第8章模拟集成电路中常用的单元电路教学课件

国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8-1 恒流源电路恒流源电路 恒流源电路的基本工作原理是基于一定的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。系的恒定电流。恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、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，的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供常常用于提供稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，以便以便获得稳定的电路性能和大的增益。获得稳定的电路性能和大的增益。7/12/20241国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 思考题思考题1.恒流源单元电路有哪些种类恒流源单元电路有哪些种类？各自的特？各自的特点有哪些？点有哪些？2.恒流源作为有源负载有哪些特点？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？设计恒流源时应注意哪些问题？7/12/20242国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1.基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源设设T1和和T2完全相同完全相同 则：则：Ib1/Ib2=Ic1/Ic2 因此：因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2=Io+2Ib2 =Io(+2)/VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因为：因为：1所以：所以：Ir IoIr=(V-VBE)/Rr7/12/20243国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1.基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源 该电路具有温度补偿作用：该电路具有温度补偿作用：温度温度 Io Io Ic1 Ir VR(IrRr)Vb IbVRrIrIoT1T2Ib1Ib27/12/20244国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 2.面积比面积比恒流源恒流源设设T1和和T2发射结面积为发射结面积为AE1和和AE2 则：则：Ib1/Ib2=Ic1/Io=AE1/AE2 而：而：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 则则:Ir=Io(AE1/AE2+AE1/AE2+1)/因为：因为：1，AE1/AE2值较小值较小所以：所以：Ir IoAE1/AE2即：即：Io/Ir=AE2/AE1VRrIrIoT1T2Ib1Ib27/12/20245国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 3.小电流小电流恒流源恒流源(Widlar电流源电流源)Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2 VBE1=IE2R2+VBE2 则：则：IE2R2=VBE1 VBE2 =VTln(IE1/IE2)因此近似有：因此近似有：Io=(VT/R2)ln(Ir/Io)根据已知的根据已知的Ir 和需要的和需要的Io，就可以求出要设计的就可以求出要设计的R2。其中：其中：VT=KT/q (热电压热电压)7/12/20246国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 4.多支路多支路恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+(1+N)Ib =Io+(1+N)Io/即：即：Io/Ir=/+(1+N)可见，支路数增加，可见，支路数增加，会使会使Io 与与 Ir的差值增大。的差值增大。7/12/20247国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5.带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIoT1T2VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+Ib0 =Io+IE0/(+1)而：而：IE0=Ib1+Ib2=2Ib2 =2Io/可见，可见，Io 与与 Ir的差值明显减小。的差值明显减小。则：则：Ir=Io+2Io/(+1)=Io 1+2/(+1)7/12/20248国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5.带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则：Ir=Ic1+Ib0 =Io+IE0/(+1)而：而：IE0=(1+N)Io/可见，可见，Io 与与 Ir的的差值明显减小。差值明显减小。则：则：IoIr=2+2+N+17/12/20249国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6.具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic27/12/202410国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6.具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2IoIr=2+2 2+2+2 这种电流源不仅使这种电流源不仅使Io 与与 Ir的差的差值非常小，而且还具有负反馈补值非常小，而且还具有负反馈补偿特性，更有利于工作点的稳定。偿特性，更有利于工作点的稳定。补偿过程补偿过程:当由于某种原因使当由于某种原因使Io增增大，则大，则Ie3 Ic2 Ic1。而。而Ir=Ic1+Ib3不变，则不变，则Ic1 Ib3 Io 。7/12/202411国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 7.版图举例版图举例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo7/12/202412国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 1.概述概述 在双极型模拟集成电路中，经常是在双极型模拟集成电路中，经常是npn管管和和pnp管互补应用，因此管互补应用，因此pnp恒流源同样得到恒流源同样得到广泛的应用。