模拟集成电路中常用的单元电路

2020/9/7 韩 良,1,第八章 模拟集成电路中 常用单元电路,2020/9/7 韩 良,2,8-1 恒流源电路,恒流源电路的基本工作原理是基于一定的参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关系的恒定电流。,恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。由于它能提供恒定的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，以便获得稳定的电路性能和大的增益。,2020/9/7 韩 良,3,思考题1. 恒流源单元电路有哪些种类？各自的特点有哪些？2. 恒流源作为有源负载有哪些特点？3. 设计恒流源时应注意哪些问题？,2020/9/7 韩 良,4,8.1.1 npn恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源,设T1和T2完全相同 则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Ic2,因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 =Io+ 2Ib2 = Io (+2)/ ,因为： 1 所以：Ir Io,Ir= (V-VBE)/Rr,2020/9/7 韩 良,5,8.1.1 npn恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源,该电路具有温度补偿作用：,温度 Io Io Ic1 Ir VR (IrRr) Vb Ib,2020/9/7 韩 良,6,8.1.1 npn恒流源电路 2. 面积比恒流源,设T1和T2发射结面积为AE1和AE2 则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2,而： Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 则:Ir =Io (AE1/AE2+AE1/AE2+1)/ 因为： 1， AE1/AE2值较小 所以：Ir IoAE1/AE2 即： Io / Ir = AE2/AE1,2020/9/7 韩 良,7,8.1.1 npn恒流源电路 3. 小电流恒流源(Widlar电流源),VBE1 = IE2R2 + VBE2 则： IE2R2 = VBE1 VBE2 = VTln(IE1/IE2),因此近似有： Io= (VT /R2 ) ln (Ir/Io) 根据已知的Ir 和需要的Io ，就可以求出要设计的R2。,其中： VT =KT/q (热电压),2020/9/7 韩 良,8,8.1.1 npn恒流源电路 4. 多支路恒流源,设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+(1+N)Ib = Io + (1+N)Io/ 即：Io / Ir = / + (1+N) 可见，支路数增加，会使Io 与 Ir的差值增大。,2020/9/7 韩 良,9,8.1.1 npn恒流源电路 5. 带有缓冲级的恒流源,V,Rr,Ir,Io,T1,T2,V,T0,设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/(+1) 而： IE0 = Ib1+Ib2 =2Ib2 =2Io/,可见，Io 与 Ir的差值明显减小。,则：Ir = Io+2Io /(+1) = Io 1+ 2/ (+1),2020/9/7 韩 良,10,8.1.1 npn恒流源电路 5. 带有缓冲级的恒流源,2020/9/7 韩 良,11,8.1.1 npn恒流源电路 6. 具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源),2020/9/7 韩 良,12,8.1.1 npn恒流源电路 6. 具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源),Io,Ir,=,2+ 2,2+2+2,2020/9/7 韩 良,13,8.1.1 npn恒流源电路 7. 版图举例,2020/9/7 韩 良,14,8.1.2 pnp恒流源电路 1. 概述,在双极型模拟集成电路中，经常是npn管和pnp管互补应用，因此pnp恒流源同样得到广泛的应用。 pnp恒流源电路形式与npn恒流源相同，只是改变电源的接法和电流方向。 值得注意的是PNP恒流源一般是由横向PNP管组成，而横向PNP管的增益（）远远小于NPN管的增益（） ，因此，PNP恒流源中Io 与 Ir的近似程度较大。,2020/9/7 韩 良,15,8.1.2 pnp恒流源电路 2. 