-模拟集成电路基本单元课件

第九章第九章 模模拟拟集成集成电电路基本路基本单单元元洪慧洪慧.上次上次课课:第八章第八章 数字集成数字集成电电路基本路基本单单元及版元及版图图1.TTL1.TTL基本基本电电路（反相器、与非路（反相器、与非门门、或非、或非门门）2.CMOS2.CMOS反相器反相器3.CMOS3.CMOS与非与非门门和或非和或非门门4.CMOS4.CMOS传输门传输门和开关和开关逻辑逻辑5.CMOS5.CMOS三三态门态门6.CMOS6.CMOS驱动电驱动电路路7.7.数字数字电电路路标标准准单单元元库设计库设计8.8.焊盘输焊盘输入入/输输出出单单元元9.CMOS9.CMOS存存储储器器.1.1.电电流源流源电电路路2.2.基准基准电压电压源源3.3.单单端反相放大器端反相放大器4.4.差分放大器差分放大器电电路路5.5.运算放大器运算放大器电电路路6.6.振振荡荡器器7.D/A7.D/A与与A/DA/D转换转换器器第九章第九章 模模拟拟集成集成电电路基本路基本单单元元.引言：模引言：模拟拟与数字集成与数字集成电电路区路区别别n模模拟拟集成集成电电路路主要用于主要用于处处理理连续连续信号，即模信号，即模拟拟信信号。号。n模模拟拟集成集成电电路路要求要求电电路的每一路的每一组组成成单单元必元必须须是精是精确的，其性能与版确的，其性能与版图设计图设计的相关性比数字集成的相关性比数字集成电电路要路要强强得多。得多。n模模拟拟集成集成电电路路的版的版图设计图设计从平面布局到各器件几从平面布局到各器件几何何图图形的形的设计设计都要十分都要十分“讲讲究究”，需要考，需要考虑虑的的问题问题往往比数字集成往往比数字集成电电路要多。路要多。n一个一个数字集成数字集成电电路路如果在如果在电电路路级级而不是在而不是在逻辑级逻辑级考考虑虑和和优优化性能，将与化性能，将与模模拟拟集成集成电电路路有有许许多共同多共同点。点。对对高速数字集成高速数字集成电电路路设计设计尤其如此。尤其如此。.1.1.电电流源流源电电路路设计设计n双极型双极型镜镜像像电电流源流源n双极型基本双极型基本镜镜像像电电流源流源n带缓带缓冲冲级级的的镜镜像像电电流源流源n威威尔尔逊逊(Wilson)电电流源流源nMOS电电流流镜镜nNMOS基本基本电电流流镜镜nNMOS威威尔尔逊电逊电流流镜镜.双极型双极型镜镜像像电电流源流源（1）双极型基本双极型基本镜镜像像电电流源流源 .双极型双极型镜镜像像电电流源流源（2）带缓带缓冲冲级级的的镜镜像像电电流源流源.双极型双极型镜镜像像电电流源流源（3）威威尔尔逊逊(Wilson)电电流源流源.（1）NMOS基本基本电电流流镜镜 NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如下图所示。MOS电电流流镜镜.MOS电电流流镜镜 如如果果有有多多个个输输出出支支路路，如如图图所所示示，则则各各支支路路的的电电流流的的比比值值就就等等于于各各NMOS晶晶体体管管的的宽宽长长比比的的比比值值。IrIo1Io2Ion (W/L)r(W/L)1(W/L)2(W/L)n.MOS电电流流镜优镜优点点n它可以精确地复制它可以精确地复制电电流而不受工流而不受工艺艺和和温度的影响温度的影响nIO和和Ir的比的比值值由器件尺寸的比率决定由器件尺寸的比率决定n要保要保证证高高输输出阻抗，采用出阻抗，采用较长较长沟道器沟道器件，但会影响寄生件，但会影响寄生电电容和容和电电路路动态动态特特性性.MOS电电流流镜镜（2）NMOS威威尔尔逊电逊电流流镜镜 NMOS基基本本电电流流镜镜因因为为沟沟道道长长度度调调制制效效应应的的作作用用，交交流流输输出出电电阻阻变变小小。从从电电路路理理论论可可知知，采采用用串串联联负负反反馈馈也也可可以以提提高高电电路路的的输输出出电电阻阻。威威尔尔逊逊电电流流镜镜正正是是这这样样的的结结构。构。.MOS电电流流镜镜 与与NMOS基本基本电电流流镜镜相比，威相比，威尔尔逊电逊电流流镜镜的的输输出出电电阻阻较较大，大，这这意味着其恒特性意味着其恒特性优优于基本于基本电电流流镜镜。提高。提高输输出出电电阻的基本原理是在阻的基本原理是在M1的源的源极由极由M2而形成的串而形成的串联电联电流流负负反反馈馈。.2.2.基准基准电压电压源源设计设计 理想的基准理想的基准电压电压源，要求它不源，要求它不仅仅有精确有精确稳稳定的定的电压输电压输出出值值，而且具有低的温度系数。，而且具有低的温度系数。n温度系数：温度系数：输输出出电电参量随温度的参量随温度的变变化量，可以化量，可以是正的，也可以是是正的，也可以是负负的。