电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章考研专业课科目

1、集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分1王向展第六章第六章 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模拟集成电路中的元件模拟集成电路中的元件 6.2 mos模拟模拟ic子电路子电路 6.2.1 电流源与电流沉电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源基准源 6.2.4 mos差分放大器差分放大器 6.2.5 反相放大器反相放大器 6.2.6 输出级输出级 6.3 mos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

2、主要指标集成运放设计的边界条件和主要指标集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分2王向展noiselinearitypower dissipationgaininput/output impedancesupply voltagespeedvoltage swingsanalog design octagon集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分3王向展 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1、mos电容电容 （p60

3、） 铝铝 薄氧化层薄氧化层 n+扩散区电容扩散区电容 多晶硅多晶硅 氧化层氧化层 重掺杂衬底间的电容重掺杂衬底间的电容 铝铝 氧化层氧化层 多晶硅电容（寄生电容小）多晶硅电容（寄生电容小） 双层多晶硅电容（寄生电容小）双层多晶硅电容（寄生电容小） 2、集成电阻器（、集成电阻器（p50） 硼扩电阻硼扩电阻 高阻高阻 (r =100 200 / 可作可作50 50k 。) 磷扩电阻磷扩电阻 低阻低阻 (r =2 5 / 几十几十 。) 埋层电阻埋层电阻 低值电阻低值电阻 (r 20 / 几十几十 几百几百 。） 基区沟道电阻基区沟道电阻 (r =5 10k /，几十，几十k m 大电阻，精度大电阻

4、，精度较差。较差。)集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分4王向展 外延层体电阻外延层体电阻 (r = 2k /，几十，几十k ，可承受高工作电，可承受高工作电压，温度系数大。压，温度系数大。) 离子注入电阻离子注入电阻 (r = 500200k / 几十几十k 高精度。高精度。) 多晶硅电阻多晶硅电阻 (r =十几十几 100 /。) 薄膜电阻薄膜电阻 (ni-cr、 cr-si r =几百几百 几几k / 高精度、可高精度、可激光修调。激光修调。)3、mosfet 与与bjt相比，相比，mos器件主要的缺点在于：器件主要的缺点在

5、于： 参数离散性大，跨导低，失调电压较大。参数离散性大，跨导低，失调电压较大。 噪声大（热噪声噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为闪烁噪声或称为1/f噪声）噪声） gm ，ron 热噪声热噪声 。（。（4ktr） si-sio2界面态影响界面态影响闪烁噪声，在低频时，闪烁噪声，在低频时，1/f噪声显噪声显 著。如将沟道面积著。如将沟道面积 ，受界面态影响，受界面态影响 ，闪烁噪声，闪烁噪声 。集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分5王向展4、jfet 参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确

6、定难以控制。制。 沟道形成于体内，不受表界面效应影响（低噪声），速沟道形成于体内，不受表界面效应影响（低噪声），速度较快，抗干扰能力强，常用于微小电量取样电路。度较快，抗干扰能力强，常用于微小电量取样电路。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分6王向展 6.2 mos模拟模拟ic单元电路单元电路 复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构造而成。本章主要从模拟构造而成。本章主要从模拟ic基本单元分析入手，说明如何基本单元分析入手，说明如何根据电路设计要求，选取适当搭配方案，最

7、终实现设计目的。根据电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的。具体内容：具体内容： 通过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电通过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放路单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。大器设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分7王向展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 图图6.1 模拟集成运放系统框架图模拟

8、集成运放系统框架图 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分8王向展functional block diagram集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分9王向展无缓冲二级无缓冲二级cmos运放电路运放电路多路电流放大器多路电流放大器偏置电路偏置电路源耦合对源耦合对电流镜电流镜共源放大器共源放大器图图6.2 两级共源两级共源cmos运放电路原理图运放电路原理图集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分10王向展6.2

