电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计-考研专业

1、*1王向展第六章 MOS模拟集成电路 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件 6.2 MOS模拟IC子电路 6.2.1 电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源 6.2.4 MOS差分放大器 6.2.5 反相放大器 6.2.6 输出级 6.3 MOS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*2王向展NoiseLinearityPower DissipationGainInput/Output ImpedanceSupply VoltageSpeedVoltage SwingsAnalog Design Octagon

2、*3王向展 6.1 MOS模拟集成电路基础6.1.1 MOS模拟IC中的元件1、MOS电容 （P60） 铝 薄氧化层 n+扩散区电容 多晶硅 氧化层 重掺杂衬底间的电容 铝 氧化层 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（P50） 硼扩电阻 高阻 (R=100200/ 可作5050K。) 磷扩电阻 低阻 (R=25/ 几十。) 埋层电阻 低值电阻 (R 20/ 几十几百。） 基区沟道电阻 (R=510K/，几十KM大电阻，精度较差。)*4王向展 外延层体电阻 (R = 2K/，几十K，可承受高工作电压，温度系数大。) 离子注入电阻 (R = 500200K/ 几

3、十K 高精度。) 多晶硅电阻 (R=十几100/。) 薄膜电阻 (Ni-Cr、 Cr-Si R=几百几K/ 高精度、可激光修调。)3、MOSFET 与BJT相比，MOS器件主要的缺点在于： 参数离散性大，跨导低，失调电压较大。 噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为1/f噪声） gm，ron 热噪声。（4KTR） Si-SiO2界面态影响闪烁噪声，在低频时，1/f噪声显 著。如将沟道面积，受界面态影响，闪烁噪声。*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制。 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。 *6王向展 6.2

4、 MOS模拟IC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构造而成。本章主要从模拟IC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，最终实现设计目的。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。*7王向展模拟集成运算放大器电路分层说明 图6.1 模拟集成运放系统框架图 *8王向展Functional Block Diagram*9王向展无缓冲二级CMOS运放电路多路电流放大器偏置电路源耦合对电流镜共源放大器图6.2 两级共源CMOS运放电路原理图

5、*10王向展6.2.1 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，其电流值和加在两端的电压无关的两端元件(恒流特性)。通常负端接VSS的称为电流沉(Sink)，正端接VDD的则称为电流源(Source)。一般MOS器件做电流源/沉时，工作在饱和区。1、基本的电流源、电流沉 （1）电流源 图6.3 基本的电流源结构与I-V特性示意 显然，要使电流源正常工作，应使T管工作在饱和区，即：*11王向展其输出电阻： (6.1) (6.2) (6.3) *12王向展 （2）电流沉图6.3 基本的电流沉结构与V-I特性示意 同理，电流沉正常工

6、作，T管应满足：(6.4) 输出电阻： (6.5) *13王向展基本的电流沉/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确保整个Vout范围内电流稳定。 减小Vmin值，使其在较宽的Vout范围内都能很好工作。2、改进的电流沉/源 （1）接电阻增加输出电阻的技术 图6.4 接电阻增加输出电阻的结构与等效电路 (6.6) *14王向展而饱和区衬底跨导： (6.7) 线性区： 分析小信号模型等效电路，由(6.6)、(6.7)得： (6.8) 可见，最终输出电阻增大为r的gm2ro2倍。 *15王向展（2）实际电路 在实际的集成电路设计中，电阻r是由有源电阻实现的，如图6.5所示。

7、（a）电路图 （b）等效电路 图6.5 共栅共源电流沉结构*16王向展6.2.2 电流镜和电流放大器(Current Mirror & Current Amplifier)(6.9) 1、基本的电流镜（恒流源） 图6.6 基本的电流镜电路 *17王向展(6.10) 若T1、T2的工艺参数相同，且VDS1=VDS2，则 (6.11) 其输出电阻： (6.12) *18王向展由式(6.11)可见： 电流镜。 可根据需要，对Ir放大，实现电流放大。 且由于正常工作时，T1、T2均处于饱和区恒流。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，不能忽略（VDS1VDS2） 由沟道

8、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Vth 偏差。 由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。*19王向展2、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。图6.7威尔逊电流镜VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout受Vout影响减弱，输出电阻提高。参考电流Ir恒定*20王向展(6.13) 在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和区，gds远小于gm，gmro 1。 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T3饱和的前提下，为使Vi时Ir一定，只有相应地使W3/L3、W2/L2增大。

9、一般V(min)2Vth。另一方面，要保证T3饱和，对输出端电压也有要求： *21王向展由 ，得 (6.14) (6.15) *22王向展3、共栅共源电流镜 Cascode Current Mirror （a）电路图 （b）等效电路 图6.8 共栅共源电流镜*23王向展IDS4Iout回复原值，Rout提高。 由交流小信号等效电路并结合Kirchhoff定律，得如下方程组：(6.16) 求解方程组可得： (6.17) *24王向展6.2.3 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。“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的精度和稳定性。通常基准

10、与其连接的负载有关，可用缓冲放大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。（a）电阻分压器 （b）有源器件分压器图6.9 简单分压器1、简单的电压分压器 VREF对VDD的灵敏度： *25王向展2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源 图6.10 简单的pn结基准源 (6.20) 其中： 而： (6.21) 则：(6.22) (6.23) *26王向展一般IIS，VREF受VDD的影响很小。若I=1mA，IS=10-15A，即当VDD变化10%，VREF只变化0.362%。(2) 改进的pn结基准源 注意，上式成立的条件为：IB很小（即很大）；(R1+R2)阻值要大。 (6.24) 图6.1