的。n正温度系数：正温度系数：输输出出电电参量随温度上升而增大参量随温度上升而增大n负负温度系数：温度系数：输输出出电电参量随温度上升而减小。参量随温度上升而减小。要使温度系数小，自然会想到利用具有正要使温度系数小，自然会想到利用具有正温度系数的器件和具有温度系数的器件和具有负负温度系数的器件适当温度系数的器件适当地地组组合，合，实现实现温度温度补偿补偿，得到低温度系数甚至，得到低温度系数甚至零温度系数的零温度系数的电电路路结结构。构。.双极型三管能隙基准源双极型三管能隙基准源.MOS基准基准电压电压源源.3.3.单单端反相放大器端反相放大器电电路路设计设计 反相放大器的基本反相放大器的基本结结构通常是漏构通常是漏输输出的出的MOS工作管和工作管和负载负载的串的串联结联结构。构。根据根据负载负载的不同，反相放大器的的不同，反相放大器的输输出特性有很大区出特性有很大区别别。.先分析先分析MOSFET的模的模拟拟模型模型*MOSFET的高的高频频模模拟拟模型模型.*电电容已容已经经在以前提到在以前提到.*ro 是是输输出出电电阻阻.小信号等效电路.简简化后的小信号等效化后的小信号等效电电路路电电流源流源输输出出电电阻阻简简化后的小信号等效化后的小信号等效电电路路.常用常用MOS反相放大器反相放大器电电路路结结构构n纯电纯电阻阻负载负载NMOS放大器放大器nE/E NMOS放大器放大器nE/D NMOS放大器放大器nPMOS负载负载放大器放大器.纯电纯电阻阻负载负载NMOS放大器放大器小信号等效小信号等效电电路路.E/E NMOS放大器放大器.E/D NMOS放大器放大器.PMOS负载负载放大器放大器.PMOS负载负载放大器放大器(e)小信号等效电路图.PMOS负载负载放大器放大器(e)因因为为M2的的G极极电压电压不不变变，所以所以vgs2=0因因为为vout=-(gm1*vin)*ro1/ro2Av=-gm1*(ro1/ro2).小信号等效电路PMOS负载负载放大器放大器(f).因因为为ro2=ro11/gm2因因为为M2的的D和和G连连接接在一起，所以用在一起，所以用电电阻阻1/gm2替代替代该电该电流源流源PMOS负载负载放大器放大器(f).主要有：主要有：n提高工作管的跨提高工作管的跨导导 增加增加宽长宽长比比n减少减少衬衬底偏置效底偏置效应应的影响的影响n采用恒流源采用恒流源负载结负载结构构提高放大器提高放大器电压电压增益方法增益方法.改改进进CMOS推挽放大器推挽放大器.4.4.差分放大器差分放大器电电路路设计设计n双极型差分放大双极型差分放大电电路路n双极型基本差分放大双极型基本差分放大电电路路n射极耦合差分放大射极耦合差分放大电电路路n恒流源差分恒流源差分电电路路nMOS差分放大差分放大电电路路n基本基本MOS差分放大差分放大电电路路nMOS差分放大器的差分放大器的负载负载形式形式nPMOS恒流恒流负载负载差分放大器差分放大器电电路路.双极型差分放大双极型差分放大电电路路（1）双极型基本差分放大）双极型基本差分放大电电路路.双极型差分放大双极型差分放大电电路路（2）射极耦合差分放大）射极耦合差分放大电电路（路（长长尾式差分尾式差分放大放大电电路）路）.双极型差分放大双极型差分放大电电路路（3）恒流源差分）恒流源差分电电路路.MOS差分放大差分放大电电路路（1）基本的）基本的MOS差分放大差分放大电电路路.MOS差分放大器差模特性曲差分放大器差模特性曲线线 MOS差分放大差分放大电电路路.MOS差分放大差分放大电电路路（2）MOS差分放大器的差分放大器的负载负载形式形式.MOS差分放大差分放大电电路路PMOS恒流恒流负载负载差放差放MOS差分放大器差分放大器电电路路.5.5.运算放大器运算放大器电电路路 运算放大器（运算放大器（简简称运放）是称运放）是许许多模多模拟拟系系统统和和混合信号系混合信号系统统中的一个重要中的一个重要组组成部分。成部分。评评价其性价其性能参数主要有：能参数主要有：n增益增益n小信号小信号带宽带宽n大信号大信号带宽带宽n输输出出摆摆幅幅n线线性性n噪声与失噪声与失调调n电电源抑制源抑制.套筒式共源共套筒式共源共栅结栅结构构简单简单运放运放结结构构.套筒式共源共套筒式共源共栅结栅结构构共源共共源共栅栅运放运放.套筒式共源共套筒式共源共栅结栅结构构输输入与入与输输出短路的共源共出短路的共源共栅结栅结构构.折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放 折叠式共源共折叠式共源共栅电栅电路路.