CMOS模拟集成电路基本单元一

CMOS模拟集成电路基本单元一第一页，共21页。CMOS模拟集成电路基本单元（一）一、模拟开关二、有源电阻三、电流源和电流沉四、电流镜西安电子科技大学2第二页，共21页。一、模拟开关西安电子科技大学模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用；分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关；对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求Vout≈Vin，即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。

3第三页，共21页。NMOS模拟开关非理想模型西安电子科技大学VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和B之间存在的电压。IOFF表示开关关断时流过的漏电流。CA、CB、CAB和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采样保持电路性能有较大的影响。

NMOS模拟开关的非理想模型可以等效为一个三端网络，端口A和B为开关的输入输出端，C为电压控制端。理想情况下，RON为零，而ROFF为无穷大。为了降低总谐波失真，RON与控制电压的关系应为线性关系。4第四页，共21页。NMOS模拟开关的导通电压-电流特性（1）西安电子科技大学当NMOS模拟开关处于导通状态时,

0<VDS<VGS-VT

导通电阻为:

当NMOS开关处于关断状态时，即VGS<VT，iDS=IOFF=0；则ROFF≈∞。5第五页，共21页。NMOS模拟开关的导通电压-电流特性（2）西安电子科技大学W＝L＝3μm

VGS一定时，沟道电流随着VDS增加而线性增加；当VDS一定时，沟道电流随着VGS增加而增加。

6第六页，共21页。NMOS模拟开关的导通电压-电流特性（3）西安电子科技大学多种宽长比NMOS模拟开关导通电阻与VGS之间的关系，当VGS一定时，导通电阻随着W/L的增加而减小；当W/L一定时，导通电阻随着VGS增加而减小。

7第七页，共21页。NMOS模拟开关的非理想效应及解决方法西安电子科技大学阈值电压损失效应：动态范围变小;时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制信号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和CGD使NMOS的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调；CMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动态范围，减小时钟馈通效应；8第八页，共21页。二、有源电阻西安电子科技大学CMOS模拟集成电路中会采用大量的电阻，一般采用阱、扩散和多晶（Poly）实现精确的电阻值。在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非常小的版图面积。

9第九页，共21页。有源电阻分压电路及并联电阻西安电子科技大学10第十页，共21页。三、电流源和电流沉西安电子科技大学电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制，和加在MOS源漏两端的电压无关。一般来说，电流沉的负端电压接VSS，而电流源的正端电压接Vdd。11第十一页，共21页。电流沉西安电子科技大学rout=1/gdsrout=1/gdsrout=1/gdsMOS工作在饱和区。电流沉的源漏电压应大于VMIN才能正常工作。12第十二页，共21页。电流源电流源的源漏电压应小于VMIN才能正常工作

西安电子科技大学需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加稳定；需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能在较宽的输出电压范围V内工作。目前增加输出电阻的最有效方法之一是采用Cascode结构。

13第十三页，共21页。电流源输出电阻提高技术西安电子科技大学14第十四页，共21页。电流源输出电阻提高技术——Cascode技术西安电子科技大学15第十五页，共21页。四、电流镜（电流放大器）西安电子科技大学基本原理：如果两个相同的NMOS（PMOS）的栅源电压相同，则沟道电流也相同。（忽略沟道长度调制效应）

16第十六页，共21页。NMOS基本电流镜电路及特性西安电子科技大学（1）输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完全由集成电路设计人员控制；（2）当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不是完全等于输入电流

17第十七页，共21页。MOS电流镜的非理想效应西安电子科技大学MOS晶体管几何尺寸不匹配。集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。MOS晶体管阈值电压不匹配。在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。沟道长度调制效应。特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应18第十八页，共21页。Wilson电流镜

当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加的，而不完全等于输入电流。解决方法是Wilson或Cascode电流镜；Wilson电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻；如果输出电流增加，则通过M2的电流也增加，而且由于M1和M2的镜像关系使输入电流也增加；如果