广泛的应用。pnp恒流源电路形式与恒流源电路形式与npn恒流源相同，恒流源相同，只是改变电源的接法和电流方向。只是改变电源的接法和电流方向。值得注意的是值得注意的是PNP恒流源一般是由横向恒流源一般是由横向PNP管组成，而横向管组成，而横向PNP管的增益（管的增益（）远远）远远小于小于NPN管的增益（管的增益（），因此，因此，PNP恒流恒流源中源中Io 与与 Ir的近似程度较大。的近似程度较大。7/12/202413国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2.单元电路图举例单元电路图举例7/12/202414国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2.单元电路图举例单元电路图举例IrIo1T1T2RrVDD7/12/202415国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2.单元电路图举例单元电路图举例IrIo1T1T2RrT3VDD7/12/202416国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 3.单元版图举例单元版图举例7/12/202417国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源7/12/202418国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源 上述电流源上述电流源/漏需要在两方面加以改进，一漏需要在两方面加以改进，一是增加小信号输出电阻，二是减小是增加小信号输出电阻，二是减小VMIN的值。的值。有图可见，有图可见，MOS只有工作在饱和区时才是只有工作在饱和区时才是一个较好的电流漏。即一个较好的电流漏。即vOUTVGG+VTN。7/12/202419国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源7/12/202420国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源7/12/202421国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源7/12/202422国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1.电流漏和电流源电流漏和电流源7/12/202423国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2.基本电流镜恒流源基本电流镜恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 只要使只要使MOS管都工作在饱管都工作在饱和区和区(忽略沟道长度调制），忽略沟道长度调制），由：由：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2=:WL)1(WL)2(WL)3(得：得：Ir一定，一定，Io与输出端电压无关。与输出端电压无关。如沟道长度取一定值，则取如沟道长度取一定值，则取决于沟道宽度之比。决于沟道宽度之比。7/12/202424国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2.基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 若考虑沟道调制效应，若考虑沟道调制效应，MOS管工作在饱和区电流公式为：管工作在饱和区电流公式为：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+VDS)其中沟道调制系数：其中沟道调制系数：=L1 因此，输出电压对输出电因此，输出电压对输出电流产生一定的影响。为减小这流产生一定的影响。为减小这一影响，沟道长度应选大一些。一影响，沟道长度应选大一些。7/12/202425国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2.基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续2）因此，沟道长度选大一因此，沟道长度选大一些，还有利于提高输出电阻些，还有利于提高输出电阻。另外，小电流工作时输出。另外，小电流工作时输出阻抗更高。阻抗更高。M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 电流源输出电阻电流源输出电阻(MOS管饱和导通电阻管饱和导通电阻)：rds=IDS1IDSL7/12/202426国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3.级联结构的恒流源级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC nCox2IDS1=WL(VGS-VT)2(1+VDS1)()1 nCox2IDS2=WL(VGS-VT)2(1+VDS2)()2IDS1IDS2=IrI0=WL()1WL()2(1+VDS1)(1+VDS2)需保证需保证 VGS3=VGS47/12/202427国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3.级联结构的恒流源级联结构的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC 由于由于M4屏蔽了输屏蔽了输出电压的变化对出电压的变化对M2的的作用，使输出电流不作用，使输出电流不受输出电压的影响，受输出电压的影响，减小了沟道长度调制减小了沟道长度调制的影响，同时也大幅的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。度提高了输出阻抗。其缺点是为了使其缺点是为了使晶体管都工作在饱和晶体管都工作在饱和区，输出电压变化范区，输出电压变化范围减小了。围减小了。7/12/202428国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4.Wilson(威尔逊）恒流源威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc 该电流源的输出阻抗该电流源的输出阻抗较高较高(与级联结构相似与级联结构相似)。该电流源具有负反馈该电流源具有负反馈作用，使作用，使Io 的变化能得到的变化能得到补偿，提高了输出电流的补偿，提高了输出电流的稳定性。稳定性。增加增加M3的的W/L可以增可以增强对输出电流变化的调节强对输出电流变化的调节能力。能力。7/12/202429国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4.Wilson(威尔逊）恒流源威尔逊）恒流源M1M2IrIoM3 Io Io I2 I1 Vds1 Vgs3Ir恒定恒定7/12/202430国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 1.