展使器件尺寸不断减小，加之便携式产品的需要， 电路的电源电压持续下降。数字集成电路在上述趋势下可以容易地取得更低的功 耗和更高的信噪比。模拟电路作为外部器件和内部数字电路的联系是不可缺少的。 随着超大规模集成电路的系统集成s o c ( s y s l e mo 矬c h i p ) 的迅速发展，模拟集 成电路的设计，使用深亚微米标准c m o s 工艺的模拟集成电路的设计，已成为当 前芯片设计的主流趋势。c m o s 运算放大器是模拟电路中重要基本单元，该单元 不但要具有传统运放的基本特性，如高增益、低失调等，而且随着低电源电压的 要求，还必须具备接近于供电电源电压和地之间( 孰对轨) 的输入共模范围和输 出摆幅【1 - 4 1 。 在信号处理系统中，个高动态范围的运算放大器是不可缺少的模块；动态 范围也可表示为信嗓院。随着c m o s 工艺的发展，电源电压越来越低，运算放大 器所能处理的最大信号幅度越来越小。因此提高运算放大器的动态范曝给我们提 出了挑战p j 。 而在笔记本电脑、移动通信、植入人体的生物医学装置等便携设备飞速发展 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 的推动下，低压低功耗运算放大器已成为低电压电路的重要组成部分，所供电压 的减小导致了输入共模电压范围的减小，从而导致了信号本身变化的减小。因此， 运算放大器的输入级一般要求设计成轨对轨输入的形式，而且放大电路的总跨导 最好不随输入共模电压变化，因为跨导的变化会孳| 起电路的增益、速度、噪声等 特性发生变化1 6 j 。 近年来c m o s 工艺水平的提高，使沟道长度减小、集成度上升的同时，要求 使用更低的电源电压。但由于m o s 管的阈值电压不能随特征尺寸的缩小而线性 缩小，所以在低压环境下，c m o s 运算放大器的共模输入范围大大减小。为保证 放大器的信噪比和大的动态输入输出范围，轨对轨运算放大器正受到越来越多的 关注。 轨到轨的输入输出结构可以用来提高运算放大器的输入输出范圈，僵是通常 的轨到轨输入结构需要使用两个差分对。相对于普通的具有一个差分输入对的运 算放大器来说，轨到轨输入结构多：出的一个差分对增加了运算放大器的输入噪声， 而且一般的轨到轨输入输出结构的运算放大器使用了折叠共源共栅结构，该结构 相对于套筒式结构来说具有更大的噪声。因此使厢轨到轨输入输出结构来改善运 算放大器动态范围的方法，在噪声的降低方面是一重要课题。 运算放大器是构成开关电容滤波器、信号放大器和输入输出缓冲器等模拟电 路的基本模块。为了使模拟电路具有与数字部分相同的信噪比，需要运算放大器 翼有轨对轨的输入、输出能力。高性能的运算放大器是当今l c 设计中一个极具挑 战性的课题【列。同时近年来，连续时阆滤波器的研究受到了电路与系统学界的高 度重视，并在通信电路芯片中得到成功应用。关于连续时间l c 滤波器，有许多 报道，都是为了在获得高线性度的同时维持可调谐。m o s f e t c 滤波器是基于有 源r c 滤波器得来的，它的电阻用工作在线性区m o s 管来实现。它的一个主要闯 题是失真闯题。我们可用一组晶体管来代替单个的晶体管来消除失真。然而，即 使采用了这样的措施，其工作频率也不会太高，主要是运算放大器限制了其工作 频率。在将滤波器进行集成时，面临着许多困难和挑战。在设计中，首要的问题 是集成连续时闻滤波器的动态范围，特别是在高q 值和低电压的设计中。一般在 设计中通过平衡结构来解决这个闻题。第二个问题是怎样保证精确的和稳定的元 件值。由于加工误差、温度变化以及老化等引起元件值的不精确。另外，滤波器 的截止频率需要不断地变化，该问题可以通过调整偏置电压或电流的方法来解决。 各种调谐滤波器的实现中，m o s f e t e 滤波器很容易蠲运算放大器模块实现 并保持与有源r c l 波器相同的结构。这些m o s f e t c 滤波器可用标准c m o s 工 艺制造，利用m o s 管的线性化模型来代替无源电阻。这种器件被用在单片集成 电路上作为线性可调电阻。与传统可调谐滤波器相比，本文所给出的线性改进使 反馈回路中的非线形可变电阻的噪声有大幅度的减小，而且，加在非线性元徉上 硕士学位论文 的实际电压也可减小至使m o s f e t 更好地工作于线性范围。