集成电路原理第六章

1、第六章第六章 mos模拟集成电路模拟集成电路6.1 mos模拟集成电路基础模拟集成电路基础6.1.1 mos模拟模拟ic中的元件中的元件 4、jfet 6.2 mos模拟模拟ic子电路子电路 模拟集成运算放大器电路分层说明模拟集成运算放大器电路分层说明 10bits 105msps 3v adc 原理图原理图无缓冲二级无缓冲二级cmos运放电路运放电路6.2.1 电流源与电流沉（电流源与电流沉（current source and sink） 1、基本的电流源、电流沉、基本的电流源、电流沉（1）电流源）电流源 图图6-1 基本的电流源结构与基本的电流源结构与i-v特性示意特性示意 tgsdsv

2、vv（6-1） tpddggddssoutvvvvvvsstpggoutvvvvtpggssoutvvvvdsdsdssssdddoutoutigivvvivr11)(0（2）电流沉）电流沉 图图6-2 基本的电流沉结构与基本的电流沉结构与v-i特性示意特性示意 tnssggdsvvvv（6-2） dsoutoutrivr0（6-3） 2、改进的电流沉、改进的电流沉/源源 （1）接电阻增加输出电阻的技术）接电阻增加输出电阻的技术 22222sbsssggsvvvvvv0222222020)()()(irvvgvgvvgissmbssmsds图图6-3 接电阻增加输出电阻接电阻增加输出电阻 的结

3、构与等效电路的结构与等效电路 （6-3） msbfbmsbtgsdssbttdssbdsbsdsmbsgvgvvvivvvivivig212)2(2（6-4） 21)2(2sbfbdsmbsvvg rrgrrggrrivrdsmdsmbsmdsout22222200)(（6-5） （2）实际电路）实际电路 图图6-4 共栅共源电流沉结构共栅共源电流沉结构 (对对m1管来看的管来看的) 1222212211212122)1 ()1 (dsdsmdsdsmdsdsdsdsdsmbsdsmdsoutoutoutrrgrrgrrrgrgrgrivr（6-6） 6.2.2 电流镜和电流放大器电流镜和电流

4、放大器(current mirror & current amplifier) 1、基本的电流镜（恒流源）、基本的电流镜（恒流源） )1 ()(2112111111dstgsdsgdsrvvviiii)1 ()(21222220dstgsvvvi图图6-5 基本的电流镜电路基本的电流镜电路 )1 ()()1 ()(12111222220dstgsdstgsrvvvvvvii)1 ()()1 ()(1211111122222222dstgsoxdstgsoxvvvclwvvvclw（6-7） 若若t1、t2的工艺参数相同，且的工艺参数相同，且vds1=vds2，则则 )()(11220lwlwi

5、ir（6-8） riilwlw01122电流镜电流镜 1122lwlw 222201dsdsdsdsrgivr（6-9） 2、威尔逊电流镜、威尔逊电流镜wilson current mirror 图图6-6 威尔逊电流镜威尔逊电流镜 112220dsgsdsgsdsivvvii)(231gsgsdsvvvvgs2)g(1)1 (132m1030131231223311333230mmmmdsdsmmmdsmdsmdsmmdsdsdsgggrrgrrgggrgrgrggrrrr设（6-10） 333tgsdsvvv 322)(tioutvvvvv3tioutvvv（6-11） （6-12） 3、

6、共栅共源电流镜、共栅共源电流镜cascode current mirror （a a）电路图电路图 （b b）等效电路等效电路 图图6-7 共栅共源电流镜共栅共源电流镜 )(,v21342113ds3244dsdsdsgsdsgsdsgsrdsdsdsvvvvvvvviiiv恒定恒定， 0314444200224424240vvggvvvirvgvvgvgimmbsdsdsmbsm（6-13） 4244424420)1 (dsdsmdsdsmdsdsrrgrrgrrr （6-14） 6.2.3 基准源基准源 1、简单的电压分压器、简单的电压分压器 （a）电阻分压器电阻分压器 （b）有源器件分压

7、器有源器件分压器212ddrefrrrvv 1refddddrefddddrefrefvvvvvvvvvvsrefdd2、pn结基准电压源结基准电压源 图图6-9 简单的简单的pn结基准源结基准源 )ln(sebrefiiqtkvv)exp(ktqviiebsrvrvvddebdd（6-15） （6-16） )ln(sddrefirvqktv)ln(1)ln(1ssddvviiirvsrefdd （6-17） （6-18） 1refddvvs0362. 0refddvvsis=10-15a，（但此结构提供的（但此结构提供的vref较低。如较低。如is=10-15a，vdd=5v，则则vref=

