第四章-集成电路基本模块设计

第四章集成电路基本模块设计一、教学目的和要求：1、掌握集成电路的基本单元模块的基本组成；2、理解集成电路的基本单元模块的理想模型与实际实现的主要非理想特性；3、了解实际电路的主要非理想特性对电路性能的影响和常见的改进方法；4、理解集成电路设计过程中原理性和技术性的关键概念。二、重点、难点：1、集成电路设计过程中原理性和技术性的关键概念。2、基本单元模块的基本组成；主要非理想特性对电路性能的影响和常见的改进方法。第一节开关一、理想电压控制开关的模型：1、模型图IoCVC

VC=VC1接通时，VIO=VI－VO=0，II=IO可取任意值，I、O两点间短路。VC=VC2断开时，II=IO=0，VIO可能为任意值，I、O两点间开路。二、实际电压控制开关的模型IoffRoffRonVos-

+VCCICICCocCoIoC失调电流、失调电压、寄生电容、开关非线性、电阻等。模型图如下三、开关电路的实现及主要非理想特性：1、用BJT实现开关：（1）电路：IVoVCVI++--oC+-IIIo可知，VC（VBE）恒定时，存在非线性，限制开关的动态范围；3）（2）非理想特性：1）失调电压VOS≈16mV；2）由三极管特性曲线2、用MOS管实现开关（1）电路：（2）非理想特性：1）沟通电阻：a)在开关导通状态下，其两端电压很小，而VGS很大，此时，沟道电阻为：IVoVCVI++--oC+-I1b)开关断开时，

2）电容：例、C1充电电路图（例：充电电路）“仿真Ron的影响”。四、开关对电路的影响：1、开关的端电压与控制端电压相对值；2、导通时沟道电阻Ron；C1充电等效电路图在电路的充电变换过程中，开关的导通电阻非常重要，要满足条件：ＲonC1<<T（其中：T是φ1为高电平的时间）3、漏电流的影响（开关截止时）（例）采样保持电路

MOS开关的栅极电压等于或低于源/漏最低电位，则Ioff可以忽略。4、寄生电容：5、（寄生电容）改善措施：（1）采用虚拟MOS管

（2）采用传输门作为开关五、适用于低电源电压的开关电路1、电路2、工作原理：第二节有源电阻

主要讨论在集成电路设计中两种实现电阻的方法。第一种：用有源器件实现电阻。

优点:电阻的尺寸最小。第二种：用开关电容实现电阻。

优点:电阻的精度高，取决于时钟频率和电容的精度。;:QQacIVrDD=,:QQIVR=交流电阻直流电阻1、直流电阻（1）MOS管1）电路：2）直流电阻3）小信号电导为：（2）双极晶体管1）电路：2）直流电阻3）小信号电导

（3）例：有源电阻分压器，如图表示用一个n沟MOS有源电阻和一个p沟MOS有源电阻产生一个直流电压Vout。若VDD=5V，VSS=-5V，I=50μA。求Vout=1V时，M1和M2的W/L比值。设VTN=+0.75V，VTP=-0.75V；K’N=24μA/V2,K’P=8μA/V2。解：两管的衬底都分别接到它们的源极以使它们的体效应不产生影响。由于VGD=0，两管都处于饱和状态。因为流过两管的电流必须相同，而电压VDS1和VDS2已经给定，依55.0;15.0)(2212'==-==LWMLWMVVLWKIITDSD的的得：2、交流电阻（1）交流电阻IVCoC+-（2）非理想素因影响①R的线性性受VDS

限制；②VT受VBS影响而影响R的线性性。

（3）改善影响素因的方法

1）双晶体管原理：M1、M2为两只完全相同的器件，加偏置使其VDS的影响互相抵消，由大信号MOS模型。

注意到VDS1=VDS2=V，并设互相匹配的晶体管允许电流I表示为：

所以交流电阻值：

2）交流差动电阻结构：

注意：加到电阻器左边的是差动信号（V1），而右边则处于相同的电位（虽然没有物理连接）。

①单沟道MOS管实现交流差动电阻结构

只要：②双MOS管实现交流差动电阻结构

只要满足V1，V2≤min[VC2-VT，VC1-VT]条件

其动态电阻为：二、采用开关和电容器的方法实现交流电阻

由时钟信号控制的模拟开关和电容器来模拟电阻器的方法有两种基本形式：接地开关电容模拟电阻和浮地开关电容模拟电阻电路。

图a是一只单刀双掷及一只MOS电容器组成的开关电容电路。该开关在时钟信号的驱动下，以频率WS交替地将电容C接到位置1和2。(a)原理图IV2VI++--oC1S211、接地开关电容模拟电阻电路这样一种单刀双掷开关在实际电路中，是由两个互不重迭的互补时钟信号驱动的MOS管组成的模拟开关，如4.2.8图（b）所示。(b)电路图IV2VI++--oC1M1M2©等效电阻图V2VI++--Req图（c）则是该电路所等效的模拟电阻Reg。（2）工作原理当时钟φ为高电平时，MOS管M1导通，而φ为低电平，M2截止。这时电容C1通过开关管M1存储电荷，其电荷量为：Q1=C1V1；当时钟φ为低电平时，M1截止，M2导通，电容C1上储存的电荷通过M2向V2端传送。这样在一个时钟周期内，从V1端径电容C1向V2端传送的电荷量为：△Q=C1（V1-V2）