单元电路图举例,2020/9/7 韩 良,16,8.1.2 pnp恒流源电路 2. 单元电路图举例,2020/9/7 韩 良,17,8.1.2 pnp恒流源电路 2. 单元电路图举例,2020/9/7 韩 良,18,8.1.2 pnp恒流源电路 3. 单元版图举例,2020/9/7 韩 良,19,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,2020/9/7 韩 良,20,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,上述电流源/漏需要在两方面加以改进，一是增加小信号输出电阻，二是减小VMIN的值。,有图可见，MOS只有工作在饱和区时才是一个较好的电流漏。即vOUTVGG+VTN。,2020/9/7 韩 良,21,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,2020/9/7 韩 良,22,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,2020/9/7 韩 良,23,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,2020/9/7 韩 良,24,8.1.3 MOS型恒流源电路 1. 电流漏和电流源,2020/9/7 韩 良,25,8.1.3 MOS型恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源,2020/9/7 韩 良,26,8.1.3 MOS型恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续1）,若考虑沟道调制效应，MOS管工作在饱和区电流公式为：,因此，输出电压对输出电流产生一定的影响。为减小这一影响，沟道长度应选大一些。,2020/9/7 韩 良,27,8.1.3 MOS型恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续2）,因此，沟道长度选大一些，还有利于提高输出电阻 。另外，小电流工作时输出阻抗更高。,2020/9/7 韩 良,28,8.1.3 MOS型恒流源电路 3.级联结构的恒流源,2020/9/7 韩 良,29,8.1.3 MOS型恒流源电路 3.级联结构的恒流源,由于M4屏蔽了输出电压的变化对M2的作用，使输出电流不受输出电压的影响，减小了沟道长度调制的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。 其缺点是为了使晶体管都工作在饱和区，输出电压变化范围减小了。,2020/9/7 韩 良,30,8.1.3 MOS型恒流源电路 4. Wilson(威尔逊）恒流源,该电流源的输出阻抗较高(与级联结构相似)。 该电流源具有负反馈作用，使Io 的变化能得到补偿，提高了输出电流的稳定性。 增加M3的W/L可以增强对输出电流变化的调节能力。,2020/9/7 韩 良,31,8.1.3 MOS型恒流源电路 4. Wilson(威尔逊）恒流源,Io Io I2 I1 Vds1 Vgs3,Ir恒定,2020/9/7 韩 良,32,8.1.4 恒流源作有源负载 1. 双极型电路举例,2020/9/7 韩 良,33,8.1.4 恒流源作有源负载 2. CMOS电路举例,2020/9/7 韩 良,34,8-2 单级放大器,2020/9/7 韩 良,35,8.2.1共发射极 1. 基础知识回顾,B,C,E,2020/9/7 韩 良,36,8.2.1共发射极 1. 基础知识回顾,B,C,E,C,ro,gmV1,E,B,r,+,_,V1,rex,rb,C,C,CCS,r,rc=50,20k ,5 ,300 ,2.5k ,0.4pF,5.4fF,20M ,10fF,2020/9/7 韩 良,37,8.2.1共发射极 2. 共发射极放大器,T,Vi,Vcc,Vo,Ib,Ic,Rc,2020/9/7 韩 良,38,8.2.1共发射极 3. 射极跟随器,C,ro RL,gmV1 =ii,B,r,+,_,V1,ii,+,_,vi,vo,_,+,2020/9/7 韩 良,39,8.2.1共发射极 3. 射极跟随器,2020/9/7 韩 良,40,8.2.2共源级 1. 采用电阻负载的共源级,进一步增大Vin，Vout下降更多，管子继续工作在饱和区，直到Vin= Vout+VTH，这时,减小。如果Vcc不是很小， M1饱和导通，可以得到,如果输入电压从零开始增大，M1截止，Vout=VCC，当Vin接近VTH时，M1开始导通，电流流经RD，使Vout,2020/9/7 韩 良,41,8.2.2共源级 由上式可以计算出Vin1，当Vin Vin1时， M1工作在线性区：,因为在线性区跨导会下降，通常确保管子工作在饱和区，即Vout Vin VTH。