第12章模拟集成电路中的基本单元电路

1、第第12 12章章 模拟集成电路中的基本单元电路模拟集成电路中的基本单元电路12.2 12.2 恒流源电路恒流源电路12.1 12.1 单管、复合器件及双管放大级单管、复合器件及双管放大级作业作业12.3 12.3 偏置电压源和基准电压源电路偏置电压源和基准电压源电路12.1 12.1 单管、复合器件及双管放大级单管、复合器件及双管放大级一、双极晶体管复合器件及双管放大级一、双极晶体管复合器件及双管放大级 在双极模拟集成电路中，经常把两个或两个以上的有在双极模拟集成电路中，经常把两个或两个以上的有源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合三

2、端器件和单元电路，如达林顿管、复合三端器件和单元电路，如达林顿管、复合PNPPNP管、射耦管、射耦对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。1 1、达、达林顿管林顿管 Q1 Q1、Q2Q2管的集电极短接在一起，管的集电极短接在一起，Q1Q1的发射极与的发射极与Q2Q2的的基极连接在一起，用恒流源基极连接在一起，用恒流源I I0 0( (或用偏置电阻或用偏置电阻) )来设定来设定管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的集电极是短接的，所以可以共用一个隔离岛。集电极是短接的，所以可以共用一个隔

3、离岛。 上标上标C C代表复代表复合管。合管。复合管的输入电阻复合管的输入电阻复合管的等效直流电流增益复合管的等效直流电流增益复合管的低频小信号电流复合管的低频小信号电流增益增益复合管的等效跨导复合管的等效跨导复合管的等效输出电阻复合管的等效输出电阻 达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大，达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大，所以在集成电路中得到广泛的应用，但它的跨导和输所以在集成电路中得到广泛的应用，但它的跨导和输出电阻比单管小，且芯片面积增大。出电阻比单管小，且芯片面积增大。2 2、共、共集、共集、共射单元射单元3 3、复合、复合PNPPNP管管 在双极模拟集成电路中有时要用到

4、在双极模拟集成电路中有时要用到PNPPNP管，但一般横管，但一般横向向PNPPNP管的电流增益较小，在需要较大电流增益的管的电流增益较小，在需要较大电流增益的PNPPNP管时，可用复合管时，可用复合PNPPNP管。它是由一个横向管。它是由一个横向PNPPNP管和管和NPNNPN管管组合而成，组合而成，I I0 0为偏置恒流源。为偏置恒流源。 在电路版图中，在电路版图中，它需要两个独立它需要两个独立的隔离区。的隔离区。二、二、MOSMOS管放大级管放大级1 1MOSMOS源跟随器源跟随器 MOS MOS管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器类似，具有

5、输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于类似，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于( (近于近于1)1)的特点，它在的特点，它在MOSMOS集成运放中得到广泛应用。集成运放中得到广泛应用。其源漏电阻其源漏电阻r rds2ds2变化很小，基本变化很小，基本上可以看作常数上可以看作常数其源漏电阻其源漏电阻r rds2ds2是一个变化的是一个变化的非线性电阻非线性电阻2 2MOSMOS共栅放大器共栅放大器3 3共源共栅放大器共源共栅放大器4 4CMOSCMOS放大器放大器 以上介绍的以上介绍的MOSMOS放大器均为单沟道放大器均为单沟道MOSMOS放大器，它们放大器，它们的缺点是都存在衬偏调制效应，

6、影响了放大倍数的提的缺点是都存在衬偏调制效应，影响了放大倍数的提高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用CMOSCMOS放放大器可以克服这种效应。大器可以克服这种效应。(1)(1)固定栅式固定栅式CMOSCMOS放大器放大器 由于阱的隔离作用，由于阱的隔离作用，两个两个MOSMOS管的衬底可以分管的衬底可以分别接到各自的源上，因别接到各自的源上，因而基本上消除了因衬底而基本上消除了因衬底偏置效应而导致的性能偏置效应而导致的性能的退化。的退化。 M1 M1为为NMOSNMOS管，管，M2M2为为PMOSPMOS管，两管的衬底与它本身的管，两管的衬底与它本身

