第九章 模擬集成電路基本單元

1、精選課件第九章第九章 模擬集成電路基本單元模擬集成電路基本單元洪慧洪慧精選課件上次課上次課:第八章第八章 數(shù)字集成電路基本單元及版圖數(shù)字集成電路基本單元及版圖1. TTL1. TTL基本電路（反相器、與非門、或非門）基本電路（反相器、與非門、或非門）2. CMOS2. CMOS反相器反相器3. CMOS3. CMOS與非門和或非門與非門和或非門4. CMOS4. CMOS傳輸門和開關(guān)邏輯傳輸門和開關(guān)邏輯5. CMOS5. CMOS三態(tài)門三態(tài)門6. CMOS6. CMOS驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路7. 7. 數(shù)字電路標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)數(shù)字電路標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)8. 8. 焊盤輸入焊盤輸入/ /輸出單元輸出單元9.

2、 CMOS9. CMOS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器精選課件1. 1. 電流源電路電流源電路2. 2. 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源3. 3. 單端反相放大器單端反相放大器4. 4. 差分放大器電路差分放大器電路5. 5. 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路6. 6. 振蕩器振蕩器7. D/A7. D/A與與A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第九章第九章 模擬集成電路基本單元模擬集成電路基本單元精選課件引言：模擬與數(shù)字集成電路區(qū)別引言：模擬與數(shù)字集成電路區(qū)別n模擬集成電路模擬集成電路主要用于處理連續(xù)信號(hào)，即模擬信主要用于處理連續(xù)信號(hào)，即模擬信號(hào)。號(hào)。n模擬集成電路模擬集成電路要求電路的每一組成單元必須是精要求電路的每一組成單元必須是

3、精確的，其性能與版圖設(shè)計(jì)的相關(guān)性比數(shù)字集成電確的，其性能與版圖設(shè)計(jì)的相關(guān)性比數(shù)字集成電路要強(qiáng)得多。路要強(qiáng)得多。 n模擬集成電路模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)從平面布局到各器件幾的版圖設(shè)計(jì)從平面布局到各器件幾何圖形的設(shè)計(jì)都要十分何圖形的設(shè)計(jì)都要十分 “ “講究講究”，需要考慮的，需要考慮的問題往往比數(shù)字集成電路要多。問題往往比數(shù)字集成電路要多。n一個(gè)一個(gè)數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路如果在電路級(jí)而不是在邏輯級(jí)如果在電路級(jí)而不是在邏輯級(jí)考慮和優(yōu)化性能，將與考慮和優(yōu)化性能，將與模擬集成電路模擬集成電路有許多共同有許多共同點(diǎn)。對(duì)高速數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)尤其如此。點(diǎn)。對(duì)高速數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)尤其如此。 精選課件1.1.電流

4、源電路設(shè)計(jì)電流源電路設(shè)計(jì)n雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源n雙極型基本鏡像電流源雙極型基本鏡像電流源n帶緩沖級(jí)的鏡像電流源帶緩沖級(jí)的鏡像電流源n威爾遜威爾遜(Wilson)電流源電流源nMOS電流鏡電流鏡nNMOS基本電流鏡基本電流鏡nNMOS威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡精選課件雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（1）雙極型基本鏡像電流源雙極型基本鏡像電流源 1222CCOOROBOIIIIIIII精選課件雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（2）帶緩沖級(jí)的鏡像電流源）帶緩沖級(jí)的鏡像電流源 12221(1)CCOOBROOIIIIIIII 精選課件雙極型鏡像電流源雙極型鏡像電流源（3） 威爾遜威爾遜(W

5、ilson)電流源電流源 22222ROII1(1)2OOceOURrI精選課件（1）NMOS基本電流鏡基本電流鏡 NMOS基本電流鏡由兩個(gè)NMOS晶體管組成，如下圖所示。MOS電流鏡電流鏡21()()OrW LIIW L精選課件MOS電流鏡電流鏡 如果有多個(gè)輸出支路，如圖所示，則各支如果有多個(gè)輸出支路，如圖所示，則各支路的電流的比值就等于各路的電流的比值就等于各NMOS晶體管的寬長比晶體管的寬長比的比值。的比值。IrIo1Io2Ion (W/L)r(W/L)1(W/L)2(W/L)n 精選課件MOS電流鏡優(yōu)點(diǎn)電流鏡優(yōu)點(diǎn)n它可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和它可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影