定义小信号增益,跨导,2020/9/7 韩 良,42,Vout,8.2.2共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级,2020/9/7 韩 良,43,Vout,8.2.2共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级,方法一,2020/9/7 韩 良,44,Vout,8.2.2共源级,方法二,2020/9/7 韩 良,45,8.2.2共源级,2020/9/7 韩 良,46,8.2.2共源级 3.采用电流源负载的共源级,Vout=- gm1Vin(rds1/rds2),2020/9/7 韩 良,47,8.2.2共源级 4.推挽结构,M1,Vcc,Vin,M2,Vout,Vout=- (gm1+ gm2)Vin(rds1/rds2),2020/9/7 韩 良,48,8.2.2共源级 5.源跟随器,M1,Vcc,Vin,Vout,RS,2020/9/7 韩 良,49,8.2.2共源级 5.源跟随器,M1,Vcc,Vin,Vout,RS,ro Rs ，忽略衬底效应,2020/9/7 韩 良,50,8.2.2共源级 5.带源极负反馈的共源极,M1,VDD,Vin,Vout,RS,RD,方法一,如果RS1/gm，则 ，也就是 ，这表明Vin的大部分变化落在RS上，漏电流是输入电压的线性函数。这种线性化的获得是以牺牲增益和高的噪声为代价的。,2020/9/7 韩 良,51,8.2.2共源级 5.带源极负反馈的共源极,M1,VDD,Vin,Vout,RS,RD,方法二,2020/9/7 韩 良,52,8-3 基准电压源电路,基准电压源是利用二极管的正向压降、齐纳二极管的击穿电压和热电压具有一定的固定值的特性，以及它们具有正的或负的温度系数可以相互补偿的特点来设计的。一般采用恒流源作偏置电流进一步稳定工作点。,基准电压源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。其作用是提供稳定的偏置电压或作基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定、内阻小、对电源电压和温度不敏感。,2020/9/7 韩 良,53,思考题1. 基准电压源的作用是什么？2. 基准电压源有哪些类型？各自的特点是什么？,2020/9/7 韩 良,54,8.3.1 正向二极管基准源 1. 基本原理及特点,Vref = NVF,一般用NPN管BC短接的BE结二极管。,温度系数（负温度系数）和内阻Rr都很大，与串联个数成正比。,输入电压的变化将引起输出电压的变化： Vref = ViRr /(R+Rr),可采用恒流源供电，稳定输出。,2020/9/7 韩 良,55,8.3.1 正向二极管基准源 2. 电路及版图,2020/9/7 韩 良,56,8.3.2 齐纳二极管基准源 1. 基本原理及特点,一般用NPN管BC短接的BE结反向二极管。,正温度系数和内阻Rr都很大。 BE结面击穿有先有后，随着电流增加击穿电压也增加。,输入电压的变化将引起输出电压的变化: Vref = ViRr /(R+Rr),可采用恒流源供电稳定输出。,可采用隐埋齐纳二极管。,2020/9/7 韩 良,57,8.3.2 齐纳二极管基准源 2.电路及版图,2020/9/7 韩 良,58,8.3.3具有温度补偿基准源 1.基本原理及特点,一般用NPN管BC短接的BE结二极管（一正一反）。,温度系数接近于零。内阻Rr较大。,Vref = ViRr /(R+Rr),输入电压的变化将引起输出电压的变化。,可采用恒流源供电稳定输出。,2020/9/7 韩 良,59,8.3.3具有温度补偿基准源 2.电路及版图,2020/9/7 韩 良,60,8.3.4带隙基准,1.负温度系数,研究表明，双极晶体管的基极-发射极电压，或者更一般的说，pn结二极管的正向电压，具有负温度系数。,2.正温度系数,如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，则它们的基极-发射极电压的差值与绝,2020/9/7 韩 良,61,8.3.4带隙基准,对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶体管(IS1=IS2)偏置在集电极电流分别为nI0和I0，(忽略基极电流)则,因为,所以 正温度系数,2020/9/7 韩 良,62,8.3.4带隙基准,3.带系基准,已知室温下,取a1=1， 令,2020/9/7 韩 良,63,8.3.4带隙基准,假设我们用某种方法强制VO1= VO2。 那么，VBE1=RI+VBE2 即， IR = VBE1 -VBE2,现在来实现这个电压。,2020/9/7 韩 良,64,8.3.4带隙基准,所以， VO2 = VBE2+VTlnn，这意味着如果lnn17.2， VO2就可以作为与温度无关的基准。