集成電路原理第六章

1、第六章第六章 mos模擬集成電路模擬集成電路6.1 mos模擬集成電路基礎(chǔ)模擬集成電路基礎(chǔ)6.1.1 mos模擬模擬ic中的元件中的元件 4、jfet 6.2 mos模擬模擬ic子電路子電路 模擬集成運算放大器電路分層說明模擬集成運算放大器電路分層說明 10bits 105msps 3v adc 原理圖原理圖無緩沖二級無緩沖二級cmos運放電路運放電路6.2.1 電流源與電流沉（電流源與電流沉（current source and sink） 1、基本的電流源、電流沉、基本的電流源、電流沉（1）電流源）電流源 圖圖6-1 基本的電流源結(jié)構(gòu)與基本的電流源結(jié)構(gòu)與i-v特性示意特性示意 tgsdsv

2、vv（6-1） tpddggddssoutvvvvvvsstpggoutvvvvtpggssoutvvvvdsdsdssssdddoutoutigivvvivr11)(0（2）電流沉）電流沉 圖圖6-2 基本的電流沉結(jié)構(gòu)與基本的電流沉結(jié)構(gòu)與v-i特性示意特性示意 tnssggdsvvvv（6-2） dsoutoutrivr0（6-3） 2、改進的電流沉、改進的電流沉/源源 （1）接電阻增加輸出電阻的技術(shù)）接電阻增加輸出電阻的技術(shù) 22222sbsssggsvvvvvv0222222020)()()(irvvgvgvvgissmbssmsds圖圖6-3 接電阻增加輸出電阻接電阻增加輸出電阻 的結(jié)

3、構(gòu)與等效電路的結(jié)構(gòu)與等效電路 （6-3） msbfbmsbtgsdssbttdssbdsbsdsmbsgvgvvvivvvivivig212)2(2（6-4） 21)2(2sbfbdsmbsvvg rrgrrggrrivrdsmdsmbsmdsout22222200)(（6-5） （2）實際電路）實際電路 圖圖6-4 共柵共源電流沉結(jié)構(gòu)共柵共源電流沉結(jié)構(gòu) (對對m1管來看的管來看的) 1222212211212122)1 ()1 (dsdsmdsdsmdsdsdsdsdsmbsdsmdsoutoutoutrrgrrgrrrgrgrgrivr（6-6） 6.2.2 電流鏡和電流放大器電流鏡和電流

4、放大器(current mirror & current amplifier) 1、基本的電流鏡（恒流源）、基本的電流鏡（恒流源） )1 ()(2112111111dstgsdsgdsrvvviiii)1 ()(21222220dstgsvvvi圖圖6-5 基本的電流鏡電路基本的電流鏡電路 )1 ()()1 ()(12111222220dstgsdstgsrvvvvvvii)1 ()()1 ()(1211111122222222dstgsoxdstgsoxvvvclwvvvclw（6-7） 若若t1、t2的工藝參數(shù)相同，且的工藝參數(shù)相同，且vds1=vds2，則則 )()(11220lwlwi

5、ir（6-8） riilwlw01122電流鏡電流鏡 1122lwlw 222201dsdsdsdsrgivr（6-9） 2、威爾遜電流鏡、威爾遜電流鏡wilson current mirror 圖圖6-6 威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡 112220dsgsdsgsdsivvvii)(231gsgsdsvvvvgs2)g(1)1 (132m1030131231223311333230mmmmdsdsmmmdsmdsmdsmmdsdsdsgggrrgrrgggrgrgrggrrrr設(shè)（6-10） 333tgsdsvvv 322)(tioutvvvvv3tioutvvv（6-11） （6-12） 3、