双极型电路举例双极型电路举例放大放大器件器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大放大器件器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo7/12/202431国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 2.CMOS电路举例电路举例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大放大器件器件放大放大器件器件7/12/202432国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8-2 单级放大器单级放大器 7/12/202433国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.1共发射极共发射极 1.基础知识回顾基础知识回顾BCECbCrogmV1EBr+_V17/12/202434国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.1共发射极共发射极 1.基础知识回顾基础知识回顾BCECrogmV1EBr+_V1rexrbCCCCSrrc=5020k 5 300 2.5k 0.4pF5.4fF20M 10fF7/12/202435国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.1共发射极共发射极 2.共发射极放大器共发射极放大器TViVccVoIbIcRcCro RcgmV1Br+_V1ioii+_vivo+_7/12/202436国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.1共发射极共发射极 3.射极跟随器射极跟随器TViVccVoIiIoRLCro RLgmV1=iiBr+_V1ii+_vivo_+7/12/202437国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.1共发射极共发射极 3.射极跟随器射极跟随器7/12/202438国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 1.采用电阻负载的共源级采用电阻负载的共源级M1VccVinVoutRD 进一步增大进一步增大Vin，Vout下降更多，管子下降更多，管子继续工作在饱和区，直到继续工作在饱和区，直到Vin=Vout+VTH，这时这时 减小。如果减小。如果Vcc不是很小，不是很小，M1饱和饱和导通，可以得到导通，可以得到 如果输入电压从零开始增大，如果输入电压从零开始增大，M1截止，截止，Vout=VCC，当，当Vin接近接近VTH时，时，M1开始导通，电流流经开始导通，电流流经RD，使，使Vout7/12/202439国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 由上式可以计算出由上式可以计算出Vin1，当，当Vin Vin1时，时，M1工作在工作在线性区：线性区：M1VccVinVoutRD 因为在线性区跨导会下降，通常确保因为在线性区跨导会下降，通常确保管子工作在管子工作在饱和区饱和区，即，即Vout Vin VTH。定。定义小信号增益义小信号增益跨导跨导7/12/202440国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理Vout 8.2.2共源级共源级 2.采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级M1VccVinM27/12/202441国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理Vout 8.2.2共源级共源级 2.采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级M1VccVinM2方法一方法一7/12/202442国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理Vout 8.2.2共源级共源级 M1VccVinM2gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vout+_方法二方法二7/12/202443国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 7/12/202444国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 3.采用电流源负载的共源级采用电流源负载的共源级M1VccVinM2VbVoutgm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_简化简化Vout=-gm1Vin(rds1/rds2)gm1VinVinVoutrds1rds2+_7/12/202445国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 4.推挽结构推挽结构M1VccVinM2Voutgm1VinVinVoutrds1rds2 gm2Vin+_Vout=-(gm1+gm2)Vin(rds1/rds2)gm1VinVinVoutrds1rds2+_gm2Vin简化简化7/12/202446国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 5.源跟随器源跟随器 简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_7/12/202447国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 5.源跟随器源跟随器 简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_ro Rs，忽略衬底效应7/12/202448国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRD方法一方法一如果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。7/12/202449国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRD方法二方法二gm1VgsVinVoutroRs+_7/12/202450国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8-3 基准电压源电路基准电压源电路 基准电压源是利用二极管的正向压降、齐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。