6、響溫度的影響nIO和和Ir的比值由器件尺寸的比率決定的比值由器件尺寸的比率決定n要保證高輸出阻抗，采用較長溝道器要保證高輸出阻抗，采用較長溝道器件，但會(huì)影響寄生電容和電路動(dòng)態(tài)特件，但會(huì)影響寄生電容和電路動(dòng)態(tài)特性性精選課件MOS電流鏡電流鏡（2）NMOS威爾遜電流鏡威爾遜電流鏡 NMOS基本電流鏡因?yàn)闇系篱L度調(diào)基本電流鏡因?yàn)闇系篱L度調(diào)制效應(yīng)的作用，交流輸出電阻變小。從電制效應(yīng)的作用，交流輸出電阻變小。從電路理論可知，采用串聯(lián)負(fù)反饋也可以提高路理論可知，采用串聯(lián)負(fù)反饋也可以提高電路的輸出電阻。威爾遜電流鏡正是這樣電路的輸出電阻。威爾遜電流鏡正是這樣的結(jié)構(gòu)。的結(jié)構(gòu)。 精選課件MOS電流鏡電流鏡 與與

7、NMOS基本電流鏡相比，威爾遜電流鏡基本電流鏡相比，威爾遜電流鏡的輸出電阻較大，這意味著其恒特性優(yōu)于基本的輸出電阻較大，這意味著其恒特性優(yōu)于基本電流鏡。提高輸出電阻的基本原理是在電流鏡。提高輸出電阻的基本原理是在M1的源的源極由極由M2而形成的串聯(lián)電流負(fù)反饋。而形成的串聯(lián)電流負(fù)反饋。精選課件 2.2.基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì) 理想的基準(zhǔn)電壓源，要求它不僅有精確穩(wěn)理想的基準(zhǔn)電壓源，要求它不僅有精確穩(wěn)定的電壓輸出值，而且具有低的溫度系數(shù)。定的電壓輸出值，而且具有低的溫度系數(shù)。n溫度系數(shù)：溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度的變化量，可以輸出電參量隨溫度的變化量，可以是正的，也可以是負(fù)的。是正的，也可以是

8、負(fù)的。n正溫度系數(shù)：正溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度上升而增大輸出電參量隨溫度上升而增大n負(fù)溫度系數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)：輸出電參量隨溫度上升而減小。輸出電參量隨溫度上升而減小。 要使溫度系數(shù)小，自然會(huì)想到利用具有正要使溫度系數(shù)小，自然會(huì)想到利用具有正溫度系數(shù)的器件和具有負(fù)溫度系數(shù)的器件適當(dāng)溫度系數(shù)的器件和具有負(fù)溫度系數(shù)的器件適當(dāng)?shù)亟M合，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到低溫度系數(shù)甚至地組合，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到低溫度系數(shù)甚至零溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。零溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。 精選課件雙極型三管能隙基準(zhǔn)源雙極型三管能隙基準(zhǔn)源112222lnln33REFBEBETJJRkTRVVVVRqJRJ精選課件MOS基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源1

9、2ln()DSREFBEDSInkTVVqI精選課件3.3.單端反相放大器電路設(shè)計(jì)單端反相放大器電路設(shè)計(jì) 反相放大器的基本結(jié)構(gòu)通常是反相放大器的基本結(jié)構(gòu)通常是漏輸出的漏輸出的MOS工作管和負(fù)載的串聯(lián)工作管和負(fù)載的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 根據(jù)負(fù)載的不同，反相放大器根據(jù)負(fù)載的不同，反相放大器的輸出特性有很大區(qū)別。的輸出特性有很大區(qū)別。精選課件先分析先分析MOSFET的模擬模型的模擬模型*MOSFET的高頻模擬模型的高頻模擬模型.*電容已經(jīng)在以前提到電容已經(jīng)在以前提到.*ro 是輸出電阻是輸出電阻.小信號(hào)等效電路精選課件簡化后的小信號(hào)等效電路簡化后的小信號(hào)等效電路電流源電流源輸出電阻輸出電阻簡化后的小信號(hào)