7、的源短接，源短接，V VBSBS0 0；另外，两管的栅短接，输入信号；另外，两管的栅短接，输入信号ViVi同同时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。(2)CMOS(2)CMOS互补放大器互补放大器 在电路参数相同时，在电路参数相同时，CMOSCMOS互补放大器的电压增益是互补放大器的电压增益是固定栅式固定栅式CMOSCMOS放大器电压增益的两倍，而两者的输出放大器电压增益的两倍，而两者的输出电阻相同；但固定栅式电阻相同；但固定栅式CMOSCM

8、OS放大器的偏置要求比较简放大器的偏置要求比较简单。单。 若将若将CMOSCMOS放大器的电压增益和输出电阻与放大器的电压增益和输出电阻与E/E E/E MOSMOS放大器、放大器、E/D MOSE/D MOS放大器的电压增益和输出放大器的电压增益和输出电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下，电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下，g gdsds比比g gm m和和g gmbmb小一两个数量级，因而在相同的工小一两个数量级，因而在相同的工作电流条件下，作电流条件下，CMOSCMOS放大器的电压增益远高于放大器的电压增益远高于E/EE/E，E/DE/D放大器，通常可达放大器，通常可达505060

9、dB60dB，其输出，其输出电阻也比电阻也比E/EE/E、E/DE/D放大器的输出电阻高；而且放大器的输出电阻高；而且CMOSCMOS放大器有两种性能接近的互补管子，所以放大器有两种性能接近的互补管子，所以可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点，可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点，因此因此CMOSCMOS放大器被广泛地应用于放大器被广泛地应用于MOSMOS模拟大规模模拟大规模集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面积较大。积较大。12.2 12.2 恒流源电路恒流源电路 恒流源电路被广泛用于作偏置电路和有源负载，其基恒流源电路被广泛用于作偏置电路

10、和有源负载，其基本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。一、精密匹配电流镜一、精密匹配电流镜 它能达到精密匹配，是由于它能达到精密匹配，是由于采用了以下几个措施采用了以下几个措施： (1) (1)增加了增加了Q3Q3射随器缓冲，改射随器缓冲，改善了善了I IB B引入的电流传输差；引入的电流传输差； (2) (2)利用利用R1=R2R1=R2的负反馈，减小的负反馈，减小V VBEBE(V(VBE1BE1V VBE2BE2) )引入的电流差；引入

11、的电流差； (3) (3)为抵消为抵消I IB3B3的影响，在的影响，在Q2Q2的的集电极增加射随器集电极增加射随器Q4Q4，利用，利用Q4Q4的的I IB4B4抵消抵消I IB3B3，进一步提高，进一步提高I Ir r和和I Io o的的对称性。对称性。 在双极模拟集成电路中，一般选用在双极模拟集成电路中，一般选用NPNNPN管作为放大器件，它需管作为放大器件，它需要互补的要互补的PNPPNP管作为有源负载以增加增益，所以管作为有源负载以增加增益，所以PNPPNP恒流源在双极恒流源在双极模拟电路中得到广泛的应用。各种模拟电路中得到广泛的应用。各种NPNNPN恒流源都可化为恒流源都可化为PNP

12、PNP恒流源，恒流源，只要以只要以PNPPNP管代替管代替NPNNPN管并改变电源接法和电流的方向。管并改变电源接法和电流的方向。二、二、PNPPNP恒流源恒流源 由于横向由于横向PNPPNP管容易做成共基极多发射极多集电极结管容易做成共基极多发射极多集电极结构，而且各集电极的电流比，精确地决定于各集电极对构，而且各集电极的电流比，精确地决定于各集电极对应的有效发射区周长之比。这正符合恒流源设计的要求，应的有效发射区周长之比。这正符合恒流源设计的要求，给电路设计带来很多方便，且可节省隔离岛的数目，减给电路设计带来很多方便，且可节省隔离岛的数目，减小管芯的面积。小管芯的面积。12.3 12.3

13、偏置电压源和基准电压源电路偏置电压源和基准电压源电路 在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平偏置电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。 在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有以下三类：在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有以下三类： (1)BE (1)BE结二极管的正向压降结二极管的正向压降V VBEBE，V VBEBE=0.6=0.60.8