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、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。对电源电压和温度不敏感。7/12/202451国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 思考题思考题1.基准电压源的作用是什么基准电压源的作用是什么？2.基准电压源有哪些类型？各自的特点是基准电压源有哪些类型？各自的特点是什么？什么？7/12/202452国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 1.基本原理及特点基本原理及特点ViVrefN个个RVref=NVF 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结二极管。结二极管。温度系数（温度系数（负温度系数负温度系数）和内阻）和内阻Rr都很大，与串联个数成正比。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输入电压的变化将引起输出电压的变化：变化：Vref=ViRr/(R+Rr)可采用恒流源供电，稳定输出。可采用恒流源供电，稳定输出。7/12/202453国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 2.电路及版图电路及版图VrefGNDVDDViVrefViVref7/12/202454国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 1.基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结反结反向二极管。向二极管。正温度系数正温度系数和和内阻内阻Rr都很大。都很大。BE结面击穿有先有后，随着电流增结面击穿有先有后，随着电流增加击穿电压也增加。加击穿电压也增加。输入电压的变化将引起输出电输入电压的变化将引起输出电压的变化压的变化:Vref=ViRr/(R+Rr)可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。可采用隐埋齐纳二极管。可采用隐埋齐纳二极管。Vref=VRViVrefRVR7/12/202455国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD7/12/202456国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 1.基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结结二极管（一正一反）。二极管（一正一反）。温度系数接近于零。内阻温度系数接近于零。内阻Rr较大。较大。Vref=ViRr/(R+Rr)输入电压的变化将引起输出电压输入电压的变化将引起输出电压的变化。的变化。可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。Vref=VF+VRViVrefRVFVR7/12/202457国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD7/12/202458国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准 1.负温度系数负温度系数 研究表明，双极晶体管的基极研究表明，双极晶体管的基极-发射极电压，发射极电压，或者更一般的说，或者更一般的说，pn结二极管的正向电压，具结二极管的正向电压，具有负温度系数。有负温度系数。2.正温度系数正温度系数 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，则它们的基极密度下，则它们的基极-发射极电压的差值与绝发射极电压的差值与绝7/12/202459国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶体管体管(IS1=IS2)偏置在集电极电流分别为偏置在集电极电流分别为nI0和和I0，(忽略基极电流忽略基极电流)则则nI0I0Q1Q2VDD+-因为因为所以所以 正温度系数正温度系数7/12/202460国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准 3.带系基准带系基准 如果令如果令 VREF=a1VBE+a2VBE=a1VBE+a2(VTlnn)已知室温下室温下 取取a1=1，令令得得VREF VBE+17.2VT1.25V7/12/202461国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准 假设我们用某种方法强制假设我们用某种方法强制VO1=VO2。那么，那么，VBE1=RI+VBE2 即，即，IR=VBE1-VBE2 现在来实现这个电压。现在来实现这个电压。IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2 晶体管晶体管Q2是有是有n个并列的单元组成，而个并列的单元组成，而Q1是一个晶体管单元。是一个晶体管单元。7/12/202462国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准 所以，所以，VO2=VBE2+VTlnn，这意味着如果这意味着如果lnn17.2，VO2就可以作为与温度无关的就可以作为与温度无关的基准。基准。IIQ1VDDQ2AnARVO1VO27/12/202463国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准 上面的电路有两个问题：上面的电路有两个问题：放大器放大器A1 驱动驱动R1和和R2(R1=R2)上端，使上端，使X和和Y点稳定在近似相点稳定在近似相等的电压上。等的电压上。下图可以解决上述问题。下图可以解决上述问题。Q1Q2AnAR3XYR2R1-+Vout_A1 2、lnn=17.2，n的值会相当大。的值会相当大。30000000!1、我们需要保证、我们需要保证VO1=VO2；7/12/202464国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.4带隙基准带隙基准由前面的分析得由前面的分析得 VBE1-VBE2=VTlnn，于是右边，于是右边支路的电流为支路的电流为VTlnn/R3，因此输出电压为，因此输出电压为 为了得到零温度系数，为了得到零温度系数，必须使必须使(1+R2/R3)lnn 17.2。如果选择。如果选择n=31，则则R2/R3=4。Q1Q2AnAR3XYR2R1-+Vout_A17/12/202465国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.5 MOS型能隙基准源型能隙基准源 面对当今低电压大规模集成的需要，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。