折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放 折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放结结构构.共源共共源共栅栅PMOS负载负载的折叠共源共的折叠共源共栅栅运放运放 折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放.折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放 折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放的半运放的半边电边电路路.输输出出对对地短路的等效地短路的等效电电路路折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放.输输出开路的等效出开路的等效电电路路折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放.共源共共源共栅栅运放中器件运放中器件电电容容对对非主极点影响非主极点影响折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放.一种折叠共源共一种折叠共源共栅栅运放的运放的实现实现 折叠式共源共折叠式共源共栅栅运放运放.两两级级运放运放两两级级运放运放 两两级级运放就是两个运放就是两个简单简单放大器放大器组组合形合形成成级联结级联结构。两构。两级级运放可以提供更好的增运放可以提供更好的增益、益、摆摆幅等性能指幅等性能指标标。.两两级级运放运放一种两一种两级级运放的运放的简单实现简单实现.采用共源共采用共源共栅栅的两的两级级运放运放 两两级级运放运放.单单端端输输出的两出的两级级运放运放两两级级运放运放.6.6.振振荡荡器器目前振目前振荡荡器主要分器主要分为为两两类类：n谐谐波振波振荡荡器器n张驰张驰振振荡荡器器.目前目前谐谐波振波振荡荡器多采用器多采用LC谐谐振振电电路和晶振路和晶振来决定振来决定振荡频荡频率。主要有：率。主要有：n哈特来（哈特来（Hartley）LC振振荡荡器器n考考毕兹毕兹（Colpitts）LC振振荡荡器器n克莱普（克莱普（Clapp）LC振振荡荡器器n差差动动LC振振荡荡器器LC振振荡荡器器谐谐波振波振荡荡器器.多多谐谐振振荡荡器器 张驰张驰振振荡荡器主要靠器主要靠对储对储能元件（主要是能元件（主要是电电容）容）进进行充放行充放电电工作。工作。一般一般电电路由一个路由一个强强烈正烈正反反馈馈的的环环路构成。路构成。张驰张驰振振荡荡器噪声性器噪声性能要比能要比LC振振荡荡器要差，器要差，但面但面积积小，小，调谐调谐范范围宽围宽。张驰张驰振振荡荡器器.环环形振形振荡荡器器环环形振形振荡荡器器 环环形振形振荡荡器也属于器也属于张驰张驰振振荡荡器。其最大的器。其最大的优优点是点是结结构构简单简单，因而得到广泛运用。，因而得到广泛运用。对对于一个于一个总总直流相位偏移直流相位偏移180度的度的n级级反相反相放大器放大器组组成的成的环环形振形振荡荡器，器，环环路振路振荡荡周期周期为为2nTd（Td为门为门延延迟迟）。）。.环环形振形振荡荡器的延器的延迟单迟单元元环环形振形振荡荡器器.RC网网络络型型环环形形压压控振控振荡荡器原理器原理图图 环环形振形振荡荡器器 环环形振形振荡荡器振器振荡频荡频率可以通率可以通过过改改变变延延迟单迟单元元的参数加以控制，形成的参数加以控制，形成压压控振控振荡荡器（器（VCO）。）。一种是延一种是延迟单迟单元偏置元偏置电压电压直接可控，一种是直接可控，一种是通通过过增加附加增加附加电电路来路来实现实现。.矢量叠加型矢量叠加型环环形形VCO 环环形振形振荡荡器器.7.7.D/A与与A/D转换转换nD/A转换转换器：器：将数字信号将数字信号转转化化为为相相对应对应的模的模拟拟信号信号nA/D转换转换器：器：将模将模拟拟信号信号转转化化为为相相对应对应的数字信号的数字信号.D/A转换转换器器D/A变换变换器方框器方框图图.串串联电联电阻分阻分压压D/A变换变换器器D/A转换转换器器.并并联电联电容分容分压压D/A变换变换器器电电路路D/A转换转换器器.并并联联式式A/D变换变换器器电电路路图图 A/D转换转换器器.逐次逼近式逐次逼近式A/D变换变换器原理方框器原理方框图图A/D转换转换器器.并并联电联电容分容分压压网网络实现络实现的逐次逼近式的逐次逼近式A/D变换变换器器A/D转换转换器器.作业1 1，3 3，5 5，6 6.Thanks！Question？.