8、0.93v。）。）(2) 改进的改进的pn结基准源结基准源 1212121)()(rrrvvrrvvrirvvebebebebbebref （6-19） 图图6-10改进的改进的pn结基准源结基准源 （3）以）以mosfet代替代替bjt的基准源的基准源 21)(22rvvvivvvrefddttgsref)(;)(;)2(21gsddgsddddtvvvvrvv若迭代求出若（6-20） ddtvvvrvsrefdd2)(15 . 0（6-21） )1 (12rrvvgsref（6-22） （4）齐纳）齐纳zenor二极管基准电压源二极管基准电压源 图图6-12 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准

9、源 bvddzzbvddddrefrefddddrefvvvvrrrvvvvvvvvsrefdd（6-23） 假设：假设：vdd=10v，vbv=6.5v，rz=100 ，r=35k ，则此基准电压源的灵敏则此基准电压源的灵敏度为度为0.0044。 3、cmos带隙基准源带隙基准源 图图6-13 cmos带隙基准源带隙基准源 nktvvqiitgsdsds)(exp0qnktvvtt（6-24） （6-25） ttqktnttvttvtvbeogbe0000ln)()1 ()(（6-26） （6-27） 4313442310expexpsbgsrgsgsddddsbigbididivvvvvi

10、iiiktqvktnvqisi2lnidadnnnqktv 41321111lnssssrqktrvirr （6-28） 2512ssiirr又 41322512512lnssssssrqktssiirr （6-29） 41322512lnssssssrqrktvtvberef （6-30） 413225120000lnln1ssssssrrqktttqktnttvttvvbeogref基准电压基准电压vref为为0tvref令令 ttnvvktqssssssrrbeog00041322512ln1ln（6-31） 0000ggttrefvqktnvv （6-32） 凹凸曲线温度补偿技术凹凸曲

11、线温度补偿技术启动电路启动电路低压高阶基准低压高阶基准差分基准正端输出差分基准正端输出差分基准负端输出差分基准负端输出差分输出缓冲器的设计差分输出缓冲器的设计 基准输出缓冲器结构图基准输出缓冲器结构图 12323refrefrrrvvrr323refrefrvvrrmvoutgar16.2.4 mos差分放大器差分放大器 1、nmos差分放大器差分放大器 （1）工作原理与小信号特性）工作原理与小信号特性 212122ddgsgsidiivvv（6-33） 图图6-14 nmos差分放大器差分放大器 21ddssiii（6-34） 21242222124221422422ssidssidssss

12、dssidssidssssdiviviiiiviviii（6-35） 11211221214)(21dsssssiddvvgsgsdmsiiivivvddiggsgs（6-36） （忽略高次项）（忽略高次项）12121212)()(21dsssiddiddidodvvgsgsddmdiivivivivvdiidggsgs（6-37） cdsmiovrrgvva11111 （6-38） cdsmcdsmdvdrrgrrga11 （6-39b） cdsmscdsmioidovsrrgrrgvvvva11111122 （6-39a） （2）差分放大器的输入失调电压）差分放大器的输入失调电压vio 不

13、对称、不对称的、因子不对称的、212121rrvttktttccmteiorrkkgivv2（6-40） 而： iobjtiomosmbjtmmosbetevvggvv（6-41） vcvdaacmrr （6-42） 2、cmos差分放大器差分放大器 （1）nmos输入的输入的cmos差分放大器差分放大器 图图6-15 nmos输入的输入的cmos差分放大器差分放大器 0242143121outdddddddgsgsiiiiiiiivv差分输出242143121ddoutdddddgsgsiiiiiiiivv ssdmiig2222(gm=gm1=gm2) （6-43） )(42dsdsmvd

14、rrga（6-44） （2）pmos输入的输入的cmos差分放大器差分放大器 图图6-16 pmos输入差分放大器输入差分放大器 例如：对于例如：对于n型衬底型衬底p阱工艺，应采用阱工艺，应采用nmos输入还是输入还是pmos输入？输入？ 如果是如果是p型衬底型衬底n阱工艺呢？阱工艺呢？6.2.5 反相放大器反相放大器 1、有源电阻反相放大器、有源电阻反相放大器（1）小信号电压增益及输出电阻）小信号电压增益及输出电阻 图图6-17 有源电阻反相器及其等效电路有源电阻反相器及其等效电路 211221212211lwklwkggggggvvapnmmmdsdsminoutv222111mmdsds