9、.1 电流源与电流沉电流源与电流沉(current source and sink) 所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值和加在两端的电压无关的两端元件和加在两端的电压无关的两端元件(恒流特性恒流特性)。通常负端接。通常负端接vss的称为电流沉的称为电流沉(sink)，正端接，正端接vdd的则称为电流源的则称为电流源(source)。一。一般般mos器件做电流源器件做电流源/沉时，工作在饱和区。沉时，工作在饱和区。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6.3 基本的电流源结构与基本的电流源结构与

10、i-v特性示意特性示意 显然，要使电流源正常显然，要使电流源正常工作，应使工作，应使t管工作在饱和管工作在饱和区，即：区，即：集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分11王向展dsgstvvvoutssddggddthpvvvvvvoutssggthpvvvvoutggthpssvvvv其输出电阻：其输出电阻：(6.1) (6.2) 11()outdddsoutoutdsdsdsvvvriigi(6.3) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分12王向展 （2）电流沉）电流

11、沉图图6.3 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 同理，电流沉同理，电流沉正常工作，正常工作，t管管应满足：应满足：dsggssthnvvvv(6.4) 输出电阻：输出电阻： outoutdsooutvrrri(6.5) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分13王向展基本的电流沉基本的电流沉/源的优点是结构简单，但性能需加以改善：源的优点是结构简单，但性能需加以改善： 增加小信号输出电阻增加小信号输出电阻确保整个确保整个vout范围内电流稳定。范围内电流稳定。 减小减小vmin值，使其在较宽的值，使其在较宽

12、的vout范围内都能很好工作。范围内都能很好工作。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 22222gsgssbssvvvvvv 图图6.4 接电阻增加输出电阻的结构与等效接电阻增加输出电阻的结构与等效电路电路 2222222()() ()outdsoutsmsmbssoutigvvgvgvvr i (6.6) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分14王向展而饱和区衬底跨导：而饱和区衬底跨导： 222 dsdsdsthmbbssbthsbdsthmmgssbfbsbiiivg

13、vvvvivggvvv (6.7) 22dsmbfbsbvgv 线性区：线性区： 分析小信号模型等效电路，由分析小信号模型等效电路，由(6.6)、(6.7)得：得： 222222()outoutommbomooutvrrrggrrgrri(6.8) 可见，最终可见，最终输出电阻增大为输出电阻增大为r的的gm2ro2倍倍。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分15王向展（2）实际电路）实际电路 在实际的集成电路设计中，电阻在实际的集成电路设计中，电阻r是由有源电阻实现的，如是由有源电阻实现的，如图图6.5所示。所示。 （a）电路图）

14、电路图 （b）等效电路）等效电路 图图6.5 共栅共源电流沉结构共栅共源电流沉结构集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分16王向展6.2.2 电流镜和电流放大器电流镜和电流放大器(current mirror & current amplifier)221212112212222111() ()outoutomombodsooutoomoomoovrrgrgrgrirrgrrgrr(6.9) 1、基本的电流镜（恒流源）、基本的电流镜（恒流源） 1rgsirvv21111111112()()rdsgdsgsthdsiiiivv

15、v22222112()()outgsthdsivvv图图6.6 基本的电流镜电路基本的电流镜电路 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分17王向展222222111122222222211111111111()()()()()() ()()outgsthdsrgsthdsoxgsthdsoxgsthdsivvvivvvwcvvvlwcvvvl(6.10) 若若t1、t2的工艺参数相同，且的工艺参数相同，且vds1=vds2，则，则 2121()()outriwwlli(6.11) 其输出电阻：其输出电阻： 22221dsoutods

16、dsvrrig(6.12) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分18王向展由式由式(6.11)可见：可见： 21021rwwiill电流镜。电流镜。 2121wwll可根据需要，对可根据需要，对ir放大，实现电流放大。放大，实现电流放大。 且由于正常工作时，且由于正常工作时，t1、t2均处于饱和区均处于饱和区恒流。恒流。但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况：但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况： 沟道长度调制效应较显著时，沟道长度调制效应较显著时， 不能忽略（不能忽略（vds1 vds2） 由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的

17、不平整性等引起的由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的 两管之间两管之间vth 偏差。偏差。 由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分19王向展2、威尔逊电流镜、威尔逊电流镜 wilson current mirror 通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。图图6.7威尔逊电流镜威尔逊电流镜vgs3iout 并趋于原稳定值，即并趋于原稳定值，即iout受受vout影响减弱，输出