,2020/9/7 韩 良,65,8.3.4带隙基准,上面的电路有两个问题：,放大器A1 驱动R1和R2(R1=R2)上端，使X和Y点稳定在近似相等的电压上。,下图可以解决上述问题。,2、lnn=17.2，n的值会相当大。30000000!,1、我们需要保证VO1= VO2；,2020/9/7 韩 良,66,8.3.4带隙基准,由前面的分析得 VBE1 -VBE2=VTlnn，于是右边支路的电流为VTlnn/R3，因此输出电压为,为了得到零温度系数，必须使(1+ R2/R3)lnn 17.2。如果选择n=31，则R2/R3=4。,2020/9/7 韩 良,67,8.3.5 MOS型能隙基准源,面对当今低电压大规模集成的需要，低电压低功耗带隙基准源是目前研究的一个主要发展方向。 目前在N阱CMOS工艺下设计CMOS型带隙基准源多数都要利用“寄生PNP管”和MOS管的次开启特性。实质上仍是利用VBE和VT的温度特性。,2020/9/7 韩 良,68,8.3.5 MOS型基准源电路及原理,其中VGB, VSB, VDB分别为栅极、源极和漏极对衬底的电位；m是和衬偏调制系数有关的系数；IDO称为特征电流。,设M1、M2工作于次开启，令=W/L，则有：,2020/9/7 韩 良,69,8.3.5 MOS型基准源电路及原理,1,2,e(VSB2- VSB1)/ VT,=,1,2,eVR1/VT,=,3,4,Io = (5 /4) ( VR1 /R1 ),VR1=VTln,3 2,4 1,I1,I2,=,VGB2=VGB1, VSB1=0, VGB4=VGB3, VSB4= VSB3= 0,2020/9/7 韩 良,70,8.3.5 MOS型基准源电路及原理（续1）,Io = ln,5 VT,4 R1,3 2,4 1,Vref = VBE + IoR2,由于VT具有正的温度系数， VBE具有负的温度系数。因而，只要适当调整各MOS管的W/L值及电阻值，即可得到零温度系数的参考电压，且其值恰为带隙电压。,2020/9/7 韩 良,71,8-4 差分放大器,差分放大器又称为差动放大器，是模拟集成电路中的最常用的单元电路之一。,2020/9/7 韩 良,72,思考题1. 差分放大器的优点是什么？2.改进差分放大器特性的措施有哪些？,2020/9/7 韩 良,73,差动工作方式的优点：1 抑制噪声；2 增大输出电压的摆幅。VCC-(VGS-VTH)2VCC-(VGS-VTH),差模输入电压Vd=V1-V2,共模输入电压Vc=(V1+V2)/2,2020/9/7 韩 良,74,8.4.1 双极型差分放大器 1.小信号特性,（1）输入差模信号,2020/9/7 韩 良,75,8.4.1 双极型差分放大器 1.小信号特性,Ri1d = rbb+(1+) re re Rid 2re,Ro1d = Rc/rce Rc Rod 2Rc,（1）输入差模信号,2020/9/7 韩 良,76,8.4.1 双极型差分放大器 1.小信号特性,Ri1c=rbb+(1+)(re+2RE) (1+)(re+2RE) Ric (1+)(re+2RE)/2,Ro1c=Rc/rceRc Roc2Rc,2020/9/7 韩 良,77,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,b)零输入时输出不为零，用失调表示。,实际上的差分放大器不可能完全对称，具体表现为：,a)共模输入电压增益不为零，用共模抑制比表示；,2020/9/7 韩 良,78,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（1）共模抑制比,差模信号电压增益与共模信号电压增益之比定义为共模抑制比，记为：,2020/9/7 韩 良,79,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（1）共模抑制比（续）,当电路完全对称时：KCMRR,2020/9/7 韩 良,80,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（2）失调电压及其温漂,当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出电压并不为零。要使输出电压为零，在输入端所必须加的一个补偿电压（内阻Rs=0）称为输入失调电压，记为VOS。也就是为保持输出电压为零，T1、T2管基射极偏置电压应有的差值。,2020/9/7 韩 良,81,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（2）失调电压及其温漂（续）,若忽略输入回路中基区、发射区的欧姆电阻，VOS可表示为： VOS = (VBE1-VBE2)|Vod=0,2020/9/7 韩 良,82,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（2）失调电压及其温漂（续）,VOS,T,固定的失调电压可以设法用调零装置预先调零。