第六章 模拟集成电路设计-2

集成运算放大器基本概念高增益的直流放大器万能的集成电路模拟运算、信号处理、采样保持电路、D/A和A/D等电路中主要参数P178集成运放结构框图输入差分级单端化电路中间放大器射级跟随器输出级及其保护电平位移级偏置电路（恒流源）UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与uo同相对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大，双端转单端。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。集成运算放大器双极型运算放大器（μA741）电路组成24个三极管（其中9个pnp管）10个电阻一个MOS电容输入级中间放大级射极跟随器输出级偏置电路方框图注意每个管子的应用偏置电路差分输入级中间增益级输出级A输入级电路特点T1、T2、T3、T4管组成了共集共基接法的复合差分输入级T5、T6、T7管组成精密输出恒流源作用①采用复合PNP管：输入阻抗高、输入失调温漂小、高电压增益、抗干扰能力强②T3、T4：PNP管，共基极，完成电位平移作用③有源负载：双端→单端输出，电阻比例恒流源T7管的作用？R1=R3，其负反馈作用，减少T5、T6管的BE结电压变化引起的电流误差单端输出接射随器T16，大为减小了IB16对TC6的影响外接可调电阻、调解平衡中放级T16管：射随器，起缓冲、电流放大作用T17管：共射放大器，（T13B、T12）有源负载。可获得高电压增益T23B缓冲射随器。T23A保护T16管