11、1改进的pn结基准源 *27王向展（3）以MOSFET代替BJT的基准源 （a）基本结构 （b）改进结构图6.12 以MOSFET代替BJT的基准源 对于图6.12(a)所示结构： (6.25) 其灵敏度为 (6.26) *28王向展图6.12(b)所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与(a)结构相似。 (6.27) （4）齐纳Zenor二极管基准电压源 图6.13 齐纳二极管基准源 如图6.13所示，其中的二极管为重掺杂p+n+结，工作于反向击穿状态，其电源电压灵敏度： (6.28) *29王向展3、CMOS带隙基准源图6.14 CMOS带隙基准源 此结构实现了一种较为精确的基准电压源。主要利

12、用了MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的BE结导通电压VBE的负温度特性相互补偿，达到恒定的基准电压输出。 MOSFET亚阈区电流： (6.29) (6.30) 自偏置又称PTAT源*30王向展 和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压VT的温度系数也为负的，其亚阈区电流主要受VT的影响，随温度的增加而增加，即温度系数为正。 BE结导通电压VBE与温度的关系： (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能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度ni增大，pn结接触电势差 ，随之降低，即BE结导通电压随温度升高而降低，因此，VBE是负温度系数。由图6.14可得：

13、(6.33) *31王向展 以上式中： S MOS管的宽长比W/L。Vg0 Si禁带宽度电压。VBEO T=T0时，接成二极管形式的VBE值。n 亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。n 与双极晶体管工艺有关，一般为1.52.2。ID0 与工艺有关的参量，受VSB、VT的影响。(6.34) 又 (6.35) *32王向展得，基准电压为VREF的温度系数： (6.36)令 ，则 (6.37) (6.38) *33王向展图6.15 NMOS差分放大器 6.2.4 MOS差分放大器（教材13.1.2）差分结构的优点： 对“环境”噪声具有很强的抑制作用。 提高了电压摆幅（约一倍）。 偏置简单，线性度高。

14、1、nMOS差分放大器（1）工作原理与小信号特性 对于差分对结构，T1、T2应是对称的，即：1=2，VT1=VT2。其差分输入信号： (6.39)偏置电流： (6.40) *34王向展(6.41) 如采用单端输出，此放大器跨导为： （忽略高次项）(6.42) 联立(6.39)、(6.40)，可得可见，单端输出时，放大器跨导只有单管gm的一半。*35王向展如采用差分双端输出，其跨导为： (6.43) 可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管gm。由T1一侧支路的等效电路，可得： (6.44) 双端输出 (6.45b)单端输出 (6.45a) *36王向展（2）差分放大器的输入失调电压VosV

15、os包括三个因素 T1 、T2的K因子不对称 T1 、T2的VT不对称R1 、R2不对称(6.46) 其中： (6.47) *37王向展（3）共模抑制比CMRR (6.48) 与BJT相比，MOSFET的gm较小，ro较小，所以AVD较小，MOS差分放大器的CMRR BJT差分放大器的CMRR。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，优于BJT电路。 由双极晶体管跨导：gm=IC/VT 可得：室温下，IC=1mA时gm=38.5mS，而对于MOS器件，如Cox=3.4510-8F/cm2，n=580cm2/Vs，相同偏置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：W/L=gm2

16、/(2nCoxIDS) 3.7104*38王向展差分放大器的特点： 放大差模信号、抑制共模信号。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， 如偶次谐波。 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，须加双-单转换电路，确保较高的 增益。*39王向展2、CMOS差分放大器 （1）NMOS输入的CMOS差分放大器图6.16 NMOS输入的CMOS差分放大器 M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜作M1、M2的有源负载；M5、M6构成电流镜提供恒流源；M6、M7为偏置电路提供偏置。另外，此电路还实现了差分输出信号的单

17、端转换。 *40王向展由以上分析可以看出，单端信号输出时，Vout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为： (6.49) (6.50) (gm=gm1=gm2)*41王向展（2）pMOS输入的CMOS差分放大器 pMOS输入的差分放大器工作原理与nMOS输入的相似，但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。图6.17 PMOS输入差分放大器 VBS 0*42王向展图6.18有源电阻反相器及其等效电路 6.2.5 反相放大器1、有源电阻反相放大器（1）小信号电压增益及输出电阻(6.51) (6.52) *43王向展（2）小信号频率响应(6.53) 图6

18、.19考虑了寄生电容的反相器结构及其小信号等效模型 根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数： *44王向展其中： s为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率： (6.54) 比较(6.51)、(6.54)可得： 欲使AV，应有gm21，放大器带宽变窄，可见，其增益与带宽相互制约，此结构多用于要求带宽较宽，增益不高的场合。 *45王向展2、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(6.55) 图6.20电流源负载反相放大器电路结构与等效电路 *46王向展(6.56) 由此可

19、得： ID，AV，即控制直流偏置电流可调节小信号增益。 此结构输出电阻Rout比有源电阻反相放大器的大（可知其带宽较窄）。（2）小信号频率响应类似于有源电阻反相器情况： 由于一般gdsgm，所以其带宽比有源电阻作负载的窄。 (6.57) *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工作原理及特性与电流源作负载的情况相似。电流源/沉作负载的反相放大器缺点是需加一个直流偏置VGG。图6.21 电流沉负载反相放大器 3、推挽CMOS反相放大器 图6.22 推挽CMOS反相放大器与小信号等效电路 *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 (6.58)采用同样尺寸的晶体管，

20、推挽反相放大器增益较高，因为两个管子都为Vin所驱动，且随ID，增益，其输出摆幅：VDDVSS。 *49王向展6.2.6 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Rout小一些。对输出级总的要求： *50王向展1、甲类电流源/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/沉负载反相放大器相同，此类结构的效率： 如VDD=-VSS，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） 图6.23 电路图 电流增益大，电压增益1，输出