15、outoutoutggggivr（6-45） （6-46） （2）小信号频率响应）小信号频率响应 图图6-18 考虑了寄生电容的反相器结构及其小信号等效模型考虑了寄生电容的反相器结构及其小信号等效模型 11111111)()(srgrcsrgscrgsvsvmmminout（6-47） 212211mmdsdsggggrlgsbdbdgdcccccc2211121221fcicgrcdm（6-48） 2、电流源作负载的反相放大器、电流源作负载的反相放大器（1）小信号电压增益及输出电阻）小信号电压增益及输出电阻 图图6-19 电流源负载反相放大器电路结构与等效电路电流源负载反相放大器电路结构与等

16、效电路 2121d11nds2ds1m1inoutv1ilw2kgggvva)(i1gg1ivr21dds2ds1outoutout（6-49） （6-50） （2）小信号频率响应）小信号频率响应lbdbdgdgddsdscccccggrc21212111 （6-51） （3）电流沉作负载的反相放大器）电流沉作负载的反相放大器 图图6-20 电流沉负载反相放大器电流沉负载反相放大器 3、推挽、推挽cmos反相放大器反相放大器 图图6-21 推挽推挽cmos反相放大器与小信号等效电路反相放大器与小信号等效电路 2121dsdsmminoutvggggvva（6-52）211dsdsoutggrc

17、ggrcdsds21116.2.6 输出级输出级 过热）提供保护对异常状态（如短路、高效率防止信号失真供足够的输出功率以电压或电流的形式提1、甲类电流源、甲类电流源/沉偏置的输出级沉偏置的输出级 2ssddoutvvv峰值（6-53） 2、共漏输出放大器（源极跟随器）、共漏输出放大器（源极跟随器） 图图6-22（a）电路图电路图 图图6-22（b） 小信号等效电路小信号等效电路 小信号电压增益小信号电压增益 11)1 (1211mdsdsminoutvggggvva（6-54） 频率响应频率响应 outmbsmdsdsinmvccsggggvcsg21112111)()()1 ()()(211

18、2111ccsgggcsgsvsvmdsdsminout211211211)1 (ccgccgggpmmdsds（6-55） （6-56） 2111ccgm（6-57） )1 (111211121mdsdsmbsmdsdsoutgggggggr（6-58） 3、互补推挽输出级、互补推挽输出级 （1）简单的）简单的cmos推挽输出推挽输出 2121dsdsmmvgggga 211dsdsoutggr cggdsds211（2）改进型）改进型cmos推挽输出推挽输出 (a)原理图原理图 （b）实用电路实用电路 图图6-23 改进型改进型cmos推挽输出放大器推挽输出放大器 pmosnmos （3）

19、甲乙类）甲乙类/乙类源跟随放大器乙类源跟随放大器 （a）原理图原理图 （b）实用电路实用电路 图图6-24 甲乙类甲乙类/乙类源跟随放大器乙类源跟随放大器 1)(26)(tssmaxoutttddmaxoutvvvvvvv6.3 cmos集成运算放大器集成运算放大器 6.3.1 集成运放设计的边界条件和主要指标集成运放设计的边界条件和主要指标1、c商业级：商业级：0 70 i 工业级：工业级：-20 85 e扩展工业级：扩展工业级：-40 85 a航空级：航空级： -40 85 m军品级：军品级：-55 125 vcvdaa3、运放反馈系统的稳定性及其补偿、运放反馈系统的稳定性及其补偿 （1）

20、反馈系统稳定性要求）反馈系统稳定性要求运放实际应用时，通常是通过运放实际应用时，通常是通过反馈系统构成如图反馈系统构成如图6-25所示的所示的闭环回路工作，其闭环增益：闭环回路工作，其闭环增益： 图图6-25 运放闭环工作回路运放闭环工作回路 )()()(sfsasla(s)运放开环电压增益运放开环电压增益f(s)输出通过反馈回到输入的传输函数（输出通过反馈回到输入的传输函数（transfer function）运放的稳定性判据运放的稳定性判据通过反馈回到输入端的信号应满足一定的幅值和相位条件，通过反馈回到输入端的信号应满足一定的幅值和相位条件，使信号不会在环路内产生再生现象，否则，可能使放大