18、电阻提高。影响减弱，输出电阻提高。132()dsgsgsvvv2211outdsgsgsdsiivvi参考电流参考电流ir恒定恒定集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分20王向展333113332221313213123111() ( )ommdsmooutoomommoommoommmmrggrgrrrrgrggrrggrrgggg设设(6.13) 在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和区，饱和区，gds远小于远小于gm，gmro 1。 电路实际工作时，要在输入端、

19、输出端加一定电压才能工电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作。在作。在t3饱和的前提下，为使饱和的前提下，为使vi 时时ir一定，只有相应地使一定，只有相应地使w3/l3、w2/l2增大。一般增大。一般v(min)2vth。另一方面，要保证。另一方面，要保证t3饱和，对输出饱和，对输出端电压也有要求：端电压也有要求： 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分21王向展333dsgsthvvv由由 ，得，得 223()outithvvvvv3outithvvv(6.14) (6.15) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计

20、20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分22王向展3、共栅共源电流镜、共栅共源电流镜 cascode current mirror （a）电路图）电路图 （b）等效电路）等效电路 图图6.8 共栅共源电流镜共栅共源电流镜集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分23王向展42243123311(),outdsdsdsgsdsdsdsrdsgsdsgsiiivvvvvivvvv恒恒定定，恒恒定定ids4iout回复原值，回复原值，rout提高。提高。 由交流小信号等效电路并结合由交流小信号等效电路并结合kirchh

21、off定律，得如下方程组：定律，得如下方程组：4242442224444130outmmbdsdsoutoutmbmigvgvvgvrivvvggvv(6.16) 2442444241 ()outoomoomoorrrgrrgrr求解方程组可得：求解方程组可得： (6.17) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分24王向展6.2.3 基准源（教材基准源（教材12.3） 理想得基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。理想得基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。“基准基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高即

22、是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放可用缓冲放大器使其和负载隔开大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。，同时保持良好的性能。（a）电阻分压器）电阻分压器 （b）有源器件分压器）有源器件分压器图图6.9 简单分压器简单分压器1、简单的电压分压器、简单的电压分压器 212ddrefrrrvvvref对对vdd的灵敏度：的灵敏度： 1refddvrefrefrefddvddddddrefvvvvsvvvv集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0

23、202分分25王向展2、pn结基准电压源结基准电压源 （1）简单的）简单的pn结基准源结基准源 图图6.10 简单的简单的pn结基准源结基准源 ln()refebsk tivvqiexp()ebsvqiiktddebddvvvirr(6.20) 其中：其中： 而：而： (6.21) ln()ddrefsvktvqr i11ln()ln()refddvvddsssviir i则：则：(6.22) (6.23) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分26王向展一般一般iis，1refddvvs0 0362 .refddvvs，vref受

24、受vdd的影响很小。若的影响很小。若i=1ma，is=10-15a，即当即当vdd变化变化10%，vref只变化只变化0.362%。(2) 改进的改进的pn结基准源结基准源 2121121()()ebrefbebebebebvvirvrvrvrvrrr 注意，上式成立的条件为：注意，上式成立的条件为：ib很小（即很小（即 很大）；很大）；(r1+r2)阻值要大。阻值要大。 (6.24) 图图6.11改进的改进的pn结基准源结基准源 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分27王向展（3）以）以mosfet代替代替bjt的基准源的基准源

25、 （a）基本结构）基本结构 （b）改进结构）改进结构图图6.12 以以mosfet代替代替bjt的基准源的基准源 对于图对于图6.12(a)所示结构：所示结构： 1222() refgstddreftivvvvvvr122();();()ddtddgsddgsvvvvrvv若若解解方方程程 若若(6.25) 其灵敏度为其灵敏度为 0 512.()refddvvtddsvrv(6.26) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分28王向展图图6.12(b)所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与(a)结构