然而，当温度变化时，失调也随之变化，通常难以追随。单位温度变化所引起的输入失调电压的变化称为输入失调电压温漂，记为：,2020/9/7 韩 良,83,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（2）失调电压及其温漂（续）,衬底温度均匀时有：,如果衬底温度不均匀，环境温度变化时，电路两边的温度变化也不一致，将引进附加的温漂，影响较大。,2020/9/7 韩 良,84,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（3）失调电流及其温漂,当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出电压并不为零。要使输出电压为零，在输入端所必须加的一个补偿电流（内阻Rs= ）称为输入失调电流，记为IOS。也就是为保持输出电压为零，T1、T2管基极偏置电流应有的差值。,2020/9/7 韩 良,85,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（3）失调电流及其温漂（续）,IOS可表示为： IOS = (IB1-IB2)|Vod=0,其中IiB将为输入偏置电流，通常取两输入端电流的平均值。,2020/9/7 韩 良,86,8.4.1 双极型差分放大器 2.不对称性,（3）失调电流及其温漂（续）,为了直观起见，忽略电阻的不对称性，即RC = 0，则：,IOS,IOS,T,= -,T,2020/9/7 韩 良,87,8.4.1 双极型差分放大器 3.电路改善措施,a)用恒流源代替射极耦合电阻RE 既增大了等效电阻，改善了共模抑制比，又稳定了工作电流。 (单纯增加阻值，将影响工作电流)。,2020/9/7 韩 良,88,8.4.1 双极型差分放大器 3.电路改善措施,有较高的动态输出阻抗，提高增益和共模抑制比；而又具有较低的直流电阻，不需要提高工作电压即可维持正常工作电流。,b)采用有源负载代替集电极负载电阻RC,2020/9/7 韩 良,89,8.4.1 双极型差分放大器 3.电路改善措施,c)改善差分输入管特性 采用高增益晶体管、达林顿管、互补复合管、MOS管等，提高增益，提高输入阻抗。,2020/9/7 韩 良,90,8.4.1 双极型差分放大器 4.单端化结构,当输入差模信号时：,I1= - I2,当输入共模信号时，同理可得Io=0。,可见，与双端输出信号相同。,2020/9/7 韩 良,91,8.4.2 MOS型差分放大器 1. E/E NMOS结构,2020/9/7 韩 良,92,8.4.2 MOS型差分放大器 2. E/D NMOS结构,2020/9/7 韩 良,93,8.4.2 MOS型差分放大器 3. NMOS管作为输入管电阻为负载结构,Vcc,Vi1,Vi2,Vo1,Vo2,M1,M2,RD1,Iss,RD2,X,Y,2020/9/7 韩 良,94,8.4.2 MOS型差分放大器 4. NMOS管作为输入管电流源为负载,2020/9/7 韩 良,95,8.4.2 MOS型差分放大器 5. NMOS管作为输入管电流镜为负载,2020/9/7 韩 良,96,8.4.2 MOS型差分放大器 6. PMOS管作为输入管电流源为负载,2020/9/7 韩 良,97,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 1. NMOS管为输入电阻为负载,VX/Vi1=-gmRD1, VY/(-Vi1)=-gmRD1,其中Vi1和(-Vi1)表示每边的电压变化。 因此，(VX-VY)/2Vi1=gmRD,P,A 增益分析,2020/9/7 韩 良,98,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 1. NMOS管为输入电阻为负载,由于为电流源的存在，不论输入共模电平Vin，CM如何变化，流过每个支路的电流都为ISS的一半，因此X,Y点的电压不变，也就是电路不会对共模电平Vin，CM放大。,P,Vin,CM,B 共摸响应,Vcc,2020/9/7 韩 良,99,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 1. NMOS管为输入电阻为负载,将MOS管的电阻等效为RSS，当Vin，CM改变时，VP也变化，因此，使M1和M2的漏极电流同相变化，VX和VY随之反相变化，但由于电路的对称性， VX和VY仍相等，因此，这两个点可以短路在一起。