21、器输出使信号不会在环路内产生再生现象，否则，可能使放大器输出箝位在某一电源电位上（直流再生），或产生振荡（在某一交箝位在某一电源电位上（直流再生），或产生振荡（在某一交流频率下再生）。为保证系统稳定，应有：流频率下再生）。为保证系统稳定，应有： 1)()()(000ooojfjajl（6-59） odbdbdbjfjaargjlarg0)()()(000（6-60） 若满足条件（若满足条件（6-59）或或（6-60）,则该系统被认为是稳定的。则该系统被认为是稳定的。 oojlarg0)(01)(0dbjl而而argl(j 0db)称为称为相位裕度相位裕度，即开环相频特性曲线上与幅频，即开环相频

22、特性曲线上与幅频特性曲线的单位增益带宽频率处对应的相位值，特性曲线的单位增益带宽频率处对应的相位值，一般至少取一般至少取45 ，多数情况取，多数情况取60 。波特图波特图根据系统零点和极点的大小来表示一个复变函数的根据系统零点和极点的大小来表示一个复变函数的幅值和相位的渐近特性。幅值和相位的渐近特性。 作图时应注意如下规则：作图时应注意如下规则：（1）在每个零点频率处，幅频曲线的斜率按）在每个零点频率处，幅频曲线的斜率按+20db /dec 变化；变化；而在极点频率处，其斜率按而在极点频率处，其斜率按-20db/dec变化。变化。（2）对一个）对一个 m的极点（零点）频率，相频曲线约在的极点（

23、零点）频率，相频曲线约在0.1 m的地的地方开始下降（上升），在方开始下降（上升），在 m处经历处经历-45 （ +45 ）的变化，在约）的变化，在约10 m处达到处达到- 90 （+ 90 ）的变化。）的变化。（2）运放的频率补偿）运放的频率补偿 miller电容补偿技术电容补偿技术 图图6-26 两级运放的小信号等效电路两级运放的小信号等效电路 scrsvgsvscrsvgsviiinmiiiiiiimii11)()(11)()(0iicrp11iiiicrp12图图6-28 加加miller电容补偿后的等效电路电容补偿后的等效电路 图图6-29 miller化简法变换图化简法变换图 图图

24、6-30 化简后的等效电路化简后的等效电路 iiiiiiiciiiiimiiinmiiciiiirgrgvvscvscvgvgvgvvscvscvg110)(0)(0000（6-61） )()(11)()(0ciiiiciimiiciiimiimiinccrccrsgscrrggsvsv)(2iiiciiiiiiciiimiicccccrrscrrg（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmiicgz 1iicrp11iiiicrp1210gb，若取相位裕度若取相位裕度为为45 ，则，则p21.22gb；若取相位裕度为若取相位裕度为60 ，则，则p22.2gb，由此可求出

25、应选取的补偿电容由此可求出应选取的补偿电容cc值值。 图图6-31 频率补偿后的极点分裂示意图频率补偿后的极点分裂示意图（3）消除零点的）消除零点的miller补偿技术补偿技术 a. 消除消除cc向前耦合的补偿方案向前耦合的补偿方案 iiiiiiiiiiimiiinmiiciiiirgrgvscvgvgvgvvscvscvg1100)(000iiiiciiiiimiimiincrccrsrrggsvsv)(1)()(0 ciiiiiiciiimiicccrrscrrg2ciiimiicrrgp11ciiicmiiccccgp2（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmii

26、cgz 1b. 消除消除rhp零点的零点的rc补偿技术补偿技术 rziiiiiiizcciiiiimiiinmiizcciiiirgrgvvrscscvscvgvgvgvvrscscvscvg110)(10)(10000ciiimiicrrgp11iimiicgp2izcrp13zmiicrgcz111通过调整通过调整rz可以控制零点位置，一种消除零点的方案，即：可以控制零点位置，一种消除零点的方案，即：miizgr121pz ciicmiizcccgr1block diagram of the 10bit pipeline adca novel switched capacitor samp

27、le/hold structurecffc structureadvantages: speed-up reduce improve three underdamped step-responses for a second order feedback system simulation result of s/h amplifier with cffc 6.4 cmos集成运放电路分析与设计集成运放电路分析与设计6.4.1 二级二级cmos运放电路分析运放电路分析 图图6-33 二级无缓冲二级无缓冲cmos运放电路运放电路 ccisr54221dsdsmvggga7662dsdsmvgggacmcggb2lmcgp62 cmcgz61 (min)(max)1(max)032135ttddinvvivv )(max)(min)512115饱和dstssinvvivv212)(dsdsiv饱和6.4.2 cmos运放设计举例运放设计举例 1、已知：、已知：vtn=1 0.2v vtp=-1 0.2v kn=17 a/v2 kp=8 a/v