在各种连续时间滤波 器的调谐实现方式中，一种引入注舀的方式就是利用m o s 管有源电阻的可调性 来实现调谐。这种m o s f e t c 连续时间滤波器可用标c m o s 工艺制造，在一定 的电压控制下，可实现高线性度的调谐性能。上世纪八十年代，金属一氧化物一 半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 以其结构简单、制造成本低、功耗小的特点， 成为超大规模集成电路( v l s l ) 中的主要半导体器件，更由c m o s ( 互补m o s ， 它同时采用了p 沟和n 沟m o s f e t ) 技术抗噪声能力强、静态功耗低等优点，给 现代i c 制造业带来了一场革命，c m o s 技术迅速成为超大规模集成电路主流技 术。 隧着航空、航天以及逶信技术和超大规模集成电路的发展，对系统的集成提 出了更高的要求。有源r c 滤波器中的阻容元件存在非线性，占用面积大，相对 精度差等缺点，人们开始研究取代电阻的方法。1 9 7 7 年，人们用开关电容模拟电 阻进而取代电阻，构成单片集成开关电容s c ( s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 滤波器。这是 集成滤波器的单片全集成的首例报道，是滤波器学科史上的重要突破。从此，滤 波器进入了单片集成的新时代2 1 。 开关电容滤波器( s c f ) 电路可以由模拟开关、电容和运算放大器组成，s c f 传输函数的特性取决于时间常数中两个电容容量比值的精确性( 与时钟周期成正 比) 。开关电容滤波器两个电容的温度漂移可以相互抵消，电容比值基本不受温 度等因素影响【1 3 1 。随着m o s 大规模集成技术的迅速发展，集成元件比值的精度 可高于千分之一，利用开关电容技术设计滤波器以其整体结构简单、能够臼动调 节滤波器的截止频率以及易于用m o s 工艺实现的特点，正在迸一步取代一般的 有源滤波器。 1 2 本文的内容安排 本文主要研究了基于r m o s f e t - c 的全差分轨对轨输入级高阶滤波器的设 计理论、设计方法和实现电路。给出了一种新的全差分轨对轨输入级多级运算放 大器，利用该运算放大器可以实现输入信号动态范围达到满幅度值雨输出信号失 真很小。并且利用开关电容技术调节工作在线性区作有源电阻用的m o s 晶体管 的栅级电压值大小，实现了晶体管有源电阻阻值的变化以精确控制其阻值的大小。 最后采用全差分轨对轨输入级运算放大器和开关电容阻值调节电路设计了基于 r m o s f e 孓c 四阶b 毽l t e f w o 堪l 低透滤波器，并实现了其频率的精确可调，仿真结 果表明所设计的滤波器正确、有效 本文的主要内容和章节分布为： 第l 章：本论文的研究背景、豳内外研究现状以及内容按排进行了介绍。 第2 章：将介绍现代大规模集成技术中的m o s 晶体管的基本原理、结构糯 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 制造工艺，然后研究全集成电路技术中的常用构成模块的工作原理和结构，如： m o s 有源电阻、c m o s 电流镜、基本源耦差分对等。 第3 章：将介绍全差分a i l t o r a i l 输入级的r 运算放大器结构，并对所设计 的运算器的输入级、中间级、输出级及频率补偿电路进行了介绍，最后对具有共 模负反馈的全差分r a i l t o r a i l 运算放大器要求进行仿真。 第4 章：将介绍基于r m o s f e t c 的高阶滤波器的设计，利用已熟知的有源 r c 滤波器的知识设计m o s f e t - c 滤波器，同时研究其设计算法和电路结构。最 后介绍了b u t t e r w o n h 低通滤波器数学模型，并对基于r m o s f e t c 的高阶滤波 器进行了仿真。 第5 章：将介绍开关电容的基本原理，同时准备介绍一种利用开关电容技术 调节工作在线性区作有源电阻用的m o s 管的栅极电压值的频率调节电路，应用 该电路可以精确调节有源电阻值的大小，达到精确设计m o s f e t - c 滤波器截止频 率的要求。