6、共柵共源電流鏡、共柵共源電流鏡cascode current mirror （a a）電路圖電路圖 （b b）等效電路等效電路 圖圖6-7 共柵共源電流鏡共柵共源電流鏡 )(,v21342113ds3244dsdsdsgsdsgsdsgsrdsdsdsvvvvvvvviiiv恒定恒定， 0314444200224424240vvggvvvirvgvvgvgimmbsdsdsmbsm（6-13） 4244424420)1 (dsdsmdsdsmdsdsrrgrrgrrr （6-14） 6.2.3 基準源基準源 1、簡單的電壓分壓器、簡單的電壓分壓器 （a）電阻分壓器電阻分壓器 （b）有源器件分壓

7、器有源器件分壓器212ddrefrrrvv 1refddddrefddddrefrefvvvvvvvvvvsrefdd2、pn結(jié)基準電壓源結(jié)基準電壓源 圖圖6-9 簡單的簡單的pn結(jié)基準源結(jié)基準源 )ln(sebrefiiqtkvv)exp(ktqviiebsrvrvvddebdd（6-15） （6-16） )ln(sddrefirvqktv)ln(1)ln(1ssddvviiirvsrefdd （6-17） （6-18） 1refddvvs0362. 0refddvvsis=10-15a，（但此結(jié)構(gòu)提供的（但此結(jié)構(gòu)提供的vref較低。如較低。如is=10-15a，vdd=5v，則則vref=

8、0.93v。）。）(2) 改進的改進的pn結(jié)基準源結(jié)基準源 1212121)()(rrrvvrrvvrirvvebebebebbebref （6-19） 圖圖6-10改進的改進的pn結(jié)基準源結(jié)基準源 （3）以）以mosfet代替代替bjt的基準源的基準源 21)(22rvvvivvvrefddttgsref)(;)(;)2(21gsddgsddddtvvvvrvv若迭代求出若（6-20） ddtvvvrvsrefdd2)(15 . 0（6-21） )1 (12rrvvgsref（6-22） （4）齊納）齊納zenor二極管基準電壓源二極管基準電壓源 圖圖6-12 齊納二極管基準源齊納二極管基準

9、源 bvddzzbvddddrefrefddddrefvvvvrrrvvvvvvvvsrefdd（6-23） 假設(shè)：假設(shè)：vdd=10v，vbv=6.5v，rz=100 ，r=35k ，則此基準電壓源的靈敏則此基準電壓源的靈敏度為度為0.0044。 3、cmos帶隙基準源帶隙基準源 圖圖6-13 cmos帶隙基準源帶隙基準源 nktvvqiitgsdsds)(exp0qnktvvtt（6-24） （6-25） ttqktnttvttvtvbeogbe0000ln)()1 ()(（6-26） （6-27） 4313442310expexpsbgsrgsgsddddsbigbididivvvvvi

10、iiiktqvktnvqisi2lnidadnnnqktv 41321111lnssssrqktrvirr （6-28） 2512ssiirr又 41322512512lnssssssrqktssiirr （6-29） 41322512lnssssssrqrktvtvberef （6-30） 413225120000lnln1ssssssrrqktttqktnttvttvvbeogref基準電壓基準電壓vref為為0tvref令令 ttnvvktqssssssrrbeog00041322512ln1ln（6-31） 0000ggttrefvqktnvv （6-32） 凹凸曲線溫度補償技術(shù)凹凸曲

11、線溫度補償技術(shù)啟動電路啟動電路低壓高階基準低壓高階基準差分基準正端輸出差分基準正端輸出差分基準負端輸出差分基準負端輸出差分輸出緩沖器的設(shè)計差分輸出緩沖器的設(shè)計 基準輸出緩沖器結(jié)構(gòu)圖基準輸出緩沖器結(jié)構(gòu)圖 12323refrefrrrvvrr323refrefrvvrrmvoutgar16.2.4 mos差分放大器差分放大器 1、nmos差分放大器差分放大器 （1）工作原理與小信號特性）工作原理與小信號特性 212122ddgsgsidiivvv（6-33） 圖圖6-14 nmos差分放大器差分放大器 21ddssiii（6-34） 21242222124221422422ssidssidssss