一个主要发展方向。目前在目前在N阱阱CMOS工艺下设计工艺下设计CMOS型带隙基准源多数都要利用型带隙基准源多数都要利用“寄生寄生PNP管管”和和MOS管的次开启特性。实质上仍是利管的次开启特性。实质上仍是利用用VBE和和VT的温度特性。的温度特性。7/12/202466国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ()ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL其中其中VGB,VSB,VDB分别分别为栅极、源极和漏极对为栅极、源极和漏极对衬底的电位；衬底的电位；m是和衬是和衬偏调制系数有关的系数；偏调制系数有关的系数；IDO称为特征电流。称为特征电流。设设M1、M2工作于次工作于次开启，令开启，令=W/L，则有：，则有：7/12/202467国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ()ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL 1 2e(VSB2-VSB1)/VT=1 2eVR1/VT=3 4Io=(5/4)(VR1/R1)VR1=VTln 3 2 4 1I1I2=VGB2=VGB1,VSB1=0,VGB4=VGB3,VSB4=VSB3=0,7/12/202468国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理（续（续1）Io=ln 5 VT 4 R1 3 2 4 1Vref=VBE+IoR2 由由于于VT具具有有正正的的温温度度系系数数，VBE具具有有负负的的温温度度系系数数。因因而而，只只要要适适当当调调整整各各MOS管管的的W/L值值及及电电阻阻值值，即即可可得得到到零零温温度度系系数数的的参参考考电电压压，且且 其其 值值 恰恰 为为 带带 隙隙 电电 压压。M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I47/12/202469国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8-4 差分放大器差分放大器 差分放大器又称为差动放大器，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是模拟集成电路中的最常用的单元电路之一。路之一。7/12/202470国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 思考题思考题1.差分放大器的优点是什么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？改进差分放大器特性的措施有哪些？7/12/202471国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理差动工作方式的优点：差动工作方式的优点：1 抑制噪声；抑制噪声；2 增大输出电压的摆幅。增大输出电压的摆幅。VCC-(VGS-VTH)2VCC-(VGS-VTH)M1VccVinVXRDM1V1VXRDM1VccV2VYRD差模输入电压差模输入电压Vd=V1-V2共模输入电压共模输入电压Vc=(V1+V2)/27/12/202472国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RERC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB（1）输入差模信号）输入差模信号7/12/202473国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性Ri1d=rbb+(1+)re re Rid 2 re Ro1d=Rc/rce Rc Rod 2RcKv1d=-=-o1d id o1d2 i1d Ro1d2Ri1dRc2reKvd=-od id2 o1d2 i1dRcre 差模放大倍数差模放大倍数（1）输入差模信号）输入差模信号RC1RC2 od id+rberbe+_iB iB iB7/12/202474国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 1.小信号特性小信号特性Ri1c=rbb+(1+)(re+2RE)(1+)(re+2RE)Ric (1+)(re+2RE)/2Ro1c=Rc/rce Rc Roc 2Rc o1c o1cKv1c=-ic i1c Rc(1+)(re+2RE)Kvc=0 oc icVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE（2）输入共模信号）输入共模信号 ic+_共模放大倍数共模放大倍数7/12/202475国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性 b)零输入时输出零输入时输出不为零，用失调表示。不为零，用失调表示。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE 实际上的差分放实际上的差分放大器不可能完全对称，大器不可能完全对称，具体表现为：具体表现为：a)共模输入电压共模输入电压增益不为零，用共模增益不为零，用共模抑制比表示；抑制比表示；7/12/202476国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（1）共模抑制比）共模抑制比 差模信号电压增益与共模差模信号电压增益与共模信号电压增益之比定义为共模信号电压增益之比定义为共模抑制比，记为：抑制比，记为：KCMRR=KvdKvc或：或：KCMRR=20lgKvdKvc(dB)VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202477国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（1）共模抑制比（续）共模抑制比（续）Kc -2RERc 22RERc Rc +re不对称时：不对称时：Kc=Kvc2-Kvc1 因此有：因此有：KCMRR=2REre 22RERc Rc +re-1当电路完全对称时：当电路完全对称时：KCMRR VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202478国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂 当差分放大器的输入信号为当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出零时，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零，在输入端所必须加的一个补偿电压（内阻偿电压（内阻Rs=0）称为输入失）称为输入失调电压，记为调电压，记为VOS。