,B 共摸响应,2020/9/7 韩 良,100,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 1. NMOS管为输入电阻为负载,B 共摸响应,由于M1和M2”并联”，可以简化为,M1+M2的宽为单个管子的2倍，偏置电流也增加两倍，其跨导同样增加为单管的两倍。,2020/9/7 韩 良,101,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 2. NMOS管作为输入管电流镜为负载,2020/9/7 韩 良,102,我们来计算增益|Av|，将其写成|Av|=GmRout。,P点虚地，ID1=|ID3| =|ID4|=gm1,2Vi/2, ID2=- gm1,2Vi/2，得到Iout=- gm1,2Vi，从而，|Gm|= gm1,2 该电路的小信号模型见下图。,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 2. NMOS管作为输入管电流镜为负载,2020/9/7 韩 良,103,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 2. NMOS管作为输入管电流镜为负载,2020/9/7 韩 良,104,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 3. NMOS管作为输入管电流源为负载,2020/9/7 韩 良,105,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 3. NMOS管作为输入管电流源为负载,P,暂时不考虑左边的电路。,由于P点的电位不变，P点可以认为是“交流地”，从而整个电路可以分成两个独立的部分，即所谓的“半边电路概念”。,2020/9/7 韩 良,106,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 3. NMOS管作为输入管电流源为负载,交流小信号Vb接地，故Vgs3=0。,单边小信号 等效电路,于是Av=gm1(rds1/rds3),2020/9/7 韩 良,107,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 3. NMOS管作为输入管电流源为负载,共模反馈,P,由于M3, M4,和M5的电流分别由M7和M6确定，而I3+I4 有可能不严格地等于I5。电流大的会进入线性区。,2020/9/7 韩 良,108,8.4.3 MOS型差分放大器分析举例 3. NMOS管作为输入管电流源为负载,共模反馈,电阻值需要很大，占面积。,2020/9/7 韩 良,109,8.4.4 差分放大器设计举例,1. 差动放大器的性能指标,小信号增益Av 给定负载电容时的频率响应-3dB 输入共模范围(ICMR) 或最大输入共模电压VIC(最大)，最小输入共模电压VIC(最小) 给定输出电容时的摆率SR 功耗Pdiss,2020/9/7 韩 良,110,8.4.4 差分放大器设计举例,1. 差动放大器的性能指标,Av=gm1Rout -3dB=1/(RoutCL) VIC(最大)=VDD-VSG3+VTN1 VIC(最小)=VDS5(饱和)+VSG1=VDS5(饱和)+VSG2 SR=I5/CL Pdiss=(VDD+|VSS|)I5= (VDD+|VSS|)(I3+I4),以图A为例,图A,2020/9/7 韩 良,111,8.4.4 差分放大器设计举例,2.设计流程,在已知Pdiss或CL的前提下选择I5来满足摆率 检查Rout是否满足频率响应 设计W3/L3(W4/L4)来满足ICMR的上限 设计W1/L1(W2/L2)来满足小信号增益Av 设计W5/L5来满足ICMR的下限 重复必要的步骤,2020/9/7 韩 良,112,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,设计图A所示电流镜负载差分放大器的电流和宽长比以满足下列指标： VDD=-VSS=2.5V， SR10V/s(CL=5pf), f-3dB100KHz(CL=5pF), Av=100V/V, -1.5VICMR2V, Pdiss1mW。 可用模型参数：K/N=110A/V2 , K/P=50A/V2 , VTN=0.7V, VTP=-0.7V, N=0.04V-1和P=0.05V-1。,2020/9/7 韩 良,113,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,解：,2. 2f= -3dB=1/(RoutCL)， f=1/(2RoutCL)， f-3dB100kHz，意味着Rout318k。Rout可表示为：Rout= 318k。 由此得出I570A, 因此，我们选择I5=100A。,1.为了满足摆率(SR=I5/CL)，I550A。对于最大的Pdiss =(VDD+|VSS|)I5, I5200A。