CMOS模拟电路基本单元(课件3)

1、1CMOS模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元西安电子科技大学西安电子科技大学朱樟明朱樟明2CMOS模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元一、模拟开关二、有源电阻三、电流源和电流沉四、电流镜五、CMOS基本放大器六、CMOS差分放大器七、CMOS基准源八、CMOS振荡器3一、一、模拟开关模拟开关n模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用 ；n分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关 ；对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求VoutVin，即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。 4NMOS模拟开关非理想模型模拟开关非理想模型VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通

2、且电流为零时，端点表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和和B之间存在的电压。之间存在的电压。IOFF表示开关关断时流过的漏电流。表示开关关断时流过的漏电流。CA、CB、CAB和和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采样保持电路性能有较大的影响。样保持电路性能有较大的影响。 NMOS模拟开关的非理想模型即模拟开关的非理想模型即三端网络，端口三端网络，端口A和和B为开关的输为开关的输入输出端，入输出端，C为电压控制端。为电压控制端。理想情况下，理想情况下，RON为零，而为零，而ROFF为无穷大。为了降低总谐为无穷大。为了降

3、低总谐波失真，波失真，RON与控制电压的关系与控制电压的关系应为线性关系应为线性关系 。5NMOS模拟开关的导通电压模拟开关的导通电压-电流特性电流特性n当当NMOS模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为 0VDSVGS-VT 导通电阻为导通电阻为 DSTGSoxnDDSONVVVWCLiVRn 当当NMOS模拟开关处于关断状态时，即模拟开关处于关断状态时，即VGS0，则，则ROFF1/iDS=1/IOFF。6NMOS模拟开关的导通电压模拟开关的导通电压-电流特性电流特性WL3m VGS一定时，沟道电流随着一定时，沟道电流随着VDS增增加而线性增加；当加而线性

4、增加；当VDS一定时，沟一定时，沟道电流随着道电流随着VGS增加而增加。增加而增加。 多种宽长比多种宽长比NMOS模拟开关导通电模拟开关导通电阻与阻与VGS之间的关系，当之间的关系，当VGS一定一定时，导通电阻随着时，导通电阻随着W/L的增加而减的增加而减小；当小；当W/L一定时，导通电阻随着一定时，导通电阻随着VGS增加而减小。增加而减小。 7NMOS模模拟开关的非理想效应及解决方法拟开关的非理想效应及解决方法n动态范围小和时钟馈通效应动态范围小和时钟馈通效应 ;n时钟馈通效应主要是时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制寄生电容所造成的，当控制信号发生较高频率的变化时，寄生电容信

5、号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和和CGD使使NMOS的栅极分别和源的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调漏极耦合，产生输出失调 ；nCMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动态范围，减小时钟馈通效应态范围，减小时钟馈通效应 ；8二、有源电阻二、有源电阻nCMOS模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩散和多晶（散和多晶（Poly）实现精确的电阻值。）实现精确的电阻值。n在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其值的量级，所以可以采用

6、值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非器件实现电阻，并能保证非常小的版图面积。常小的版图面积。 22TGSoxVVLWCimmbsgsmoutggggr119有源电阻分压电路及并联电阻有源电阻分压电路及并联电阻10三、三、电流源和电流沉电流源和电流沉n电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，和加在和加在MOS两端的电压无关。两端的电压无关。n一般来说，电流沉的负端电压接一般来说，电流沉的负端电压接VSS，而电流源的正端电，而电流源的正端电压接压接Vdd。nMOS工作在饱和区。工作在饱和区。 SSTNgMINVVVVV

7、DDDSoutIIVr1111电流源电流源n电流源的源漏电压应大于电流源的源漏电压应大于VMIN才能正常工作才能正常工作 SSTPgMINVVVVVn需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加稳定；稳定；n需要改进之二：减小需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能的值，使得电流沉或电流源能在较宽的输出电压范围在较宽的输出电压范围V内工作。内工作。n目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用Cascode结结构。构。 12电流源输出电阻提高技术电流源输出电阻提高技术13电流源输出电阻提高技术电流源