两级电压放大（差分、中放）输出级T14、T20组成互补射随器，作推挽输出T18、T19、T10提供偏置来克服“交越失真”T15、R6；T21、R7以及T24、T22组成输出过流保护电路偏置电路其参考电流由T11、T12、R5确定，IR=IC11=IC12。T10、T11、R4组成微电流恒流源（Widlar）T8、T9，T12、T13A.B为基本恒流源稳定工作电的作用：（IC1、IC2）↑、（IC8、IC9）↑由于IC10是恒定的。IC10=IC9+（IB3+IB4）IC9↑导致了（IB3、IB4）↓→（IC1、IC2）↓从而抑制了（IC1、IC2）上升趋势MOS运算放大器理想的运放：高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗性能上降低：速度、输出摆幅和功耗性能参数增益：运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度小信号带宽：工作频率增加→开环增益下降大信号带宽输出摆幅：输出大的摆幅是当今主要课题，但受到速度影响线性噪声与失调：影响输出摆幅电源抑制电路图CMOS运放电路原理以用于音频编码器的CMOS运放来说明，设计标准增益输入失调电压VIO建立时间电源电压精度大于60dB20mV1.5微秒±7.5伏1％电路组成（图6-71）①T1、T2管组成差分输入对②T3、T4管组成基本恒流源③T7管提供偏置电流④T5管为共源反向放大器，T9为其负载⑤T10、T11管组成偏置电路⑥T5管作为输出⑦密勒电容：频率补偿作用。与T6管组成缓冲级，T8管为T6管提供恒流偏置三个NMOS、其余都是PMOS。电路设计从相关工作电计算出W/L。根据MOS管的输出电阻要求来确定L设计CMOS运放先计算①点直流工作电压输出正幅值为5伏，工作电压：7.5伏，根据饱和极限得V1=4伏ID10=ID11得，两个管子的宽长比。根据恒流源：4：4：8：1输出负幅值为-5伏，ID9=ID5，得两管的长宽比T1、T2管的尺寸应适当设计大些T3、T4管的尺寸应适当设计小些集成数-模和模-数转换器D-A和A-D转换器的基本概念A-D转换器的功能就是能将连续变化的模拟两转变成相应的多位数字量（连续→离散）D-A转换器的功能就是能将一组具有一定位数的数码代码转换为唯一对应的模拟量（离散→连续）滤波器A/D转换器DSP系统D/A转换器集成A-D和D-A转换器的类别组建型选用某一种单一功能的集成电路运算放大器、逻辑电路、集成电压比较器等混合型单片型1971年诞生了第一块单片高位集成化D-A转换器全双极型BiCMOS相容型转换时间大小为标志按精度划分A-D和D-A转换器的主要参数分辨率：转换器能够分辨最小的量化信号的能力，LSB精度：实际转换器的模拟量（A-D转换器的输入或D-A转换器的输出）与理想转换器的模拟量之间的差值线性度：转化器实际传输特性曲线与它的平均传输特性曲线之间的最大偏差温度灵敏度转换器的工作速度：建立时间D-A转换器集成D-A转换器译码器件：接收的是数字编码信号，而以电流或电压形式提供模拟信号输出输入信号：一组由0和1组成的数字码D输出信号：模拟量A组成部分产生基准电压的基准电压源设置二进位系数的开关电阻性电流定标电路输出电流求和放大器（将电流输出变成电压输出）D-A转换器的基本类型电流定标电路（双极型）利用二进制加权电阻网络问题：电阻（在8位分辨率的电路中电阻网络需要从R变化至128R，精度和大小都是工艺难点）采用R-2R梯形网络电压定标电路（MOS）根据电位缺点：元件太多电荷定标电路（MOS）利用加到电容矩阵上的总电荷来定标电路图AD7520梯形电阻网络实现电流标定电路由CMOS反相器、传输门实现权位开关单元注意P3管的作用？寄生电阻带来的影响，解决方法集成A-D转换器编码器：将人意的模拟量如电压或电流等，按规定的位数转换成数字代码输出可以使串行的，也可以是并行的组成部件输入多路选择器采样与保持电路A/D转换器输出选通器状态控制器分类在变换周期中对定时电容器充电或放电的积分型A/D转换器在反馈回路中采用二进制计数器和D/A转换器的数字-斜坡或伺服型A/D转换器利用逐次试探误差产生数字输出的逐次逼近式A/D转换器在一个单一的步骤内，完成所有各位变换的并行比较器型或“一次完成”A/D变换器逐次比较式A-D转换器以D-A转换器的输出电压VA与输入模拟电压Vi进行比较，利用时序脉冲发生电路和存储电路，使输入到D-A转换器的数字电压一开始就有最高位输出，然后从最高位至最低位逐次输出，经其中的D-A转换器转换成模拟电压VA，与Vi进行比较电路组成：环形移位寄存器、数码寄存器、D-A转换器、电压比较器、并行码输出器及CP时钟等部分组成图6-88并行比较型A-D转换器用一组比较器把基准阶跃电压Vref和模拟输入电压Vi进行比较，通过编码器得到数字输出缺点：元件数目多，例如8位A-D转换器就需要255个电压比较器和256个精密电阻图6-89模拟集成电路版图设计器件的电学性能特点工作电压高电流增益大要求晶体管有较好的频率特性对称性输出管有一定的电流容量及小的饱和压降横向pnp管，要求有小的bc结电容，高的特征频率值工艺技术的特点外延层材料外延层电阻率：提高外延层电阻率有利于增加横向pnp管和纵向npn管的电流增益值，但会使击穿电压降低淡硼扩散浓度和结深发射区扩散浓度和结深隐埋工艺的选择不掺金的工艺隔离性能隔离区划分可放在同一个隔离区的条件Npn管的集电极电位相等Pnp管的基极电位相等Npn管的集电极电位与pnp管的基极电位相等电阻原则上可以都放在同一个隔离区中，按电阻值、最高电位的不同进行分区隔离对压降小的电阻可以单独隔离Npn管的集电极电位和pnp管的基极电位高于电阻两端的电位时，可以把管子和电阻放在同一个隔离区内例子中可以看到这些规则的应用元件的设计晶体管的横向尺寸的选择（光刻的最小尺寸、发射极电流容量综合考虑）横向pnp管的纵向尺寸（基区宽度）纵向pnp管的结构电阻器的设计μA741运算放大器的版图设计隔离区的划分最小尺寸的晶体管有源器件版图设计识别无源器件版图设计识别布局与布线划分隔离区电路中共有35个元件T1、T2、T8、T9管T12、T13管T3、T4管T18、T19管和R10R5、T7管T11管、R1、R2、R3、R4、R8、R9T14管、R6、R7其余晶体管各占一个隔离区电容独占一个隔离区元件的图形尺寸以最小尺寸画出的晶体管图7-3所示MOS模拟集成电路版图按照宽长比计算结构设计Place&RouteDRCLVS例子输入输出接地输出MOS电容两个横向PNP管纵向向PNP管取样电阻保护电路基准电压源热保护电路调整管稳压电源电路启动电路和热保护电路基准电压源和误差放大器取样电阻过流和安全工作区保护电路专用集成电路

（ASIC）ApplicationSpecificIntegratedCircuitIC的分类通用ICASICHDLVHDLVerilogEDA_toolsModelsim、ISE、MAXIICadence、Synplify、SynopsysVLSI的设计方法VLSI设计方法学旨在人工干预设计与CAD工具之间的交互过程中取得尽可能高的设计效率。一、VLSI设计的一般形式层次式设计是VLSI设计中最广泛使用的方法，它可以简化VLSI设计的复杂性。层次式设计方法分为自顶向下和自底向上两种方法。层次化设计分为三个域：行为域、结构域和几何域。二、IC层次式设计方法(自顶向下的设计方法例子)系统级、功能级、寄存器传输级、门级、电路级、版图级（物理级）。计算机描述语言：对于不同的设计层次，都需要用计算机来进行辅助设计。因此，需要有一套计算机能处理的语言来描述设计结果和设计要求。HDL(HardwareDesc