电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计第六章考研专业

*1王向展第六章MOS模拟集成电路§6.1MOS模拟集成电路根底6.1.1MOS模拟集成电路中的元件§6.2MOS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6.2.4MOS差分放大器6.2.5反相放大器6.2.6输出级§6.3MOS集成运算放大器6.3.1集成运放设计的边境条件和主要目的*2王向展NoiseLinearityPowerDissipationGainInput/OutputImpedanceSupplyVoltageSpeedVoltageSwingsAnalogDesignOctagon*3王向展§6.1MOS模拟集成电路根底6.1.1MOS模拟IC中的元件1、MOS电容〔P60〕铝–薄氧化层–n+分散区电容多晶硅–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(R20/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，可接受高任务电压，温度系数大。)离子注入电阻(R=500200K/几十K高精度。)多晶硅电阻(R=十几100/。)薄膜电阻(Ni-Cr、Cr-SiR=几百几K/高精度、可激光修调。)3、MOSFET与BJT相比，MOS器件主要的缺陷在于：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确实定难以控制。沟道构成于体内，不受表界面效应影响〔低噪声〕，速度较快，抗干扰才干强，常用于微小电量取样电路。*6王向展§6.2MOS模拟IC单元电路复杂的模拟电路系统都是由假设干根本单元组成的子电路构造而成。本章主要从模拟IC根本单元分析入手，阐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。详细内容：经过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路单元分别分析讨论构造特性、特点，最后，以模拟运算放大器设计加以运用，从而掌握根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阐明图6.1模拟集成运放系统框架图*8王向展FunctionalBlockDiagram*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*10王向展6.2.1电流源与电流沉(CurrentSourceandSink)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的那么称为电流源(Source)。普通MOS器件做电流源/沉时，任务在饱和区。1、根本的电流源、电流沉〔1〕电流源图6.3根本的电流源构造与I-V特性表示显然，要使电流源正常任务，应使T管任务在饱和区，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根本的电流沉构造与V-I特性表示同理，电流沉正常任务，T管应满足：(6.4)输出电阻：(6.5)*13王向展根本的电流沉/源的优点是构造简单，但性能需加以改善：添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范围内都能很好任务。2、改良的电流沉/源〔1〕接电阻添加输出电阻的技术

图6.4接电阻添加输出电阻的构造与等效电路(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〕实践电路在实践的集成电路设计中，电阻r是由有源电阻实现的，如图6.5所示。〔a〕电路图〔b〕等效电路图6.5共栅共源电流沉构造*16王向展6.2.2电流镜和电流放大器(CurrentMirror&CurrentAmplifier)(6.9)1、根本的电流镜〔恒流源〕图6.6根本的电流镜电路

*17王向展(6.10)假设T1、T2的工艺参数一样，且VDS1=VDS2，那么(6.11)其输出电阻：(6.12)*18王向展由式(6.11)可见：电流镜。可根据需求，对Ir放大，实现电流放大。