8、输出电阻提高技术Cascode14四、电流镜（电流放大器）四、电流镜（电流放大器）n基本原理：如果两个基本原理：如果两个NMOS（PMOS）的栅源电压相同，则沟道电流）的栅源电压相同，则沟道电流也相同。也相同。 15NMOS基本电流镜电路及特性基本电流镜电路及特性（1）输出输入电流比值是）输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完晶体管尺寸的比例关系，完全由集成电路设计人员控制；全由集成电路设计人员控制；（2）当）当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增的增加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流

9、16MOS电流镜的非理想效应电流镜的非理想效应nMOS晶体管几何尺寸不匹配。晶体管几何尺寸不匹配。 集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。 nMOS晶体管阈值电压不匹配。晶体管阈值电压不匹配。 在集成电路工艺中，在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度晶体管的栅氧化层存在线性梯度误差和随机误差，使得相同尺寸的误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存晶体管阈值电压存在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。在不匹配

10、，影响电流镜的比例电流关系。 n沟道长度调制效应。沟道长度调制效应。 特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应 17Wilson电流镜电流镜 n当当NMOSNMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着处于饱和态工作时，输出电流是随着V VDS2DS2的增加而近似线性增加的增加而近似线性增加的，而不完全等于输入电流。解决方法是的，而不完全等于输入电流。解决方法是WilsonWilson或或CascodeCascode电流镜电流镜 ；nWilsonWilson电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻 ；n如果输出电流增加，则通

11、过如果输出电流增加，则通过M2M2的电流也增加，而且由于的电流也增加，而且由于M1M1和和M2M2的镜像的镜像关系使输入电流也增加关系使输入电流也增加 n如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，M3M3的栅电压减小，抑制的栅电压减小，抑制输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性 18Cascode NMOS电流镜电流镜19五、五、CMOSCMOS基本放大器基本放大器n放大器是集成电路的最基本单元电路之一； n用于提高模拟电路的驱动能力，也可以应用于于反馈系统；n基本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏及Casc

12、ade放大器；n掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益及输出电阻简化公式20CMOS共源放大器共源放大器 n共源放大器是将共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号晶体管的栅源电压变化转换成小信号漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。 21CMOS共源放大器共源放大器22CMOS共源放大器共源放大器n由于由于NMOS在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证在线性区的跨导会下降，所以我们必须保证NMOS工作在工作在饱和区饱和区 n增加增加NMOS的的W/L或减小源漏电流或增大或减小源漏电流或增大RD的压降都可以提高

13、共源的压降都可以提高共源放大器的小信号增益；放大器的小信号增益；n常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电常采用有源负载或电流源作为负载，以增加等效电阻值，增加输出电压摆幅压摆幅DmTNinoxnDVRgVVLWCRADoDomVRrRrgA23CMOS共漏放大器共漏放大器n对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻对于共源放大器来说，要获得高电压增益，必须提高负载电阻 ;n如果共源放大器驱动底阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，如果共源放大器驱动底阻抗负载工作时，为了减小信号电平的损失，必须在共源放大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲必须在共源放

14、大器后级引入缓冲器，一般采用共漏放大器作为缓冲器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。器，所以共漏放大器又称为源极跟随器。n共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输共漏放大器利用栅极接收输入信号，利用源极驱动负载，使源极输出电压跟随栅极电压。出电压跟随栅极电压。 M1RSVoutVinVoutVinVTNRSgmVingmbVbsVin+-Vout 24CMOS共漏放大器共漏放大器n当当VinVTN时，时，NMOS M1截止，输出电压截止，输出电压Vout等于零等于零 ;n随着输入电压的增大并超过随着输入电压的增大并超过VTN，M1由导通进入饱和工作状态，由导通进入饱和工作状态，

15、Vout开始随着输入电压的增加而增加开始随着输入电压的增加而增加 ;n进一步增大进一步增大Vin，Vout将跟随将跟随Vin变化，输入和输出电压之间差值为变化，输入和输出电压之间差值为VGS 共漏放大器的输入输出特性可以表示为共漏放大器的输入输出特性可以表示为 outSoutTHinoxnVRVVVLWC221SoutTHinoxnSoutTHinoxninoutRVVVLWCRVVVLWCVV1SmbmSmVRggRgA125CMOS共栅放大器共栅放大器n在共源放大器和共漏放大器电路中，输入信号都是加在MOS晶体管的栅极，根据MOS晶体管的特性，将输入信号加在源极也是可以实现放大功能的，而共