,2020/9/7 韩 良,114,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,3.最大输入共模电压为： VSG3=VDD-VIC(最大)+VTN1=2.5-2+0.7=1.2V,解：,因此，我们可写出：,解出 W3/L3 得：,2020/9/7 韩 良,115,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,4. 由小信号增益指标得出：,解：,解出W1/L1得：,2020/9/7 韩 良,116,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,5. 由最小输入共模电压得出： VDS5(饱和)=VIC(最小)-VSS-VGS1,解：,从VDS5(饱和)得出W5/L5的值：,2020/9/7 韩 良,117,8.4.4 差分放大器设计举例,3. 举例,我们应该稍微增加一点W1/L1来减小VGS1，从而得到一个更小的W5/L5。因此，选择W1/L1(W2/L2)=25，使得W5/L5=12.3。小信号增益将增加到111.1V/V。,2020/9/7 韩 良,118,8.4.5 集成差分放大器的特点,影响差分放大器性能的关键因素就是不对称性，包括电阻、晶体管等器件参数的差异，由此引起放大器的输入失调及其温漂。而集成电路的最大优点就是相关器件的匹配性能好，原因是所有器件都在同一芯片中，可以做到工艺离散性小，环境差异小。因而集成差分放大器的对称性好。,2020/9/7 韩 良,119,8-5 模拟开关电路,模拟开关在模拟集成电路中应用很广，如A/D转换器、D/A转换器、取样保持电路、电容开关滤波器、多路开关电路等。,2020/9/7 韩 良,120,思考题1. 模拟开关的特点是什么？2. 模拟开关有哪些种类？3. 什么叫“电容馈通效应”？ ？,2020/9/7 韩 良,121,8.5.1 模拟开关电路的特点,模拟开关是用来控制模拟信号传输的一种电子开关，其本身是由数字信号控制而呈现“接通”或“断开”两种状态，以使信号“通过”或“阻断”。 通常要求其导通电阻小、截止电阻大、速度快、精度高、稳定性好。 这种电子开关比机械触点开关寿命长、速度快、使用方便。,2020/9/7 韩 良,122,8.5.2 模拟开关电路的分类,组成模拟开关的器件可以是双极晶体管或MOS管。 根据开关切换的对象是电流还是电压，可以把模拟开关分为电流开关型和电压开关型。 在电流开关中，流过开关的电流总是和被切换的电流相等； 在电压开关中，输出的电压总是和被切换的电压有关。,2020/9/7 韩 良,123,8.5.3 双极型模拟开关1. 基本型电流开关,当V控为低电平时， D2截止，则经T管及网络电阻RE的电流ic由下一级电路通过Rf 和导通的D1提供，流经运放，参与运算，此时为“接通”状态。,2020/9/7 韩 良,124,8.5.3 双极型模拟开关1. 基本型电流开关（续）,当V控为高电平时， D2导通，使VA抬高， D1截止。则经T管及网络电阻RE的电流ic由V控提供，而不流经运放，此时为“断开”状态。,2020/9/7 韩 良,125,8.5.3 双极型模拟开关1. 基本型电流开关（续）,被切换电流：,2020/9/7 韩 良,126,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,V控为低电平时， T2导通， VA升高， T5导通， T6截止， ic= 0，网络电阻RE的电流由T5提供，不参与运算。,2020/9/7 韩 良,127,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,V控为高电平时， T2截止， VA下降， T5截止， T6导通， ic流经运放参与运算。,2020/9/7 韩 良,128,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,特点一： T1 、T2为横向PNP管，BE结击穿电压较高，允许输入较大幅度的数字控制信号。,2020/9/7 韩 良,129,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,特点二： 控制信号V控与流经网络电阻RE的电流（权电流）是相互隔离的，使V控的变化对权电流几乎没有影响。,2020/9/7 韩 良,130,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,特点三： 肖特基二极管的箝位作用限制了VA变化幅度，提高了开关响应时间。,2020/9/7 韩 良,131,8.5.3 双极型模拟开关2.差分控制ECL电流开关,特点四： T3、 T4组成的电流镜完成了单端化作用，从而缩短了瞬态转换时间。,2020/9/7 韩 良,132,8.5.3 双极型模拟开关3.