最后，给出了一个基于r m o s f e t - c 轨对轨输入级运放的四阶 b u t t e 刑o r p t h 低通滤波器的设计实例，并对所设结果进行仿真。 硕士擎位论文 第2 章c m o s 模拟集成电路基础 稃现代大规模集成电路的应用技术中，c m o s 技术已经得到了广泛的应用， 并且已经成为了主流技术。单独应用m o s 管设计集成电路时，由于其有离散性 较大、低跨导、低增益等特点，使得设计困难。随羞入们对电子产品的要求越来 越高，对电路低功耗、高集成度的要求越来越高，c m o s 技术的出现为人们解决 这类问题提供了新的手段和方法。c m o s 电路中p m o s 和n m o s 管成对出现， 其有功耗低、输出电压动态范围大、输入阻抗高、集成度高、占用芯片面积夸等 优点。因丽，c m o s 电路在大规模模拟集成电路应用越来越广泛，并且已经成为 了主流工艺。 2 1m o s 晶体管 m o s 晶体管是以硅绍为树底材料，以二氧化硅为绝缘层，以金属铝或重掺杂 的多晶硅为栅，所以称作金属氧化物半导体场效应管，简称m o s 管。m o s 管 栅极与沟道之间由绝缘层隔离，输入电阻达1 0 1 4 欧姆以上，m o s 集成电路的工艺 集成密度高，是当今超大规模集成电路的主要器件1 8 戡】。 图2 1n m o s 管的简化结构图 图2 1 是n m o s 管的简化结构图，其中衬底材料为p 型半导体，两个n + 区由 扩散工艺形成，分别称力源区和漏区，栅氧化层上面是金属连线，称为栅极g 。 源区及漏区分别由金属连接形成s 极和d 极。衬底引出的电极称为基极b ，通常 b 极与源极是短接的。图2 1 所示为n 沟道增强型m o s 场效应管，它的特点是栅 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 极不加电压时，栅氧化层下面不存在n 型导电沟道，只有当栅极加正电压 砾( 阈值电压) 时，才在漏源之间形成一个导电的沟道，使漏源区导电。除了 p 型和n 型增强场管外，还有耗尽型场效应管，其主要特点是栅极不加电压时， 导电沟道遗经存在了。在同一树底上，生成p 沟道m o s 场效应管和n 沟道m o s 场效应管，这种结构和工艺通常称为c m o s 电路结构与工艺【2 。 2 1 1m o s 管的大信号工作原理 m o s 管工作在直流信号时，其工作原理和模型可以用大信号模型来描述。以 n 型沟道m o s 晶体管为例，其伏安特性方程为： 厶= 半【( 一巧) 一等】 厶= o 巧，且当( 一巧) 时，得到： 如：华( 一) ( 2 7 ) 与之间呈线性关系，漏源之间呈现一个直流线性电阻酝为： 2 等2 丽b 亿8 ， 调节邸可调节的大小。 ( 3 ) 饱和区： 珞，且一螺，临界饱和时的漏极电流为： 如：譬( 一珞) ： l d2 = - f 一乏y 圆一y f ， 二厶 ( 2 9 ) 在饱和区，增大瑟尊，厶几乎不便，式( 2 ，9 ) 也为饱和区的漏极电流的一般 公式。 当考虑到沟道长度调制效应时，饱和区的电流为： 厶= 等( 吲2 ( 1 + ( 2 式( 2 1o ) 中a 为调制因子，对于m o s 管a 的典型值为o 0 l y o 。舵矿。 理想的m o s 管三个区中大信号模型如图2 2 ，伏安特性关系可归结为表2 1 。 模型中的栅极输入电阻为无穷大，漏极是一个电压控制电流源，电流源的特性表 达式由表2 1 给寝。表中的，n 电流表达式适用予所有m o s 管，它对m o s 管集成 电流设计者非常有用。因为表达式把，n 与工艺参数k 和设计参数w 、l 联系起来， 在工艺确定后，可以通过改沟道的尺寸来得到特性不同的器件。 gd s 图2 。2 瓢0 s 警大傣号模型 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 表2 1n m o s 及p m o s 的伏安特性关系 n m o s管： ，竿【( 一硌) 一譬】( 珞，o 一_ ) ( 锪和区) 。o ( 一，m o s 管工作 于饱和区。电流电压关系为： f ，：厶：婴( 一巧) ： ，：竺： 墨 ( 2 1 6 ) ，= 一= 一 i z j o 2 2 2m o s 电流镜 处理单元。