16、栅放大器就是利用这个特性所实现的n当输入电压Vin较大时，即VinVb-VTH时，NMOS晶体管M1处于关断状态，输出电压Vout等于VDD RDVoutVDDVinM1VbVoutVinVb-VTNVddRSgmV1gmbVbsVin+-VoutV1R0RD 26CMOS共栅放大器共栅放大器当当Vin Vb-VTH时，时，M1开始进入饱和工作状态，其源漏电流为开始进入饱和工作状态，其源漏电流为 221TNinboxnDVVVLWCI进一步减小进一步减小Vin，Vout逐渐减小，逐渐减小，M1开始进入线性区，即开始进入线性区，即TNbDTNinboxnDDVVRVVVLWCV221如果如果M1

17、工作在饱和区，则输出电压为工作在饱和区，则输出电压为 DTNinboxnDDoutRVVVLWCVV221DinTNTNinboxninoutVRVVVVVLWCVVA1DmVRgA 27CMOS共源共栅放大器共源共栅放大器n共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流，而共源放大共栅放大器将输入电流信号转换成输出电流，而共源放大器则将输入电流信号转换成输出电压器则将输入电流信号转换成输出电压 n如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放如将共源放大器和共栅放大器级联使用则组成共源共栅放大器，即级大器，即级联三极管（联三极管（CascodeCascode）放大器）放大器nNMOS M1产生与

18、输入电压产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，成正比的小信号漏电流，M2将漏电流转换成输出电压将漏电流转换成输出电压Vout，所以，所以M1为输入器件，为输入器件，M2为为共源共栅器件。共源共栅器件。 VoutVinVbRDM2M1XVoutVinVTN1Vdd gm2V2gmbVbsVin+-VoutV2RDgm1V1+-28CMOS共源共栅放大器共源共栅放大器n为了保证输入器件为了保证输入器件M1工作在饱和区，必须满足工作在饱和区，必须满足VXVinVTH1 n假如假如M1和和M2都处于饱和区，则都处于饱和区，则VX主要由偏置电压主要由偏置电压Vb决定：决定：VXVbVGS2，所以必须

19、保证，所以必须保证VbVGS2VinVTH1，即，即VbVinVTH1VGS2n为了保证共源共栅器件为了保证共源共栅器件M2工作在饱和区，必须满足工作在饱和区，必须满足VoutVbVTH2，为了保证为了保证M1和和M2都处于饱和区，则必须满足都处于饱和区，则必须满足VoutVinVTH1VGS2VTH2，但是，但是M2的增加会使放大器的输出电压摆幅减小的增加会使放大器的输出电压摆幅减小29CMOS共源共栅放大器共源共栅放大器n当当VinVGS2，由于，由于ISSiD1iD2，iD1相对相对iD2要增加，要增加，iD1的增大意味的增大意味着电流着电流iD3和和iD4也增加，根据基尔霍夫电流定律（

20、也增加，根据基尔霍夫电流定律（KCL），），iD2应小于应小于iD4，即输出电流即输出电流iout0；n如果如果VGS1VGS2，同样输出电流，同样输出电流iout0 33CMOSCMOS差分放大器的大信号特性差分放大器的大信号特性2/122/112122DDGSGSIDiiVVV21DDSSiiI2/124221422SSIDSSIDSSSSDIVIVIIi2/124222422SSIDSSIDSSSSDIVIVIIi假设M1和M2工作在饱和态，且M1和M2尺寸完全匹配，则大信号性能的关系式为 可以解出iD1和iD2CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线 34CMOS差分放大器的电压电流转移

21、 以上分析中采用差分输入电压VID来表示iD1和iD2，是电压电流转移函数，但它和电压转移函数一样是很有用处的，所以CMOS差分放大器也是差分跨导放大器（OTA），大信号转移特性曲线的斜率为CMOS差分放大器的跨导。将式iD1对VID取导数，并令VID0，求得CMOS差分放大器的单边差分跨导为2/111/12/10144|LWIKIVigSSSSVIDDmID 当当ISS增加时，差分跨导也增加，即直流参数可以控制小信号特性增加时，差分跨导也增加，即直流参数可以控制小信号特性 对于差分输入、差分输出的双边跨导对于差分输入、差分输出的双边跨导gmd为为2/111/1)0(LWIKVVigSSIDI