互补型电压开关,当V控为高电平时， T1截止， VA、 VB降低，使T3 管饱和导通， T2截止，输出电压VS约为-Vref 。,当V控为低电平时， T1导通， VA、 VB升高，使T2 管饱和导通， T3截止，输出电压VS约为0V 。,2020/9/7 韩 良,133,8.5.3 双极型模拟开关3.互补型电压开关,特点： T2 、T3是接成共集电极状态，称为反接状态，其饱和压降比正接状态的小得多，有利于提高开关精度。,2020/9/7 韩 良,134,8.5.4 MOS型模拟开关1.MOS型开关的特点,a)是理想的电压开关: 当MOS管非饱和导通时，源极与漏极间不存在固有的直流失调电压，这是因为它没有向双极器件那样的结电压，其漏极伏安特性都精确地经过原点。,b)是理想的电流开关:MOS作为开关控制的栅极与信号回路是电隔离的，它们之间无直流通过。,c)是理想的双向开关:MOS正向和反向工作具有相同的性能，漏特性相对原点是对称的。,2020/9/7 韩 良,135,8.5.4 MOS型模拟开关2.导通电阻,a)NMOS单沟模拟开关:,IDS= Kn2(VGS-VTn) VDS-VDS2,2020/9/7 韩 良,136,8.5.4 MOS型模拟开关2.导通电阻,b)PMOS单沟模拟开关:,IDS= Kp2(|VGS|-|VTp|) |VDS|-VDS2,2020/9/7 韩 良,137,8.5.4 MOS型模拟开关2.导通电阻,ron,Vi,ronn,ronp,VDD-VTn,|VTp|,2020/9/7 韩 良,138,8.5.4 MOS型模拟开关3.寄生电容,（1）电容馈通效应,模拟开关最严重的限制之一就是时钟馈通效应(也称作电荷注入或电荷馈通)。,时钟馈通是由于栅到源和漏的寄生电容(Cgs，Cgd)引起的。栅控脉冲信号会耦合到模拟开关的输入和输出端，从而造成对模拟信号的干扰。,2020/9/7 韩 良,139,8.5.4 MOS型模拟开关3.寄生电容,（1）电容馈通效应,电荷注入涉及一个复杂的过程，引起的影响取决于注入晶体管的版图、尺寸、源极和漏极节点的阻抗和栅基的波形等一系列因素。,2020/9/7 韩 良,140,8.5.4 MOS型模拟开关3.寄生电容,减小器件尺寸可以减小寄生电容，减小干扰，但是，模拟开关的导通电阻也随之增加。,（2）电荷抵消技术 MB 为“虚开关”，其尺寸与开关管MA相当。 MB栅上加的脉冲信号与MA栅上加的脉冲信号反相，因此，两个脉冲信号所引起的干扰得到平衡，减小了干扰。,2020/9/7 韩 良,141,8-6 开关电容等效电阻电路,在模拟集成电路中经常需要大阻值的电阻，而且对阻值的精度要求较高，若采用常规方法制作，不但占用面积大，精度也难以保证。一般可采用MOS开关和MOS电容组成的开关电容等效电阻电路来实现。,2020/9/7 韩 良,142,思考题1. 开关电容等效电阻电路的结构有哪几种？2.开关电容等效电阻电路的特点是什么？有哪些典型应用？,2020/9/7 韩 良,143,8.6.1 并联型开关电容等效电阻电路 1.电路结构,2020/9/7 韩 良,144,8.6.1 并联型开关电容等效电阻电路 2.工作原理,当为高电平时，M1导通，M2截止，电压V1通过M1向电容C1充电，电容C1存储电荷Q1 = C1V1 ; 当为低电平时，M1截止， M2导通，电容C1通过M2向负载放电形成电压V2，电容C1存储电荷Q2 = C1V2 ;,2020/9/7 韩 良,145,8.6.1 并联型开关电容等效电阻电路 2.工作原理（续）,2020/9/7 韩 良,146,8.6.1 并联型开关电容等效电阻电路 3.特点,当电容C1固定时，改变控制时钟频率c ，就可以调节等效电阻Reff的大小。 同时，只要精确控制时钟频率c和电容C1的数值，就可以得到精确的等效电阻Reff 。,2020/9/7 韩 良,147,8.6.1 并联型开关电容等效电阻电路 3.特点（续）,2020/9/7 韩 良,148,8.6.2 串联型开关电容等效电阻电路,当为高电平时，M1导通，M2截止，电压V1通过M1向电容C1充电， 电容C1存储电荷Q1 = C1 (V1 -V2 ); 当为低电平时，M1截止， M2导通，电容C1通过M2放电，电容C1存储电荷Q2 = 0;,2020/9/7 韩 良,149,8.6.2 串联型开关电容等效电阻电路（续）,2020/9/7 韩 良,150,8.6.3 开关电容等效电阻电路的应用,对某些电路，只要求回路的RC时间常数，这时有：,可见，时间常数只取决于时钟频率和两个电容的比值，是比较容易精确控制的。,由于开关电容电路易于实现稳定、准确的时间常数，因此MOS开关电容电路得到了广泛的应用。,2020/9/7 韩 良,151,8.6.3 开关电容等效电阻电路的应用 1. 开关电容积分器,2020/9/7 韩 良,152,8.6.3 开关电容等效电阻电路的应用2. 开关电容滤波器,