m o s 基本电流镜电路【14 1 ，如图2 8 所示，由晶体管t 1 、t 2 组成，其 量：血：兰! 孽兰竖! 二竺! ：兰竺! !( 2 肿) 厶厶： k 晖) ：( ：一：) ：( 1 + 如：) 卜“叫 若集成工艺条件使得t 1 与t 2 的特性理想匹配，则有墨_ ，巧。= 巧：；同 硕士学位论文 时忽略沟道长度调制效应，即 = 九= 0 ；再考虑到。= 2 ，则由式( 2 1 7 ) 可得 电流传输比的简化表达式为： 妻= 鞣或厶= 豫厶 亿 在集成电流镜的设计中，通常取t 1 、t 2 的沟道长度相等，此时，电流传输 比的大小决定于两管沟道宽度之比。基本电流镜的交流输出电阻为： r = 盛) - 12 志 ( 2 1 9 ) 为了得到更好的输出恒流特性，希望r 越大越好，由上式可知，通过减m o s 管的亢值来实现民的增大。当a 值很小，且满足a l 时，民可写作： r = 1 ( 3 3 ) ( 2 。2 2 ) 由( 2 。2 2 ) 式可以看出，基本威尔逊电流镜的输出电阻比基本电流镜提高了 g 掰3 倍，3 3 正好是晶体管t 3 的开路电压增益，其典型值为5 0 1 0 0 。 基本威尔逊电流镜的缺点是t 3 的漏源电压比t 2 的漏源电压高 ( 。= ：+ 。) ，出于t 2 、t 3 在饱和区的输出电阻都不是无穷大，由沟道调制 效应，的不同将弓l 起毛与厶的失配。图2 。9 ( b ) 所示改进型的威尔逊电流镜电路， 增加了晶体管t 4 。加入t 4 盾，可使t 2 、t 3 在相等的漏源电压下工作，消除其 输出电阻引起的电流失配。 2 2 2 3 共源，共栅电流镜 为了减小沟道调制效应，也可以采用共源共栅电流镜电路，如图2 1 0 所示。 该电路包禽4 个m o s 晶体管，其中，彳2 、零4 组成一个基本电流镜，其输出电阻 ( 即t 2 晶体管的输坦电阻) ) 串接在t l 的源极上，对厶起电流负反馈作用。 假设由偏置电路决定的栅，源电压始终维持不变，则当某种原因引起输出端电 压增高时，可以产生如下反馈过程： 论碥馘一祛2 聿以l 一一蝇 该反馈过程使输出电流的变动量减小，趋于稳定，因而使输出电阻得到提离。 共源共栅电流镜输出电阻的方程式为【1 9 】： r = l 十，砬+ 1 2 9 。l ( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中，、分别为晶体管量l 、t 2 的输出电阻，g m l 为晶体管t l 的式 ( 2 2 3 ) 中，l 、分别为晶体管t l 、t 2 的输出电阻，g 辫l 为晶体管t l 的跨导。岛 比基本电流镜的输出电阻大约提高了。既。倍，岛。是t l 的开路电压增益。 硕士学位论文 t 4 羔o t l 图2 1 0 共源一共栅电流镜图2 1 1基本源耦差分对电路 2 2 2 4 基本源耦差分对 基本源耦差分对在模拟集成电路中有着广泛的应用，如集成运放的输入级均 采用差分放大器的电路结构f 2 朝。差分放大器只对差分信号进行放大，褥对共模信 号可进行抑制，具有很强的抗干扰能力和漂移小、级与级之间很容易直接耦合等 优点。用恒流源k 作偏置电流( 也称作尾电流) 的n m o s 源极耦合差动跨导放大级 电路如图2 1 l 所示，通常简称为基本源耦差分对。 假设匿2 。l l 所示电路满足条件：f 1 ) m o s 晶体管t l 、t 2 的尺寸和特性理想对 称；( 2 ) t l 、t 2 式中工作在饱和区；( 3 ) t l 、t 2 的体效应及沟道长度调制效应可以 忽略。根据饱和区一般近似方程可写出t 1 、t 2 的漏极电流方程为： r 如，= 葺( 。一巧。) 2 l 易：= 鼍( ：一琢：) 2( 2 。2 4 ) 由于k = 毛= o g ，吩，= 2 = 吩，因此( 1 2 4 ) 式可写作： 厂易l = 定( ，一巧) 2 函2 = 趸( ：一啄) 2 ( 2 2 5 ) 将2 。2 5 ) 式开方薏，可得以电流作变量的栅一源电压方程为： f ，k 挣+ 略 耳一 l ：= 等十巧 ( 2 - 2 6 ) 差模输入电压为：= k ，一k ：= ，一：，则可得输出方程式为： = 治一挣 ( 2 2 7 ) 由图2 。