22、Doutmd当当ID=ISS/2时，双边跨导等于单边跨导的两倍时，双边跨导等于单边跨导的两倍 LSSIDSSIDSSLDDoutRIVIVIRiiV2/12422214负载电阻为RL 35CMOSCMOS差分放大器差分放大器电压转移特性电压转移特性 n图为图为NMOS输入差分放大器的模拟电压转移特性曲线，其中输入差分放大器的模拟电压转移特性曲线，其中VDD5V，VSS-5V，输入晶体管，输入晶体管M1的栅电压的栅电压V，M2的栅电压的栅电压V分别为分别为-1V、0V和和1Vn当输入器件都处于饱和特性时，曲线为近似线性，此时的当输入器件都处于饱和特性时，曲线为近似线性，此时的VID较小；较小；共

23、模输入电压对转移特性，特别是输出信号摆幅有明显的影响共模输入电压对转移特性，特别是输出信号摆幅有明显的影响 .36CMOSCMOS差分放大器差分放大器输入共模电压特性输入共模电压特性M1或或M2的最小输入电压为的最小输入电压为113min1GSDSGSSSGVVVVV当当M1饱和时，饱和时，VDS1的最小绝对值为的最小绝对值为11min1TGSDSVVV131113min1TGSSSGSTGSGSSSGVVVVVVVVV132/13min1TTSSSSGVVIVVVGS3代入 采用同样的方法分析得到采用同样的方法分析得到M1的最大输入电压的最大输入电压12/11515max1TSSDSDDGS

24、DSDDGVIVVVVVV要获得最大的共模输入电压范围，应尽可能增加要获得最大的共模输入电压范围，应尽可能增加M1和和M3的宽长比，并尽量减小的宽长比，并尽量减小VDS5的绝对值。所以，的绝对值。所以，ISS变得越小，则输入共模电压范围就越大变得越小，则输入共模电压范围就越大 37CMOSCMOS差分放大器的小信号特性差分放大器的小信号特性图为图为NMOS输入输入CMOS差分放大器的小信号等效电路，用于器件完全匹配的差差分放大器的小信号等效电路，用于器件完全匹配的差分放大器分析，其中输入分放大器分析，其中输入NMOS晶体管的晶体管的M1和和M2的源极是交流地电位。的源极是交流地电位。 如果假设

25、差分放大器没有负载，则当输出级和交流地短路时，其差分跨导增益为如果假设差分放大器没有负载，则当输出级和交流地短路时，其差分跨导增益为 221131411GSmGSpmpmmoutVgVrgrggi其中 311/dsdsprrr38CMOSCMOS差分放大器的小信号特性差分放大器的小信号特性无负载差分电压增益可以由差分放大器的小信号输出电阻无负载差分电压增益可以由差分放大器的小信号输出电阻rout决定：决定：421dsdsoutggr42dsdsmdIDoutVgggVVA其中gmd=gm1=gm2 假设（假设（W/L）1,2=10/10um，ISS10uA，则，则NMOS输入差分放大器的小信号

26、电压输入差分放大器的小信号电压增益约为增益约为87，而，而PMOS输入差分放大器的小信号增益为输入差分放大器的小信号增益为60，两者的差别是由电子，两者的差别是由电子和空穴不同迁移率所造成的。和空穴不同迁移率所造成的。 CMOS差分放大器的频率响应主要由电路各节点的寄生电容所决定，图中的虚差分放大器的频率响应主要由电路各节点的寄生电容所决定，图中的虚线电容为等效寄生电容，其中线电容为等效寄生电容，其中C1包括包括Cgd1、Cbd1、Cbd3、Cgs3和和Cgs4，C2包括包括Cbd2、Cbd4、Cgd2和负载电容和负载电容CL，C3只包括只包括Cgd4。为了简化分析，假设为了简化分析，假设C3

27、为零为零。 39CMOSCMOS差分放大器的小信号特性差分放大器的小信号特性电压转移函数为电压转移函数为 222113421)()(1)(ssVsVsCggggsVGSGSmdsdsmout其中 2422Cggdsds 假设 24213CggCgdsdsm频率响应可以简化为频率响应可以简化为 22421)()(sgggsVsVdsdsmIDout频率响应一级分析表明，在输出端有一个由（频率响应一级分析表明，在输出端有一个由（gds2+gds4）/C2决定的单极点。决定的单极点。 CMOS差分放大器的转换速率（差分放大器的转换速率（SR）与）与ISS值和输出端到交流地之间地电容有关值和输出端到交