26、相结构相似。似。 211 ()refgsrvvr(6.27) （4）齐纳）齐纳zenor二极管基准电压源二极管基准电压源 图图6.13 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 如图如图6.13所示，其中的二所示，其中的二极管为重掺杂极管为重掺杂p+n+结，工作于结，工作于反向击穿状态，其电源电压灵反向击穿状态，其电源电压灵敏度：敏度： refddvrefddvddrefrefddzddddbvzbvvvsvvvvrvvvrr v(6.28) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分29王向展3、cmos带隙基准源带隙基准源图图6.14 cm

27、os带隙基准源带隙基准源 此结构实现了一种较为精确的基此结构实现了一种较为精确的基准电压源。主要利用了准电压源。主要利用了mosfet的亚的亚阈区工作时阈区工作时电流的正温度系数电流的正温度系数特性与特性与bjt的的be结导通电压结导通电压vbe的负温度特的负温度特性性相互补偿，达到恒定的基准电压输相互补偿，达到恒定的基准电压输出。出。 mosfet亚阈区电流：亚阈区电流： 0()expgstdsdsq vviinktttnktvvq(6.29) (6.30) 自偏置自偏置又称又称ptat源源集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分3

28、0王向展 和工作在强反型时一样，和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压亚阈区阈值电压vt的温度系数也的温度系数也为负的为负的，其亚阈区电流主要受，其亚阈区电流主要受vt的影响，随温度的增加而增加，的影响，随温度的增加而增加，即即温度系数为正温度系数为正。 be结导通电压结导通电压vbe与温度的关系：与温度的关系： 00001()()()lnbegbeotttktvtvvnttqt(6.32) 根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度ni增大，增大，pn结接触结接

29、触电势差电势差 ，随之降低，即，随之降低，即be结导通电压随温度升结导通电压随温度升高而降低，因此，高而降低，因此，vbe是负温度系数。由图是负温度系数。由图6.14可得：可得：2lnaddinnktvqn01324431expexp, , gbisbidiidddddgsgsrq vqvisin ktktiiiivvv(6.33) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分31王向展 以上式中：以上式中： s mos管的宽长比管的宽长比w/l。vg0 si禁带宽度电压。禁带宽度电压。vbeo t=t0时，接成二极管形式的时，接成二极管

30、形式的vbe值。值。n 亚阈值倾斜因子，由亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。实验数据提取获得。n 与双极晶体管工艺有关，一般为与双极晶体管工艺有关，一般为1.5 2.2。id0 与工艺有关的参量，受与工艺有关的参量，受vsb、vt的影响。的影响。11411123lnrrvssktirq rss(6.34) 5212rrsiis又又 55142121223lndrssssktiisq rsss (6.35) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分32王向展0521400012231lnlnrefgbeotsrssttktktvvvn

31、ttqtqr sss得，基准电压为得，基准电压为vref的温度系数：的温度系数： 52141223lnrefbesvvk rssttq rsss(6.36)0refvt令令 ，则，则 502140122301lnlngbeostrssqvvnrsssktt(6.37) 0000reft tggktvvnvq(6.38) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分33王向展图图6.15 nmos差分放大器差分放大器 6.2.4 mos差分放大器（教材差分放大器（教材13.1.2）差分结构的优点：差分结构的优点： 对对“环境环境”噪声具有很

32、强的抑制作用。噪声具有很强的抑制作用。 提高了电压摆幅（约一倍）。提高了电压摆幅（约一倍）。 偏置简单，线性度高。偏置简单，线性度高。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 对于差分对结构，对于差分对结构，t1、t2应是对称的，应是对称的，即：即： 1= 2，vt1=vt2。其差分输入信号：。其差分输入信号： 12121222ddidininingsgsiivvvvvv (6.39)偏置电流：偏置电流： 12ssddiii(6.40) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分34王向展1224

33、2121224222224224ssssididdssssssssididdssssiivviiiiivviii(6.41) 如采用单端输出，此放大器跨导为：如采用单端输出，此放大器跨导为： （忽略高次项）（忽略高次项）1211112112422()gsgsssddmsssdsininidvvidiigiid vvv(6.42) 联立联立(6.39)、(6.40)，可得，可得可见，可见，单端输出时，放大器跨导只有单管单端输出时，放大器跨导只有单管gm的一半的一半。集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分35王向展如采用差分双端输出，其