12、dssidssidssssdiviviiiiviviii（6-35） 11211221214)(21dsssssiddvvgsgsdmsiiivivvddiggsgs（6-36） （忽略高次項）（忽略高次項）12121212)()(21dsssiddiddidodvvgsgsddmdiivivivivvdiidggsgs（6-37） cdsmiovrrgvva11111 （6-38） cdsmcdsmdvdrrgrrga11 （6-39b） cdsmscdsmioidovsrrgrrgvvvva11111122 （6-39a） （2）差分放大器的輸入失調(diào)電壓）差分放大器的輸入失調(diào)電壓vio 不

13、對稱、不對稱的、因子不對稱的、212121rrvttktttccmteiorrkkgivv2（6-40） 而： iobjtiomosmbjtmmosbetevvggvv（6-41） vcvdaacmrr （6-42） 2、cmos差分放大器差分放大器 （1）nmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 圖圖6-15 nmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 0242143121outdddddddgsgsiiiiiiiivv差分輸出242143121ddoutdddddgsgsiiiiiiiivv ssdmiig2222(gm=gm1=gm2) （6-43） )(42dsdsmvd

14、rrga（6-44） （2）pmos輸入的輸入的cmos差分放大器差分放大器 圖圖6-16 pmos輸入差分放大器輸入差分放大器 例如：對于例如：對于n型襯底型襯底p阱工藝，應(yīng)采用阱工藝，應(yīng)采用nmos輸入還是輸入還是pmos輸入？輸入？ 如果是如果是p型襯底型襯底n阱工藝呢？阱工藝呢？6.2.5 反相放大器反相放大器 1、有源電阻反相放大器、有源電阻反相放大器（1）小信號電壓增益及輸出電阻）小信號電壓增益及輸出電阻 圖圖6-17 有源電阻反相器及其等效電路有源電阻反相器及其等效電路 211221212211lwklwkggggggvvapnmmmdsdsminoutv222111mmdsds

15、outoutoutggggivr（6-45） （6-46） （2）小信號頻率響應(yīng)）小信號頻率響應(yīng) 圖圖6-18 考慮了寄生電容的反相器結(jié)構(gòu)及其小信號等效模型考慮了寄生電容的反相器結(jié)構(gòu)及其小信號等效模型 11111111)()(srgrcsrgscrgsvsvmmminout（6-47） 212211mmdsdsggggrlgsbdbdgdcccccc2211121221fcicgrcdm（6-48） 2、電流源作負載的反相放大器、電流源作負載的反相放大器（1）小信號電壓增益及輸出電阻）小信號電壓增益及輸出電阻 圖圖6-19 電流源負載反相放大器電路結(jié)構(gòu)與等效電路電流源負載反相放大器電路結(jié)構(gòu)與等

16、效電路 2121d11nds2ds1m1inoutv1ilw2kgggvva)(i1gg1ivr21dds2ds1outoutout（6-49） （6-50） （2）小信號頻率響應(yīng)）小信號頻率響應(yīng)lbdbdgdgddsdscccccggrc21212111 （6-51） （3）電流沉作負載的反相放大器）電流沉作負載的反相放大器 圖圖6-20 電流沉負載反相放大器電流沉負載反相放大器 3、推挽、推挽cmos反相放大器反相放大器 圖圖6-21 推挽推挽cmos反相放大器與小信號等效電路反相放大器與小信號等效電路 2121dsdsmminoutvggggvva（6-52）211dsdsoutggrc

17、ggrcdsds21116.2.6 輸出級輸出級 過熱）提供保護對異常狀態(tài)（如短路、高效率防止信號失真供足夠的輸出功率以電壓或電流的形式提1、甲類電流源、甲類電流源/沉偏置的輸出級沉偏置的輸出級 2ssddoutvvv峰值（6-53） 2、共漏輸出放大器（源極跟隨器）、共漏輸出放大器（源極跟隨器） 圖圖6-22（a）電路圖電路圖 圖圖6-22（b） 小信號等效電路小信號等效電路 小信號電壓增益小信號電壓增益 11)1 (1211mdsdsminoutvggggvva（6-54） 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) outmbsmdsdsinmvccsggggvcsg21112111)()()1 ()()(211