28、流地之间地电容有关 CISRSS/40七、七、CMOSCMOS基准源基准源n在模在模/数转换器数转换器(ADC)、数、数/模转换器模转换器(DAC)等混合信号集等混合信号集成电路设计中，基准源电路设计是关键子电路之一；成电路设计中，基准源电路设计是关键子电路之一； n带隙基准源是目前应用最广泛、性能最优化的基准源电路，带隙基准源是目前应用最广泛、性能最优化的基准源电路，可以实现高性能的电压基准源、电流基准源及与温度正比可以实现高性能的电压基准源、电流基准源及与温度正比（PTAT）基准源；）基准源；n电源灵敏度电源灵敏度SVDD和温度系数和温度系数TC； DDREFREFDDDDDDREFREF

29、VDDVVVVVVVVS/TVTCREF41简单基准源简单基准源 不同电位的分压电路可以实现简单的基准电压源，其中无源器件和不同电位的分压电路可以实现简单的基准电压源，其中无源器件和有源器件都可构成分压电路有源器件都可构成分压电路 （a a）有源基准源）有源基准源 （b b）PNPN结基准源结基准源 （c c）改进的）改进的PNPN结基准源结基准源 SEBREFIIqkTVVln121RRRVVEBREF42V VT T CMOSCMOS基准源基准源n由于有源器件两端的电压灵敏度小于由于有源器件两端的电压灵敏度小于1，所以如果有源器件上的电压用，所以如果有源器件上的电压用于产生基本电流，则可以

30、得到一个与电源电压于产生基本电流，则可以得到一个与电源电压VDD无关的电流和电压。无关的电流和电压。n基于这种技术所实现的基准源为基于这种技术所实现的基准源为VT基准源，又称为自举基准源基准源，又称为自举基准源图是基于图是基于CMOS工艺所实现的工艺所实现的VT基准源基准源电路，其中电流镜电路，其中电流镜M3和和M4使电流使电流I1和和I2相相等，等，I1流过流过M1产生电压产生电压VGS1，I2流过电阻流过电阻R产生压降产生压降I2R，由于，由于VGS1I2R，所以形，所以形成平衡点。成平衡点。43V VT T CMOSCMOS基准源基准源VT基准源的平衡点方程为基准源的平衡点方程为 2/1

31、1111122WCLIVVRIoxnTGS迭代求出RVIITQ12基本电流基本电流I1和和I2不随不随VDD的变化而变化，所以基本电流对的变化而变化，所以基本电流对VDD的灵敏度基本为零。的灵敏度基本为零。所以要获得基准电压或基准电流，则只要通过所以要获得基准电压或基准电流，则只要通过M5取镜像电流，串联电阻即可获取镜像电流，串联电阻即可获得基准电压。得基准电压。 在实际集成电路设计中，在实际集成电路设计中，VT基准源存在两个平衡点，即零点和平衡点基准源存在两个平衡点，即零点和平衡点Q。为了。为了防止电路工作在不恰当的平衡点，需要额外增加启动电路。防止电路工作在不恰当的平衡点，需要额外增加启动

32、电路。如果电路工作在零点，则如果电路工作在零点，则I1和和I2均为零，但是均为零，但是M7可以向可以向M1提供一个电流使电路提供一个电流使电路移到平衡点移到平衡点Q工作。当电路接近工作。当电路接近Q点时，点时，M7的源电压增加使得通过的源电压增加使得通过M7的电流的电流减小。工作在减小。工作在Q点时，通过点时，通过M1的电流基本上等于的电流基本上等于M3的电流。的电流。 44CMOS BandgapCMOS Bandgap基准源基准源图给出了带隙电压基准源的原理示意图。结压降图给出了带隙电压基准源的原理示意图。结压降VEB在室温下的温度系数在室温下的温度系数约为约为-2.0mV/K，而热电压，而热电压VT(VT=k0T/q)在室温下的温度系数为在室温下的温度系数为0.085mV/K，将，将VT乘以常数乘以常数K并和并和VEB相加可得到输出电压相加可得到输出电压VREFTEBREFKVVV将式对温度将式对温度T微