34、跨导为：如采用差分双端输出，其跨导为： 1212121122()()gsgsodddddmdssdsgsgsidididvvid iiiigiid vvvvv(6.43) 可见，可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管gm。由由t1一侧支路的等效电路，可得：一侧支路的等效电路，可得： 11111ovmocinvagrrv (6.44) 11vdmdocmocagr rgrr 双端输出双端输出 (6.45b)11111122oomvsocmsocidinvvgarrgrrvv 单端输出单端输出 (6.45a) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计2021

35、2021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分36王向展（2）差分放大器的输入）差分放大器的输入失调电压失调电压vosvos包括三个因素包括三个因素 t1 、t2的的k因子不对称因子不对称 t1 、t2的的vt不对称不对称r1 、r2不对称不对称2costemcrikvvgkr (6.46) 其中：其中： tebeosmososbjtmmosmbjtvvvvgg (6.47) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分37王向展（3）共模抑制比）共模抑制比cmrr vdvcacmrra(6.48) 与与bjt相比，相比，mos

36、fet的的gm较小，较小，ro较小，所以较小，所以avd较小，较小，mos差分放大器的差分放大器的cmrr bjt差分放大器的差分放大器的cmrr。但。但mos差分放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，差分放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于优于bjt电路。电路。 由双极晶体管跨导：由双极晶体管跨导：gm=ic/vt 可得：室温下，可得：室温下，ic=1ma时时gm=38.5ms，而对于，而对于mos器件，如器件，如cox=3.45 10-8f/cm2， n=580cm2/vs，相同偏置电流下要得到此大小的跨导，需要的，相同偏置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：

37、宽长比：w/l=gm2/(2 ncoxids) 3.7 104集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分38王向展差分放大器的特点：差分放大器的特点：f 放大差模信号、抑制共模信号放大差模信号、抑制共模信号。理想差分放大器的共模输。理想差分放大器的共模输 入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号，入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号， 如偶次谐波。如偶次谐波。f 应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低；应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低； 如后级电路为单端输入，须加如后级电路为单端输入

38、，须加双双-单转换电路单转换电路，确保较高的，确保较高的 增益。增益。集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分39王向展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6.16 nmos输入的输入的cmos差分放大器差分放大器 m1、m2构成源耦合对，做构成源耦合对，做差分输入；差分输入；m3、m4构成电流镜构成电流镜作作m1、m2的有源负载；的有源负载；m5、m6构成电流镜提供恒流源；构成电流镜提供恒流源；m6、m7为偏置电路提供偏置。另外，为偏置电路提供偏置。另外，此电路还实现了差分输出

39、信号的此电路还实现了差分输出信号的单端转换。单端转换。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分40王向展1341242120dddgsgsddoutddiiivviiiii134124212dddgsgsoutddddiiivviiiii差差分分输输出出由以上分析可以看出，单端信号输出时，由以上分析可以看出，单端信号输出时，vout是以交流地为参是以交流地为参考的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别考的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别为：为： 2222mdssgii(6.49) 24()vdmooag

40、rr (6.50) (gm=gm1=gm2)集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分41王向展（2）pmos输入的输入的cmos差分放大器差分放大器 pmos输入的差分放大器工输入的差分放大器工作原理与作原理与nmos输入的相似，但输入的相似，但应注意的是两种电路形式的性能应注意的是两种电路形式的性能与工艺选择有很大的关系。与工艺选择有很大的关系。图图6.17 pmos输入差分放大器输入差分放大器 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分42王向展图图6.18有源电阻反相器及

41、其等效电路有源电阻反相器及其等效电路 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121112122221outmmnvindsdsmmpvggk w lavggggk w l 122211outoutoutdsdsmmvrigggg(6.51) (6.52) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分43王向展（2）小信号频率响应）小信号频率响应(6.53) 图图6.19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