18、2111ccsgggcsgsvsvmdsdsminout211211211)1 (ccgccgggpmmdsds（6-55） （6-56） 2111ccgm（6-57） )1 (111211121mdsdsmbsmdsdsoutgggggggr（6-58） 3、互補推挽輸出級、互補推挽輸出級 （1）簡單的）簡單的cmos推挽輸出推挽輸出 2121dsdsmmvgggga 211dsdsoutggr cggdsds211（2）改進型）改進型cmos推挽輸出推挽輸出 (a)原理圖原理圖 （b）實用電路實用電路 圖圖6-23 改進型改進型cmos推挽輸出放大器推挽輸出放大器 pmosnmos （3）

19、甲乙類）甲乙類/乙類源跟隨放大器乙類源跟隨放大器 （a）原理圖原理圖 （b）實用電路實用電路 圖圖6-24 甲乙類甲乙類/乙類源跟隨放大器乙類源跟隨放大器 1)(26)(tssmaxoutttddmaxoutvvvvvvv6.3 cmos集成運算放大器集成運算放大器 6.3.1 集成運放設(shè)計的邊界條件和主要指標集成運放設(shè)計的邊界條件和主要指標1、c商業(yè)級：商業(yè)級：0 70 i 工業(yè)級：工業(yè)級：-20 85 e擴展工業(yè)級：擴展工業(yè)級：-40 85 a航空級：航空級： -40 85 m軍品級：軍品級：-55 125 vcvdaa3、運放反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其補償、運放反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其補償 （1）

20、反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性要求）反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性要求運放實際應(yīng)用時，通常是通過運放實際應(yīng)用時，通常是通過反饋系統(tǒng)構(gòu)成如圖反饋系統(tǒng)構(gòu)成如圖6-25所示的所示的閉環(huán)回路工作，其閉環(huán)增益：閉環(huán)回路工作，其閉環(huán)增益： 圖圖6-25 運放閉環(huán)工作回路運放閉環(huán)工作回路 )()()(sfsasla(s)運放開環(huán)電壓增益運放開環(huán)電壓增益f(s)輸出通過反饋回到輸入的傳輸函數(shù)（輸出通過反饋回到輸入的傳輸函數(shù)（transfer function）運放的穩(wěn)定性判據(jù)運放的穩(wěn)定性判據(jù)通過反饋回到輸入端的信號應(yīng)滿足一定的幅值和相位條件，通過反饋回到輸入端的信號應(yīng)滿足一定的幅值和相位條件，使信號不會在環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生再生現(xiàn)象，否則，可能使放大

21、器輸出使信號不會在環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生再生現(xiàn)象，否則，可能使放大器輸出箝位在某一電源電位上（直流再生），或產(chǎn)生振蕩（在某一交箝位在某一電源電位上（直流再生），或產(chǎn)生振蕩（在某一交流頻率下再生）。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有：流頻率下再生）。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有： 1)()()(000ooojfjajl（6-59） odbdbdbjfjaargjlarg0)()()(000（6-60） 若滿足條件（若滿足條件（6-59）或或（6-60）,則該系統(tǒng)被認為是穩(wěn)定的。則該系統(tǒng)被認為是穩(wěn)定的。 oojlarg0)(01)(0dbjl而而argl(j 0db)稱為稱為相位裕度相位裕度，即開環(huán)相頻特性曲線上與幅頻，即開環(huán)相頻

22、特性曲線上與幅頻特性曲線的單位增益帶寬頻率處對應(yīng)的相位值，特性曲線的單位增益帶寬頻率處對應(yīng)的相位值，一般至少取一般至少取45 ，多數(shù)情況取，多數(shù)情況取60 。波特圖波特圖根據(jù)系統(tǒng)零點和極點的大小來表示一個復(fù)變函數(shù)的根據(jù)系統(tǒng)零點和極點的大小來表示一個復(fù)變函數(shù)的幅值和相位的漸近特性。幅值和相位的漸近特性。 作圖時應(yīng)注意如下規(guī)則：作圖時應(yīng)注意如下規(guī)則：（1）在每個零點頻率處，幅頻曲線的斜率按）在每個零點頻率處，幅頻曲線的斜率按+20db /dec 變化；變化；而在極點頻率處，其斜率按而在極點頻率處，其斜率按-20db/dec變化。變化。（2）對一個）對一個 m的極點（零點）頻率，相頻曲線約在的極點（