则单位时间内，由V1端送到V2端的平均电荷量，即电流的大小为：

式中：TS为时钟信号φ的周期。则V1V2两端之间可以等效为一个电阻器，其阻值大小为：

（3）例：设fS=100KHZ，C=1Pf，则它就可模拟一只10MΩ的电阻。注：这种等效是有条件的，那就是必须满足WS>2WC。

2、浮地开关电容等效电阻：（1）电路原理及电路图

(a)原理图V2VI++--C1S1S2(b)电路图V2VI++--C1M1M2（2）工作原理：当驱动时钟φ为高电平时，开关S1闭合，S2断开，这时电容器清零。

当时钟φ为低电平时，S1断开，S2闭合，电容C1充电到（V1-V2），故电容C1存储的电荷量为：Q=C1（V1-V2），则在时钟φ的一个周期内，从V1端流到V2端的平均电流为：

相应的等效电阻Req为：

第三节

电流源和电流阱

一、理想的电流源1、理想电流源的特性：是一个二端元件，它的电流在源的端电压为任何值时都是常数。电流源的端电压取决于外部电部。

2、伏安特性和简化电路符号：

二、实际电流源和电流阱1、电流源使用的基本拓朴结构如下图：VP和VN分别为最正和最负的直流电压。

（1）当电流源的一端与电路中最正的直流电压接在一起时，称为电流源。

（2）当电流源的一端与电路中最负的直流电压接在一起时，称为电流阱。

2、实际电流源、电流阱的伏安特性电流源伏安特性

电流阱伏安特性

三、电流源、电流阱的基本实现电路

1、电流阱基本电路（a）BJT电流阱

（b）MOS电流阱

2、基本电路的特性：（1）BJT电流阱当V>VCE（饱和）：

电流阱输出电阻R0为：

对于电流源上述特性方程也成立。

VMIN≈VEC（饱和）

（从V=0到V=VMIN的区间，对应于Q1的饱和区）

（2）MOS管电流阱（设=0）

电流VMIN=VDS（饱和）=VGG-VT

V>VMIN时：上述特性方程对MOS电流源也成立。

四、改善性能的电路（R0、VMIN）

1、负反馈法：（1）电路图：

(a)BJT

(b)MOS（2）特性：（以BJT管为例）

①BJT管：

随着R变大，

，比R=0增加（1+βF）倍。

②MOS管：

式中：（3）实际实现电路：

BJT，Q1的输出电阻r0代替上述电路中的R得：

例若Q1和Q2完全相同，则可算，gm2=8.456ms,r01=r02=913KΩ,r2=11.526KΩ得R0=91.05MΩ,(比0.913MΩ简单BJT电流源几乎增加了（1+βF）倍)。例若M1和M2与图4.3.4(b)中的M相同，则可算出：gm2=152.6μs和gds1=gds2=0.97μs,gmb2不计，得：R0=171.9MΩ(比图4.3.4(b)中的R0=1.07增大了102倍以上。)

②VMIN为使VMIN最小，关键选图(a)中的VBB2和图（b）中的VGG2。对图4.3.6(a),VBB2=VCE1（饱和）+VBB，则可使VMIN=2VCE（饱和）对图4.3.6(b)，VGG2=VDS1（饱和）+VGS2，则可使VMIN=2（VGG1-VT1）

2、正反馈法：（1）电路图：

BJT管MOS管3、调节型共源共栅电流阱第四节

电压基准和电流基准

一、电压基准或电流基准：

1、概念：指受电源电压波动和环境温度变化影响很小的精密直流电压源或电流源电路。

2、灵敏度和分数温度系数：（1）VREF对电源VXX变化的灵敏度定义为：

IREF对电源VXX变化的灵敏度：

（）（2）用分数温度系数ICF定义基准对温度依赖关系为：

TCF的单位表示为每°C的百万分之一，即ppm/°C，设VREF相对于温度的灵敏度等于1/100表示一个好的电压基准，则在室温（T=300K）下，其分数温度系数为（1/300）×（1/100）×1000000=33.3ppm/°C

3、举例：

简单电压基准解:（1）对（a）图：

依灵敏度定义：1)VREF对于VXX的灵敏度为：

2）VREF的分数温度系数为：(设VXX与温度无关)

（2）对（b）图：

1）求灵敏度

若VCC=5V，R=43KΩ，IS=0.4fA则即如果VCC变化10%，VREF将变化0.379%。2）求分数温度系数

在

式中，Vt，R，IS是温度的函数

所以：而

带隙电压，它与温度无关。

式中:VGO为硅的（3）对图（c）

1）求灵敏度

2）求分数温度系数

要得到电流基准和电压基准，就是要尽量使电源和温度对基准的影响最小。

二、几种常见的电流基准：1、采用一种利用正偏pn结的发射结电压降VBE的技术。由图可得：2、自举偏置电路（1）电路图：（2）工作原理：IC1=IC2，BE1=Vtln[IC1/IS1]=IC2R1用图解法解上述联立方程，得IC2有两个稳定的工作点：A点：IC2=0B点：IC20只要给此电路一个适当的启动电流，电路就会自动进入B点工作状态。

三、几种常用的电压基准

（一）采用稳压二极管的电压基准1、稳压二极管的特性

2、利用稳压二极管和pn结二极管温度系数相反的关系以期抵消温度对电源的影响。——减小电源基准TCF的方法之一。

假定I0设置得很好，足以使VB=BV可以认为与VCC无关。又假设所有VBE都相等，且所有二极管都匹配，

则基准电压：

将上式对T求微分，然后改其等于零，得到：

若稳压二极管的温度变化特性是+3mV/°C，则：

1VREF