14、V0.8V，它，它的温度系数的温度系数-2mV-2mV； (2) (2)由由NPNNPN管反向击穿管反向击穿BEBE结构成的齐纳二极管的击穿结构成的齐纳二极管的击穿电压电压VzVz，VzVz6 69V9V，它的温度系数，它的温度系数+2+2mVmV ； (3) (3)等效热电压等效热电压VtVt26mV26mV，温度系数，温度系数+0.0+0.086mV86mV。 这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用V VBEBE和和VzVz，VtVt的温度系数符号相反以及集成电路中元器件间的温度系数符号相反以及集成电路中元器件间匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标

15、准电压加以匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标准电压加以不同的组合，可望得到不同的对电源电压和温度不敏不同的组合，可望得到不同的对电源电压和温度不敏感的电压源和基准电压。感的电压源和基准电压。一、双极型三管能隙基准源一、双极型三管能隙基准源利用等效热电压利用等效热电压VtVt的正温度系数和的正温度系数和V VBEBE的负温度系数相互补偿的负温度系数相互补偿，可使输，可使输出基准电压的温度系数接近为零。出基准电压的温度系数接近为零。V Vg0g01.205V1.205V，是温度为，是温度为0K0K时的时的硅外推能隙电压；硅外推能隙电压；n n为常数，其为常数，其值与晶体管的制作工艺有关。值与晶体

16、管的制作工艺有关。 在选定参考温度在选定参考温度T T0 0后，只后，只要适当设计要适当设计R2/R3R2/R3和和J1/J2J1/J2，即可使在该温度下基准电压即可使在该温度下基准电压的温度系数接近零。由于这的温度系数接近零。由于这种温度系数为零的基准电压，种温度系数为零的基准电压，其值接近于材料的能隙电压其值接近于材料的能隙电压V Vgogo，所以称为能隙基准源。，所以称为能隙基准源。 当需要较高的基准电压时，可在三管能隙基准源的当需要较高的基准电压时，可在三管能隙基准源的输出基准电压上输出基准电压上再叠加再叠加V VBEBE和增加电阻比值和增加电阻比值，以实现接，以实现接近近5V5V的输

17、出基准电压的输出基准电压。二、双极型二管能隙基准源二、双极型二管能隙基准源 三管能隙基准源输出是三管能隙基准源输出是V Vg0g0整数倍的基准电压，若要求整数倍的基准电压，若要求输出电压不是输出电压不是V Vg0g0的整数倍，可用二管能隙基准源。的整数倍，可用二管能隙基准源。 改变改变R4/R5R4/R5的比值，即可获得不同的的比值，即可获得不同的输出，而又不会影响获得零温度系数输出，而又不会影响获得零温度系数的条件。适当选取的条件。适当选取R3R3的阻值，即可补的阻值，即可补偿由于基极电流流经偿由于基极电流流经R4R4产生的影响。产生的影响。采用这种电路可获得温漂小于采用这种电路可获得温漂小

18、于0.0l0.0l/，电压精度高达，电压精度高达0.10.1, ,而输出不是而输出不是VgoVgo整数倍的基准电压。整数倍的基准电压。 在在双极电路双极电路中，中，EBEB结压降是重要的结压降是重要的电参数电参数，它随温度有明显的变化。能，它随温度有明显的变化。能隙基准源就是通过合理的电路设计，隙基准源就是通过合理的电路设计，设法补偿设法补偿V VBEBE随温度变化对输出电压的随温度变化对输出电压的影响，以获得接近零温度系数的基准影响，以获得接近零温度系数的基准源。源。 在在MOSMOS电路电路中的中的重要电参数是重要电参数是MOSFETMOSFET的开启电压的开启电压，它也随温度，它也随温度

19、有明显的变化。我们同样可以通过合理的电路设计，来获得接有明显的变化。我们同样可以通过合理的电路设计，来获得接近零温度系数的基准电压源。近零温度系数的基准电压源。三、三、E ED NMOSD NMOS基准电压源基准电压源 E/D NMOS E/D NMOS基准电压源是利用增强型与耗尽型基准电压源是利用增强型与耗尽型MOSFETMOSFET的的开启电压之差形成温度稳定的基准电压源。开启电压之差形成温度稳定的基准电压源。 在工作过程中，若由于某种在工作过程中，若由于某种原因引起原因引起V VDlDl上升，将会引起上升，将会引起V VREFREF的上升，从而使的上升，从而使I IDEDE上升，上升，最