且由于正常任务时，T1、T2均处于饱和区恒流。但有三个要素使实践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偏向。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–WilsonCurrentMirror经过电流负反响提高输出电阻，是一种改良型电流镜。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)在近似处置时，应留意此电流镜正常任务时，各管均处于饱和区，gds远小于gm，gmro>>1。电路实践任务时，要在输入端、输出端加一定电压才干任务。在T3饱和的前提下，为使Vi时Ir一定，只需相应地使W3/L3、W2/L2增大。普通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–CascodeCurrentMirror〔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普通电源的数值有更高的精度和稳定性。通常基准与其衔接的负载有关，可用缓冲放大器使其和负载隔开，同时坚持良好的性能。〔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)那么：(6.22)(6.23)*26王向展普通I>>IS，，VREF受VDD的影响很小。假设I=1mA，IS=10-15A，即当VDD变化10%，VREF只变化0.362%。(2)改良的pn结基准源留意，上式成立的条件为：IB很小〔即很大〕；(R1+R2)阻值要大。(6.24)图6.11改良的pn结基准源*27王向展〔3〕以MOSFET替代BJT的基准源〔a〕根本构造〔b〕改良构造图6.12以MOSFET替代BJT的基准源对于图6.12(a)所示构造：(6.25)其灵敏度为(6.26)*28王向展图6.12(b)所示构造提供的基准电压如下，灵敏度与(a)构造类似。(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，任务于反向击穿形状，其电源电压灵敏度：(6.28)*29王向展3、CMOS带隙基准源图6.14CMOS带隙基准源此构造实现了一种较为准确的基准电压源。主要利用了MOSFET的亚阈区任务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，到达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王向展和任务在强反型时一样，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，随温度的添加而添加，即温度系数为正。BE结导通电压VBE与温度的关系：(6.32)根据半导体能带实际，温度升高，半导体内载流子具有的能量添加，本征激发加强，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：(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，接成二极管方式的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，普通为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，那么(6.37)(6.38)*33王向展图6.15NMOS差分放大器6.2.4MOS差分放大器〔教材13.1.2〕差分构造的优点：①对“环境〞噪声具有很强的抑制造用。②提高了电压摆幅〔约一倍〕。③偏置简单，线性度高。1、nMOS差分放大器〔1〕任务原理与小信号特性对于差分对构造，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，放大器跨导只需单管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VosVos包括三个要素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/V·s，一样偏置电流下要得到此大小的跨导，需求的宽长比：W/L=gm2/(2n·Cox·IDS)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。应留意，如采用单端输出，跨导只需单管的一半，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6.16NMOS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输入的差分放大器任务原理与nMOS输入的类似，但应留意的是两种电路方式的性能与工艺选择有很大的关系。图6.17PMOS输入差分放大器VBS0*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〕小信号频率呼应(6.53)图6.19思索了寄生电容的反相器构造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呼应的传输函数：*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，此构造多用于要求带宽较宽，增益不高的场所。*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构造与等效电路*46王向展(6.56)由此可得：ID，AV，即控制直流偏置电流可调理小信号增益。此构造输出电阻Rout比有源电阻反相放大器的大〔可知其带宽较窄〕。〔2〕小信号频率呼应类似于有源电阻反相器情况：由于普通gds<gm，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任务原理及特性与电流源作负载的情况类似。电流源/沉作负载的反相放大器缺陷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，推挽反相放大器增益较高，由于两个管子都为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〕放大器输出级的根本作用是电流变换，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，需求较大的输出电流，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构造与任务原理与前面所述的电流源/沉负载反相放大器一样，此类构造的效率：如VDD=-VSS，那么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，输出阻抗低，带宽较宽；但M1的源为输出节点，有体效应VT，最大输出电压<VDD。效率与甲类放大器一样。由于其固有的负反响特性，失真比甲类放大器小。*51王向展图6.24小信号等效电路小信号电压增益：其中，–体跨导因子〔0<<<1〕,所以源跟随器小信号增益略小于1。(6.62)*52王向展频率呼应由得传输函数：其复平面上的主极点：主极点频率：(6.63)(6.64)(6.65)(6.66)*53王向展其中：C1—由源跟随器输入到输出间的电容组成〔Cgs1〕C2—由源跟随器输出到地之间的电容〔Cgd2+Cbd2+Cbs1+CL〕输出电阻3、互补推挽输出级–可任务于乙类，甲乙类，效率得以提高，乙类78.5%。〔1〕简单的CMOS推挽输出构造及原理同CMOS推挽反相放大器(见图6.22)，作为输出级，其特点如下：(6.67)*54王向展优点：增益提高，输出摆幅大，VDDVSS。乙类放大，效率较高。缺陷：输出电阻大，带宽较窄，任务在高增益区〔甲乙类运用〕时，静态电流较大，效率降低。*55王向展〔2〕改良型CMOS推挽输出(a)原理图〔b〕适用电路图6.25改良型CMOS推挽输出放大器*56王向展如图6.25(a)所示，在p、n管栅极与Vin之间分别接入适当值的电压VTR，可使电路的性能得到改善。其适用电路如图6.25(b)，分析任务过程如下：Vin添加，M1电流添加，经过M4、M7镜像到M8，使其电流增大；同时，M2电流减小〔假设任务于乙类，那么关断〕，镜像到M6的电流减小〔或关断〕，负载电流主要经过M8，即M8为负载电流的沉。Vin减小，那么情况相反。详细电路任务在甲乙类还是乙类形状，由VGG3、VGG4决议。*57王向展〔3〕甲乙类/乙类源跟随放大器〔a〕原理图〔b〕适用电路图6.26甲乙类/乙类源跟随放大器任务过程与推挽反相放大器类似。输出幅度受限：*58王向展§6.3CMOS集成运算放大器6.3.1集成运放设计的边境条件和主要目的1、边境条件工艺要求〔VT、K、COX〕电源电压和范围电源电流和范围任务温度和范围2、主要技术目的直流开环增益AV单位增益带宽GB建立时间〔SettlingTime〕转换速率〔SlewRate〕C=0℃~70℃(商业级)

I=

-20℃~+85℃(工业级)

E=-40℃~+85℃(扩展工业级)

A=-40℃~+85℃(航空级)

M=-55℃~+125℃(军品级)*59王向展共模输入范围CMR〔CommonModeInputRange〕共模抑制比CMRR(=|Avd|/|Avc|)电源抑制比PSRR输出电压摆幅输出电阻输入失调电压噪声幅员面积*60王向展运放瞬态呼应曲线表示图*61王向展a.小信号瞬态呼应曲线b.大信号瞬态呼应曲线c.建立时间曲线AD8057瞬态呼应曲线*62王向展AD8022共模输入范围输出结果参考图AD8057CMRR频率曲线*63王向展AD8057PSRR频率曲线AD8057PSRR温度曲线*64王向展AD8057幅频、相频曲线图多少个极点？*65王向展3、运放反响系统的稳定性及其补偿〔1〕反响系统稳定性要求运放实践运用时，通常是经过反响系统构成如图6.27所示的闭环回路任务，其闭环增益：L(s)=-A(s)·F(s)图6.27运放闭环任务回路式中：A(s)–运放开环电压增益。F(s)–输出经过反响回到输入的传输函数(TransferFunction)。*66王向展经过反响回到输入端的信号应满足一定的幅值和相位条件，使信号不会在环路内产生再生景象，否那么，能够使放大器输出箝位在某一电源电位上(直流再生)，或产生振荡(在某一交流频率下再生)。为保证系统稳定，应有(6.69)或(6.70)其中0o、0dB分别由以下式子确定：*67王向展而Arg[L(j0dB)]称为相位裕度，即开环相频特性曲线上与幅频特性曲线的单位增益带宽频率处对应的相位值，普通至少取45，多数情况取60。假设满足条件①(式6.69)或②(式6.70),那么该系统被以为是稳定的。波特图–根据系统零点和极点的大小来表示一个复变函数的幅值和相位的渐近特性。作图时应留意如下规那么：〔1〕在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化；而在极点频率处，其斜率按-20dB/dec变化。〔2〕对一个m的极点(零点)频率，相位约在0.1m的地方开场下降(上升)，在m处阅历-45(+45)的变化，在约10m处到达-90(+90)的变化。*68王向展〔a〕高通