42、等效模型 根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数传输函数： 111111 ( )( )outmmminvsggrgrsvss rcscr集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分44王向展其中：其中： 112221dsdsmmrgggg1122gdbdbdgslccccccs为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率： 211212dmgcifrcc(6.54) 比较比较(6.51)、(6.54)可得：可得： 欲使欲使av ，应

43、有，应有gm2 1 ，放大器带宽变窄，可见，其增益，放大器带宽变窄，可见，其增益与带宽相互制约，此结构多用于要求与带宽相互制约，此结构多用于要求带宽较宽，增益不高带宽较宽，增益不高的场的场合。合。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分45王向展2、电流源负载反相放大器、电流源负载反相放大器由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，增益较低，采用由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，增益较低，采用电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。（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(6.

44、55) 图图6.20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效电路 12outm1n1vinds1ds21d12vg2k w1avggli 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分46王向展(6.56) outoutoutds1ds2d12v11riggi ( )由此可得：由此可得： id ，av ，即控制直流偏置电流可调节小信号增益。，即控制直流偏置电流可调节小信号增益。 此结构输出电阻此结构输出电阻rout比有源电阻反相放大器的大（可知其带宽比有源电阻反相放大器的大（可知其带宽较窄）。较窄）。（2）小

45、信号频率响应）小信号频率响应类似于有源电阻反相器情况：类似于有源电阻反相器情况： 12112121dsdsgdgdbdbdlggrcccccc由于一般由于一般gdsgm，所以，所以其带宽比有源电阻作负载的窄其带宽比有源电阻作负载的窄。 (6.57) 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分47王向展（3）电流沉负载反相放大器）电流沉负载反相放大器 电流沉负载反相放大器工作原理电流沉负载反相放大器工作原理及特性与电流源作负载的情况相似。及特性与电流源作负载的情况相似。电流源电流源/沉作负载的反相放大器缺点是沉作负载的反相放大器缺点是需加

46、一个直流偏置需加一个直流偏置vgg。图图6.21 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6.22 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 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分48王向展根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数 1212outmmvindsdsvggavgg (6.58)121outdsdsrgg1211dsdsggrcc采用同样尺寸的晶体管，推挽反相放大器增益较高，因为两个采用同样尺寸的晶体

47、管，推挽反相放大器增益较高，因为两个管子都为管子都为vin所驱动，且随所驱动，且随id ，增益，增益 ，其输出摆幅：，其输出摆幅：vdd vss。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分49王向展6.2.6 输出级（输出级（13.2.2） 放大器输出级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具放大器输出级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为小电阻或大电容，需要较大的输出电流，应使输出级小电阻或大电容，需要较大的输出电流，应使输出

48、级rout小一些。小一些。对输出级总的要求：对输出级总的要求： 以以电电压压或或电电流流的的形形式式提提供供足足够够的的输输出出功功率率防防止止信信号号失失真真高高效效率率对对异异常常状状态态（如如短短路路、过过热热）提提供供保保护护集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分50王向展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 其电路结构与工作原理与前面所述的电流源其电路结构与工作原理与前面所述的电流源/沉负载反相放沉负载反相放大器相同，此类结构的效率：大器相同，此类结构的效率： 2outddssvvv峰峰 值值如如vdd

49、=-vss，则甲类放大器的效率最大为，则甲类放大器的效率最大为25%。 (6.61) 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6.23 电路图电路图 电流增益大，电压增益电流增益大，电压增益1，输出阻抗低，输出阻抗低，带宽较宽；但带宽较宽；但m1的源为输出节点，有体效的源为输出节点，有体效应应vt ，最大输出电压，最大输出电压vdd。 效率与甲类放大器一样。效率与甲类放大器一样。 由于其固有的负反馈特性，失真比甲类放由于其固有的负反馈特性，失真比甲类放大器小。大器小。 集成电路原理与设计集成电路原理与设计20212021年年1111月月2 2日日6 6时时0202分分51王向展图图6.24 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：1121111()outmvindsdsmvgavggg其中，其中， 体跨导因子（体跨导因子（0 ci，ccci，经化简处理得：，经化简处理得： 11miiiiicpgr r c