10、等效電路簡化后的小信號(hào)等效電路精選課件常用常用MOS反相放大器電路結(jié)構(gòu)反相放大器電路結(jié)構(gòu)n純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載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負(fù)載放大器負(fù)載放大器精選課件純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載NMOS放大器放大器VT1VINVDDVOUTRL101101(/)2()(/)VLnoxDSLAg RrCW L IRr 小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路精選課件E/E NMOS放大器放大器1122()()VgW LAgW L 精選課件E/D NMOS放大器放大器112()1()VBBW LAg rW L 精選課件PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器12( )

11、112| |12()|AAV eNoxAADSVVACW LVVI 11()22()()NVfPW LgAgW L 精選課件PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(e)小信號(hào)等效電路圖精選課件PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(e)因?yàn)橐驗(yàn)镸2的的G極電壓不變，極電壓不變，所以所以vgs2=0因?yàn)橐驗(yàn)関out=-(gm1*vin)*ro1/ro2Av = -gm1*(ro1/ro2)精選課件小信號(hào)等效電路PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(f)精選課件因?yàn)橐驗(yàn)閞o2=ro11/gm2因?yàn)橐驗(yàn)镸2的的D和和G連接連接在一起，所以用電阻在一起，所以用電阻1/gm2替代該電流源替代該電流源PMOS負(fù)載放大器負(fù)載放大器(f

12、)1122NVPW LgAgW L 精選課件主要有：主要有：n提高工作管的跨導(dǎo)提高工作管的跨導(dǎo) 增加寬長比增加寬長比n減少襯底偏置效應(yīng)的影響減少襯底偏置效應(yīng)的影響n采用恒流源負(fù)載結(jié)構(gòu)采用恒流源負(fù)載結(jié)構(gòu)提高放大器電壓增益方法提高放大器電壓增益方法精選課件改進(jìn)改進(jìn)CMOS推挽放大器推挽放大器12112| |22()|AAVNoxAADSVVACW LVVI精選課件4.4.差分放大器電路設(shè)計(jì)差分放大器電路設(shè)計(jì)n雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路n雙極型基本差分放大電路雙極型基本差分放大電路n射極耦合差分放大電路射極耦合差分放大電路n恒流源差分電路恒流源差分電路nMOS差分放大電路差分放大電路n基本

13、基本MOS差分放大電路差分放大電路nMOS差分放大器的負(fù)載形式差分放大器的負(fù)載形式nPMOS恒流負(fù)載差分放大器電路恒流負(fù)載差分放大器電路精選課件雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路 （1）雙極型基本差分放大電路）雙極型基本差分放大電路 精選課件雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路（2）射極耦合差分放大電路（長尾式差）射極耦合差分放大電路（長尾式差分放大電路）分放大電路） 精選課件雙極型差分放大電路雙極型差分放大電路（3）恒流源差分電路）恒流源差分電路 精選課件MOS差分放大電路差分放大電路（1）基本的）基本的MOS差分放大電路差分放大電路 精選課件iD1-iD2Iss-IssvID-vIDvI

14、Do MOS差分放大器差模特性曲線差分放大器差模特性曲線 MOS差分放大電路差分放大電路精選課件MOS差分放大電路差分放大電路（2）MOS差分放大器的負(fù)載形式差分放大器的負(fù)載形式 精選課件MOS差分放大電路差分放大電路PMOS恒流負(fù)載差放恒流負(fù)載差放MOS差分放大器電路差分放大器電路精選課件 5.5.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放）是許多模擬系統(tǒng)和運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放）是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。評(píng)價(jià)其性混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。評(píng)價(jià)其性能參數(shù)主要有：能參數(shù)主要有：n增益增益n小信號(hào)帶寬小信號(hào)帶寬n大信號(hào)帶寬大信號(hào)帶寬n輸出擺幅輸出擺幅n線性線