20、终导致最终导致V VDlDl下降，这样保证了下降，这样保证了V VREFREF的稳定性。的稳定性。 此电路要求此电路要求M1M1、M2M2工作于饱和区工作于饱和区( (这可以通过参数这可以通过参数的合理选择做到的合理选择做到) )。 第一增益级由第一增益级由M1M1M4M4和和M15M15构成构成，M3M3、M4M4是有源负载。是有源负载。M1M1M4M4组成的源耦合对采用双端输出，其输出送至第二级差分放大器组成的源耦合对采用双端输出，其输出送至第二级差分放大器的输入端的输入端(M5(M5、M6)M6)的栅极。设计有源负载的栅极。设计有源负载M3M3、M4M4时，不仅要求时，不仅要求有较高的输

21、出阻抗，而且要求其特性应严格匹配，以使有较高的输出阻抗，而且要求其特性应严格匹配，以使M1M1、M2M2中的电流相等。为了保证中的电流相等。为了保证M3M3、M4M4有相同的开启电压，其源极的有相同的开启电压，其源极的电压电压( (相对于衬底相对于衬底) )必须相等。必须相等。即使当即使当M9M9的负载电流发生变化时，的负载电流发生变化时，M7M7和和M8M8的源极电压的源极电压( (即即M5M5与与M6M6的漏极电压的漏极电压) )始终相等。由于始终相等。由于M5M5和和M6M6的电流和的电流和V Vdsds都各自严格匹配，这就保证了都各自严格匹配，这就保证了M5M5与与M6M6有相等的栅极

22、电有相等的栅极电压，从而使压，从而使M3M3与与M4M4的衬源和漏源电压相等。的衬源和漏源电压相等。 第二级差放采用单端输出，输出送至第二级差放采用单端输出，输出送至M9M9和和M10M10组成组成的源跟随器，再由源跟随器输出基准电压的源跟随器，再由源跟随器输出基准电压V VREFREF。 第二级增益电路由第二级增益电路由M5M5M8M8以及以及M14M14组成组成，它们的，它们的作用是保证作用是保证M3M3、M4M4的源极的源极电压相等，同时完成双端电压相等，同时完成双端到单端的转换。到单端的转换。 M7M7、M8M8是匹配的耗尽型是匹配的耗尽型MOSMOS对管，对管，当它们的电流相等时，应

23、当它们的电流相等时，应有有V VGS7GS7V VGS8GS80 0。 M11M11Ml5Ml5为偏置电路为偏置电路，提供，提供恒流偏置，它使电路中各耗尽型恒流偏置，它使电路中各耗尽型器件均工作在饱和区。器件均工作在饱和区。M16M16偏置偏置是两级放大电路的总电流是两级放大电路的总电流( (I I1 1I I2 2) )，由于此电路中各器件的电压，由于此电路中各器件的电压及电流仅决定于及电流仅决定于M16M16的电流及各的电流及各器件的几何尺寸，所以电路的电器件的几何尺寸，所以电路的电源电压抑制比较高。源电压抑制比较高。 此电路的输出电压此电路的输出电压V VREFREFVVTETEV VT

24、DTD，通过，通过适当地控制离子注入工艺，可适当改变适当地控制离子注入工艺，可适当改变V VREFREF的值。的值。 若要求基准电压能在较大范围内变化，若要求基准电压能在较大范围内变化，且有较精确的绝对值，可用图且有较精确的绝对值，可用图12.2012.20所所示的电路，此时输出电压为示的电路，此时输出电压为四、四、CMOSCMOS基准电压源基准电压源 利用利用MOSFETMOSFET在次开启区的饱和漏电流随电压呈指数关在次开启区的饱和漏电流随电压呈指数关系的特性，可以制作温度系数较小的系的特性，可以制作温度系数较小的CMOSCMOS基准电压源。基准电压源。 根据根据MOSMOS晶体管次开启区电特性的理论分析，当晶体管次开启区电特性的理论分析，当N N沟沟MOSFETMOSFET工作在次开启区时，若其源极电压不为零，则其工作在次开启区时，若其源极电压不为零，则其漏电流可表示为漏电流可表示为 V VGBGB、V VSBSB、V VDBDB分别表示栅极、源极和漏极对衬底的电分别表示栅极、源极和漏极对衬底的