模拟集成电路设计基础--课件

6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性 自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有“连续连续”的特性，都属于模拟量；的特性，都属于模拟量；被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化；预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化；经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；1PPT课件6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性在宽带、高频信号（光信号、射频信号等在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数的处理中，数字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低噪声放大、模拟滤波等）；噪声放大、模拟滤波等）；工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致；路的设计一致；数模混合的片上系统（数模混合的片上系统（SOC）的大量出现；）的大量出现；2PPT课件典型的信号处理系统的构成框图典型的信号处理系统的构成框图6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性3PPT课件 基本电流镜及比例电流源基本电流镜及比例电流源 V0支路为参考支路，为整个电路提供支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流和参考电流Ir；V1支路为镜像支路，支路为镜像支路，V1管与管与V0管的沟道宽长比相同；管的沟道宽长比相同；V2支路为比例电流支路，支路为比例电流支路，V2管与管与V0管得沟道宽长比为管得沟道宽长比为A，即：即：6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器4PPT课件 工作原理工作原理根据根据MOS管的电流方程：管的电流方程：由于个由于个MOS管的工艺参数相同，栅源电压也相同。管的工艺参数相同，栅源电压也相同。所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 基本电流镜及比例电流源基本电流镜及比例电流源5PPT课件 特点：特点：增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 共源共源共栅电流源共栅电流源6PPT课件6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器I0 工作原理工作原理该电路相当于两个镜该电路相当于两个镜像电流源的串联。如果保像电流源的串联。如果保证：证：共源共源共栅电流源共栅电流源则有：则有：，于是：于是：，可以忽略，可以忽略沟道调制效应。沟道调制效应。7PPT课件互补性互补性CMOS放大器中负载管放大器中负载管V2由由PMOS管构成，管构成，UBS2、UGS2=0，故，故RO2=rds2。由于。由于rds2很大，所以很大，所以该电路具有很高的电压增益。该电路具有很高的电压增益。为了增大增益又能避免在为了增大增益又能避免在IC中制造大的电阻，中制造大的电阻，一般在放大电路中采用有源负载。由于一般在放大电路中采用有源负载。由于NMOS管管的各项性能均优于的各项性能均优于PMOS管，所以放大管多采用管，所以放大管多采用NMOS管，负载管则可以使用管，负载管则可以使用PMOS管，从而构管，从而构成互补性成互补性CMOS放大器。放大器。6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 有源负载有源负载CMOS放大器放大器8PPT课件差动放大对管差动放大对管 电路构成电路构成上面电路中，上面电路中，V1、V2管组成差动放大对管，管组成差动放大对管，V3、V4组组成镜像电流源作为差动对管的有源负载，成镜像电流源作为差动对管的有源负载，V5、V6管组管组成比例电流源提供偏置电流。成比例电流源提供偏置电流。6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器9PPT课件 工作特性工作特性 静态输出电流静态输出电流ILQ为为0;差模增益差模增益Aud:6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器10PPT课件6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器 工作特性工作特性rds4|rds2RL时：时：即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。rds4|rds2Uref，最高位数字，最高位数字输出为输出为“1”，并以，并以2Ui与与Uref之差作为次高位的模之差作为次高位的模拟输入电压；拟输入电压；若若2UiUref，则最高位输，则最高位输出为出为“0”，并以，并以2Ui作为作为次高位的模拟输入电压；次高位的模拟输入电压；重复上述过程直至所有重复上述过程直至所有位比较完毕；位比较完毕；6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器40PPT课件DIi 电流模算法电流模算法A/D转换器电路转换器电路镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源若若D=1，V9导通，导通，Ii=2Ii-Iref若若D=0，V9截止，截止，Ii=2Ii镜像电流源镜像电流源6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器41PPT课件6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 电路特点电路特点输入输出量全是电流，具有面积小，电压低，输入输出量全是电流，具有面积小，电压低，功耗低，速度快，噪声干扰小，电路简单，功耗低，速度快，噪声干扰小，电路简单，用全用全CMOS电路实现。电路实现。42PPT课件6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 电流比较器电流比较器URO两个两个CMOS反相器反相器电流源相减电路电流源相减电路43PPT课件6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题44PPT课件6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题电流误差定义为：电流误差定义为：因为因为45PPT课件6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题解决办法：解决办法：，消除第一项误差，就要求电流源，消除第一项误差，就要求电流源MOS管尺管尺寸匹配，采用大尺寸寸匹配，采用大尺寸MOS管。管。UTH和掺杂浓度、氧化层厚度有关，这就要求有严格的和掺杂浓度、氧化层厚度有关，这就要求有严格的工艺。工艺。46PPT课件