ll 所示电路还可得： 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 ，= 三k = 学 ( 2 2 8 ) 式( 2 。2 3 ) 中，。、龟分别为晶体管t 1 、t 2 的输出电阻，1 为晶体管t 1 的跨 导。r 比基本电流镜的输出电阻大约提高了，g 肘。倍，。岛。是t 1 的开路电压增益。 厶= 厶。一易2( 2 2 9 ) 厶l = ，+ 厶 ( 2 3 0 ) 易2 = ，一厶 ( 2 3 1 ) 其中，是t l 和t 2 的静态电流( 偏置电流) ，等于差模信号作用下毛和厶：的平 均值；厶是输出电流，它是厶。与易：之差。由式( 2 2 8 ) ( 2 31 ) 可解得厶、厶： 与分别为： 厶= k 悖w ( 2 3 2 ) 枷争+ 枷每【1 - ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 式( 2 - 3 2 ) 是源耦差分对的输出电沉- 输入电压方程式，即直流传输特性表达式， 它是一个非线性函数，只有在2 2 勺名条件下，厶与才成近似线性关系。 增大k 值或减小k 值，在维持传输特性近似线性条件下，的允许范围可以加 大。式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 4 ) 表示t l 、t 2 单管电流与的关系。可以看出，当= 勺 时，厶，= k ，厶：= o ；同理，当= 一勺砭时，厶，= o ，厶：= k ，这时，t 1 、t 2 处于一管电流最大，另一管截止状态。若再继续增大，电路将失去放大作用。 因此，式( 2 3 2 ) ( 2 3 4 ) 成立的条件是： i 一i ( 2 3 5 ) 由式( 2 3 2 ) 对形。求导，得源耦差分对的小信号跨导为： q = 甍= k 悟i k 在传输特性的原点，即= 0 处，跨导为： ( 2 3 6 ) 硕士学位论文 瓯k 神2 2 风= 2 魁 7 ) 对于单个m o s 晶体管在饱和区的小信号跨导为： 2 2 缘譬样佤 亿3 8 ， 其中k 称作导电因子( 足增警= 争确本征导电因子，心为电子 的沟道迁移率，c & 为栅一氧化层电容密度，矽、五分别为沟道宽度和长度尺寸。 比较式( 2 3 7 ) 和式( 2 3 8 ) 可知，源耦差分对的小信号跨导等于单管小信号跨导， 这和双极型射耦差分对的结论是相同的，所不同的是m o s 管差分对的跨导值决 定于差分晶体管的偏置电流和沟道宽长比的数值f 2 ”。 2 3 本章小结 本章首先介绍了m o s 晶体管工作原理、结构和模型，分析了各种模型的基 本参数、工作原理和适用范围。然后分析了c m o s 模拟集成电路的基本模块，如 m o s 有源电阻、电流镜和基本源耦差分对，它们是现代大规模集成电路的基本组 成模块，对设计高性能的电路具有重要的指导意义。 基于轨对轨输入级运放的高阶可调频率滤波器的设计 第3 章全差分轨对轨输入级运算放大器的设计 过去，无论是考虑到极度复杂的制作工艺，还是加工所需的高昂成本，都使 得采用c m o s 的低功耗电路设计及其应用，只能局限在电子表、袖珍计算器、起 搏器以及些集成传感器这样的对低功耗要求极为苛刻的产品中。然而，时至今 日，低功耗设计已经成为所有高性能电子设备所必须遵循的规范，因为功耗算得 上是影响设计的最为重要的一个因素。随着现代办公环境中计算和遥信设备对电 能的使用程度与日俱增，低功耗设计也与日益提高的全球性环境保护意识直接联 系起来。因此，功耗也就成为集成电路最为重要的设计和性能参数之一。 在过去的这些年里，微处理器功耗几乎随着面积频率( a r e a f f e q u e n c y ) 产 晶一阕呈线形增长。以矜e c 2 1 1 6 4 芯片为例，这种芯片具有3 c 趣2 的死区蘧积和 3 0 0 m h z 的运行时钟频率，其功耗差不多是5 0 w 。假定没有足够的降温措施，将 会导致极高的工作温度，从而加剧多种芯片错误机制的发生概率。因此，如此高 的功耗需要非常昂贵的封装和降温技术。为了保持产品的可靠性，并且尽量避免 采用高昂的封装和降温技术，众多生产厂家如今面临着降低或控制产品功耗的巨 大压力1 2 6 - 2 8 1 。 随着微电子工艺尺寸的不断缩小以及便携式电子产品的广泛应用，低压低功 耗设计已经成为l c 设计的发展趋势。