15、性n噪聲與失調(diào)噪聲與失調(diào)n電源抑制電源抑制精選課件套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)簡單運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡單運(yùn)放結(jié)構(gòu)20204(|)VmAgrr精選課件套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)共源共柵運(yùn)放共源共柵運(yùn)放24 02 046 06 08(|)VmmmAggr rgr r精選課件套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)輸入與輸出短路的共源共柵結(jié)構(gòu)輸入與輸出短路的共源共柵結(jié)構(gòu)精選課件折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵電路折疊式共源共柵電路 精選課件折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)精選課件共源共柵共源共柵PMOS負(fù)載的折疊共源共柵運(yùn)放負(fù)

16、載的折疊共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 精選課件折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 折疊式共源共柵運(yùn)放的半邊電路折疊式共源共柵運(yùn)放的半邊電路精選課件輸出對(duì)地短路的等效電路輸出對(duì)地短路的等效電路折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 精選課件輸出開路的等效電路輸出開路的等效電路折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 精選課件共源共柵運(yùn)放中器件電容對(duì)非主極點(diǎn)影響共源共柵運(yùn)放中器件電容對(duì)非主極點(diǎn)影響折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 精選課件一種折疊共源共柵運(yùn)放的實(shí)現(xiàn)一種折疊共源共柵運(yùn)放的實(shí)現(xiàn) 折疊式共源共柵運(yùn)放折疊式共源共柵運(yùn)放 精選課件兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放 兩級(jí)運(yùn)

17、放就是兩個(gè)簡單放大器組合形兩級(jí)運(yùn)放就是兩個(gè)簡單放大器組合形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)放可以提供更好的增成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)放可以提供更好的增益、擺幅等性能指標(biāo)。益、擺幅等性能指標(biāo)。精選課件兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放一種兩級(jí)運(yùn)放的簡單實(shí)現(xiàn)一種兩級(jí)運(yùn)放的簡單實(shí)現(xiàn) 精選課件采用共源共柵的兩級(jí)運(yùn)放采用共源共柵的兩級(jí)運(yùn)放 兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放精選課件單端輸出的兩級(jí)運(yùn)放單端輸出的兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放精選課件6.6. 振蕩器振蕩器目前振蕩器主要分為兩類：目前振蕩器主要分為兩類：n諧波振蕩器諧波振蕩器n張馳振蕩器張馳振蕩器精選課件 目前諧波振蕩器多采用目前諧波振蕩器多采用LC諧振電路和晶振諧振電路和晶振來決定振蕩頻率。主要有：來

18、決定振蕩頻率。主要有：n哈特來（哈特來（Hartley） LC振蕩器振蕩器n考畢茲（考畢茲（Colpitts） LC振蕩器振蕩器n克萊普（克萊普（Clapp） LC振蕩器振蕩器n差動(dòng)差動(dòng)LC振蕩器振蕩器LC振蕩器振蕩器諧波振蕩器諧波振蕩器精選課件多諧振蕩器多諧振蕩器 張馳振蕩器主要靠張馳振蕩器主要靠對(duì)儲(chǔ)能元件（主要是電對(duì)儲(chǔ)能元件（主要是電容）進(jìn)行充放電工作。容）進(jìn)行充放電工作。一般電路由一個(gè)強(qiáng)烈正一般電路由一個(gè)強(qiáng)烈正反饋的環(huán)路構(gòu)成。反饋的環(huán)路構(gòu)成。 張馳振蕩器噪聲性張馳振蕩器噪聲性能要比能要比LC振蕩器要差，振蕩器要差，但面積小，調(diào)諧范圍寬。但面積小，調(diào)諧范圍寬。張馳振蕩器張馳振蕩器精選課件環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 環(huán)形振蕩器也屬于張馳振蕩器。其最大的環(huán)形振蕩器也屬于張馳振蕩器。其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，因而得到廣泛運(yùn)用。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，因而得到廣泛運(yùn)用。 對(duì)于一個(gè)總直流相位偏移對(duì)于一個(gè)總直流相位偏移180度的度的n級(jí)反相級(jí)反相放大器組成的環(huán)形振蕩器，環(huán)路振蕩周期為放大器組成的環(huán)形振蕩器，環(huán)路振蕩周期為2nTd（Td為門延遲）。為門延遲）。精選課件環(huán)形振蕩器的延遲