也就是为保。也就是为保持输出电压为零，持输出电压为零，T1、T2管基射管基射极偏置电压应有的差值。极偏置电压应有的差值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202479国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续）若忽略输入回路中基区、若忽略输入回路中基区、发射区的欧姆电阻，发射区的欧姆电阻，VOS可表可表示为：示为：VOS=(VBE1-VBE2)|Vod=0VOS VT +2 RCRC IESIESVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202480国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续）VOS T 固定的失调电压可以设法固定的失调电压可以设法用调零装置预先调零。然而，用调零装置预先调零。然而，当温度变化时，失调也随之当温度变化时，失调也随之变化，通常难以追随。单位变化，通常难以追随。单位温度变化所引起的输入失调温度变化所引起的输入失调电压的变化称为输入失调电电压的变化称为输入失调电压温漂，记为：压温漂，记为：VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202481国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（2）失调电压及其温漂失调电压及其温漂（续）（续）衬底温度均匀时有：衬底温度均匀时有：VOS TVOST 如果衬底温度不均匀，如果衬底温度不均匀，环境温度变化时，电路两边环境温度变化时，电路两边的温度变化也不一致，将引的温度变化也不一致，将引进附加的温漂，影响较大。进附加的温漂，影响较大。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202482国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（3）失调电流及其温漂失调电流及其温漂 当差分放大器的输入信号为当差分放大器的输入信号为零时，由于电路的不对称，输出零时，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零，在输入端所必须加的一个补偿电流（内阻偿电流（内阻Rs=）称为输入）称为输入失调电流，记为失调电流，记为IOS。也就是为保。也就是为保持输出电压为零，持输出电压为零，T1、T2管基极管基极偏置电流应有的差值。偏置电流应有的差值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202483国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（3）失调电流及其温漂失调电流及其温漂（续）（续）IOS可表示为：可表示为：IOS=(IB1-IB2)|Vod=0IOS IiB +RCRC 其中其中IiB将为输入偏置电流，将为输入偏置电流，通常取两输入端电流的平均值。通常取两输入端电流的平均值。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202484国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 2.不对称性不对称性（3）失调电流及其温漂失调电流及其温漂（续）（续）IOS T 单位温度变化所引起的输入单位温度变化所引起的输入失调电流的变化称为输入失调电失调电流的变化称为输入失调电压温漂，记为：压温漂，记为：为了直观起见，忽略电阻为了直观起见，忽略电阻的不对称性，即的不对称性，即 RC=0，则：则：IOS IOS T=-TVccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2RE7/12/202485国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施a)用恒流源代替射极耦用恒流源代替射极耦合电阻合电阻RE 既增大了等效电阻，既增大了等效电阻，改善了共模抑制比，又改善了共模抑制比，又稳定了工作电流。稳定了工作电流。(单纯增加阻值，单纯增加阻值，将影响工作电流将影响工作电流)。VccRC1T2T1RC2 o1 o2 i1 i2T4IrIeT37/12/202486国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施 有较高的动态输出有较高的动态输出阻抗，提高增益和共模阻抗，提高增益和共模抑制比；而又具有较低抑制比；而又具有较低的直流电阻，不需要提的直流电阻，不需要提高工作电压即可维持正高工作电压即可维持正常工作电流。常工作电流。T2T1 o2 i1 i2T3T4VCCIeT5T6IrT4 o1 b)采用有源负载代替集采用有源负载代替集电极负载电阻电极负载电阻RC 7/12/202487国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 3.电路改善措施电路改善措施 c)改善差分输入改善差分输入管特性管特性 采用高增益采用高增益晶体管、达林顿晶体管、达林顿管、互补复合管、管、互补复合管、MOS管等，提高管等，提高增益，提高输入增益，提高输入阻抗。阻抗。T2T1 o2 i1 i2T3T4VCCIeT5T6IrT4 o17/12/202488国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.1 双极型差分放大器双极型差分放大器 4.单端化结构单端化结构T2T1 o i1 i2T3T4VCCT5IeT6Ir I3 I2 I1 Io当输入差模信号时当输入差模信号时：I1=-I2 T3、T4组成镜像电组成镜像电流源，使：流源，使：I3=I1因此：因此：Io=I3-I2 =I1-I2=-2 I2 当输入共模信号时当输入共模信号时，同理可得同理可得 Io=0。可见，与双端输出信号相同可见，与双端输出信号相同。