23、零點）頻率，相頻曲線約在0.1 m的地的地方開始下降（上升），在方開始下降（上升），在 m處經(jīng)歷處經(jīng)歷-45 （ +45 ）的變化，在約）的變化，在約10 m處達到處達到- 90 （+ 90 ）的變化。）的變化。（2）運放的頻率補償）運放的頻率補償 miller電容補償技術(shù)電容補償技術(shù) 圖圖6-26 兩級運放的小信號等效電路兩級運放的小信號等效電路 scrsvgsvscrsvgsviiinmiiiiiiimii11)()(11)()(0iicrp11iiiicrp12圖圖6-28 加加miller電容補償后的等效電路電容補償后的等效電路 圖圖6-29 miller化簡法變換圖化簡法變換圖 圖圖

24、6-30 化簡后的等效電路化簡后的等效電路 iiiiiiiciiiiimiiinmiiciiiirgrgvvscvscvgvgvgvvscvscvg110)(0)(0000（6-61） )()(11)()(0ciiiiciimiiciiimiimiinccrccrsgscrrggsvsv)(2iiiciiiiiiciiimiicccccrrscrrg（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmiicgz 1iicrp11iiiicrp1210gb，若取相位裕度若取相位裕度為為45 ，則，則p21.22gb；若取相位裕度為若取相位裕度為60 ，則，則p22.2gb，由此可求出

25、應(yīng)選取的補償電容由此可求出應(yīng)選取的補償電容cc值值。 圖圖6-31 頻率補償后的極點分裂示意圖頻率補償后的極點分裂示意圖（3）消除零點的）消除零點的miller補償技術(shù)補償技術(shù) a. 消除消除cc向前耦合的補償方案向前耦合的補償方案 iiiiiiiiiiimiiinmiiciiiirgrgvscvgvgvgvvscvscvg1100)(000iiiiciiiiimiimiincrccrsrrggsvsv)(1)()(0 ciiiiiiciiimiicccrrscrrg2ciiimiicrrgp11ciiicmiiccccgp2（6-62） ciiimiicrrgp11iimiicgp2cmii

26、cgz 1b. 消除消除rhp零點的零點的rc補償技術(shù)補償技術(shù) rziiiiiiizcciiiiimiiinmiizcciiiirgrgvvrscscvscvgvgvgvvrscscvscvg110)(10)(10000ciiimiicrrgp11iimiicgp2izcrp13zmiicrgcz111通過調(diào)整通過調(diào)整rz可以控制零點位置，一種消除零點的方案，即：可以控制零點位置，一種消除零點的方案，即：miizgr121pz ciicmiizcccgr1block diagram of the 10bit pipeline adca novel switched capacitor samp

27、le/hold structurecffc structureadvantages: speed-up reduce improve three underdamped step-responses for a second order feedback system simulation result of s/h amplifier with cffc 6.4 cmos集成運放電路分析與設(shè)計集成運放電路分析與設(shè)計6.4.1 二級二級cmos運放電路分析運放電路分析 圖圖6-33 二級無緩沖二級無緩沖cmos運放電路運放電路 ccisr54221dsdsmvggga7662dsdsmvgggacmcggb2lmcgp62 cmcgz61 (min)(max)1(max)032135ttddinvvivv )(max)(min)512115飽和dstssinvvivv212)(dsdsiv飽和6.4.2 cmos運放設(shè)計舉例運放設(shè)計舉例 1、已知：、已知：vtn=1 0.2v vtp=-1 0.2v kn=17 a/v2 kp=8 a/v