7/12/202489国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 1.E/E NMOS结构结构VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M77/12/202490国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 2.E/D NMOS结构结构VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M77/12/202491国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 3.NMOS管作为输入管电阻为负载结构管作为输入管电阻为负载结构VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1IssRD2XY7/12/202492国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 4.NMOS管作为输入管电流源为负载管作为输入管电流源为负载VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M77/12/202493国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 5.NMOS管作为输入管电流镜为负载管作为输入管电流镜为负载VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M77/12/202494国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.2 MOS型差分放大器型差分放大器 6.PMOS管作为输入管电流源为负载管作为输入管电流源为负载VccVi1Vi2Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7Vo17/12/202495国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 1.NMOS管为输入电阻为负载管为输入电阻为负载VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1IssRD2XY VX/Vi1=-gmRD1,VY/(-Vi1)=-gmRD1,其中其中Vi1和和(-Vi1)表示每边的表示每边的电压电压变化变化。因此，因此，(VX-VY)/2Vi1=gmRDP A 增益分析增益分析+Vi1VccVo1Vo2M1M2RD1RD2XY-Vi1 由于由于P点的电位不变，点的电位不变，P点可点可以认为是以认为是“交流地交流地”，从而整个电，从而整个电路可以分成两个独立的部分，即路可以分成两个独立的部分，即所谓的所谓的“半边电路概念半边电路概念”。7/12/202496国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 1.NMOS管为输入电阻为负载管为输入电阻为负载VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1IssRD2XY 由于为电流源的存在，不论输由于为电流源的存在，不论输入共模电平入共模电平Vin，CM如何变化，流过如何变化，流过每个支路的电流都为每个支路的电流都为ISS的一半，因的一半，因此此X,Y点的电压不变，也就是电路点的电压不变，也就是电路不会对共模电平不会对共模电平Vin，CM放大。放大。PVin,CM B 共摸响应共摸响应 VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1RD2XYVbP 但在实际电路中理想电流源但在实际电路中理想电流源ISS一般由实际的一般由实际的MOS管代替。因管代替。因而而P点的电压会变化。点的电压会变化。7/12/202497国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 1.NMOS管为输入电阻为负载管为输入电阻为负载 将将MOS管的电阻等效为管的电阻等效为RSS，当当Vin，CM改变时，改变时，VP也变化，因此也变化，因此，使，使M1和和M2的漏极电流同相变化，的漏极电流同相变化，VX和和VY随之反相变化，但由于电随之反相变化，但由于电路的对称性，路的对称性，VX和和VY仍相等，因仍相等，因此，这两个点可以短路在一起。此，这两个点可以短路在一起。B 共摸响应共摸响应 VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1RD2XYPRSSVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1RD2XYVbP7/12/202498国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 1.NMOS管为输入电阻为负载管为输入电阻为负载 B 共摸响应共摸响应 VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2RD1RD2XYPRSS由于由于M1和和M2”并联并联”，可以简化为，可以简化为VccVin,CMVoM1+M2RD/2YRSS M1+M2的宽为单个管子的的宽为单个管子的2倍，倍，偏置电流也增加两倍，其跨导同样偏置电流也增加两倍，其跨导同样增加为单管的两倍。增加为单管的两倍。7/12/202499国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 2.NMOS管作为输入管电流镜为负载管作为输入管电流镜为负载VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M77/12/2024100国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理 我们来计算增益我们来计算增益|Av|，将其写成将其写成|Av|=GmRout。P点虚地，点虚地，ID1=|ID3|=|ID4|=gm1,2Vi/2,ID2=-gm1,2Vi/2，得到，得到Iout=-gm1,2Vi，从而，从而，|Gm|=gm1,2 该电路的小信号模型该电路的小信号模型见下图。见下图。VccVi1Vi2VoM1M2M3M4IssPIoutM5Vb8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 2.NMOS管作为输入管电流镜为负载管作为输入管电流镜为负载7/12/2024101国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 2.NMOS管作为输入管电流镜为负载管作为输入管电流镜为负载7/12/2024102国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 3.NMOS管作为输入管电流源为负载管作为输入管电流源为负载VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M77/12/2024103国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理8.4.3 MOS型差分放大器分析举例型差分放大器分析举例 3.NMOS管作为输入管电流源为负载管作为输入管电流源为负载VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7+Vi1VccVo1Vo2M1M2M3M4XY-Vi1VbPVb 暂时不考虑左边的电路。暂时不考虑左边的电路。由于由于P点的电位不变，点的电位不变，P点可以点可以认为是认为是“交流地交流地”，从而整个电，从而整个电路可以分成两个独立的部分，路可以分成两个独立的部分，即所谓的即所谓的“半边电路概念半边电路概念”。7