第六章模擬集成電路設(shè)計-1

1、四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室模擬集成電路模擬集成電路四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室集成電路概述集成電路概述 模擬模擬IC就是能對模擬量進行運算和處理的一種就是能對模擬量進行運算和處理的一種IC，直接對連續(xù)可變的模擬量進行計算與處理直接對連續(xù)可變的模擬量進行計算與處理 模擬集成電路的種類模擬集成電路的種類 根據(jù)輸入、輸出電壓的變化關(guān)系分類根據(jù)輸入、輸出電壓的變化關(guān)系分類 線性線性IC：輸出信號隨輸入信號的變化成線性關(guān)系：輸出信號隨輸入信號的變化成線性關(guān)系 非線性非

2、線性IC：具有非線性的傳輸特點：具有非線性的傳輸特點 接口電路：接口電路：AD/DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 按工作頻率分類按工作頻率分類 低頻、高頻、射頻、微波、毫米波低頻、高頻、射頻、微波、毫米波 按功率分類按功率分類 功率集成電路功率集成電路 按器件分類按器件分類 雙極、雙極、MOS、BICMOS 按應(yīng)用領(lǐng)域分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類 通信用通信用IC四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室 模擬集成電路的特點模擬集成電路的特點 應(yīng)用的多樣性應(yīng)用的多樣性 電路結(jié)構(gòu)的多樣性、復(fù)合性電路結(jié)構(gòu)的多樣性、復(fù)合性 微小信號微小信號 電源變化較大電源變化較大 發(fā)展

3、發(fā)展 模擬電路數(shù)字化模擬電路數(shù)字化 高頻、低噪聲、低功耗、寬頻帶高頻、低噪聲、低功耗、寬頻帶 MOS模擬集成電路模擬集成電路四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 CMOS工藝技術(shù)工藝技術(shù) 模擬集成電路版圖技術(shù)模擬集成電路版圖技術(shù) 參考電壓源和參考電流源參考電壓源和參考電流源 CMOS單極放大器單極放大器 CMOS運算放大器運算放大器 負反饋負反饋 D/A、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室一、一、CMOS工藝技術(shù)工藝技術(shù) 晶片工藝晶

4、片工藝 光刻光刻 氧化氧化 離子注入離子注入 淀積與刻蝕淀積與刻蝕 器件制造器件制造四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室1、有源器件、有源器件 基本晶體管制造基本晶體管制造 后端工藝后端工藝四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室2、無源器件、無源器件 電阻電阻 電容器電容器 電感電感四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室3、互連、互連 金屬金屬 多晶硅多晶硅 擴散層擴散層四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)

5、院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室二、模擬集成電路版圖技術(shù)二、模擬集成電路版圖技術(shù) 設(shè)計規(guī)則設(shè)計規(guī)則 天線效應(yīng)天線效應(yīng) 模擬集成電路版圖模擬集成電路版圖四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室設(shè)計規(guī)則設(shè)計規(guī)則 最小寬度最小寬度 最小間距最小間距 最小包圍最小包圍 最小延伸最小延伸四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室天線效應(yīng)天線效應(yīng) 問題問題 小尺寸的柵極與大面積金屬一層相連小尺寸的柵極與大面積金屬一層相連 在刻蝕時，大面積的金屬一層會收集離子，使在刻蝕時，大面積的金屬

6、一層會收集離子，使其電位升高，造成擊穿。其電位升高，造成擊穿。四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室模擬電路的版圖模擬電路的版圖 叉指晶體管叉指晶體管 對稱性對稱性 參考源的分布參考源的分布 無源器件無源器件 連線連線 焊盤與靜電放電保護焊盤與靜電放電保護四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室模擬電路設(shè)計模擬電路設(shè)計 襯底耦合襯底耦合 封裝封裝四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 CMOS工藝技術(shù)

7、工藝技術(shù) 模擬集成電路版圖技術(shù)模擬集成電路版圖技術(shù) 參考電壓源和參考電流源參考電壓源和參考電流源 CMOS單極放大器單極放大器 CMOS運算放大器運算放大器 負反饋負反饋 D/A、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室恒流源電路和有源負載恒流源電路和有源負載 參考電壓源和參考電流源參考電壓源和參考電流源 偏置電路：把一個支路中的參考電流比較精確偏置電路：把一個支路中的參考電流比較精確地反射到另一個支路上去，以獲得較穩(wěn)定的工地反射到另一個支路上去，以獲得較穩(wěn)定的工作電流作電流 有源負載：設(shè)計得到大的動態(tài)電阻，從而提高有源

8、負載：設(shè)計得到大的動態(tài)電阻，從而提高電壓增益電壓增益四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室基本型恒流源基本型恒流源1. 鏡像電流源鏡像電流源基準電流：BE1BE2=VVREFI E1E2= IIC1C2= IIRVVIBECCrREFI=RVCC 因為：所以：最后得到公式6-29增加了雙極型晶體管工作點的穩(wěn)定性增加了雙極型晶體管工作點的穩(wěn)定性2IrT2管基極變化上電流的變化IrRrr四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室討論討論 恒定電流由恒定電流由Rr決定決定 溫度補償，跟蹤性

9、好溫度補償，跟蹤性好 不足不足 比較小則電流匹配性差比較小則電流匹配性差 對電源變化無抑制作用對電源變化無抑制作用 Ir的溫度系數(shù)的溫度系數(shù) 晶體管的對稱性晶體管的對稱性 電阻的溫漂電阻的溫漂 輸出電阻輸出電阻dTdRrRrdTdVVVdTdIrIrBEBECC111四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室2、電阻比例恒流源、電阻比例恒流源 基準電流基準電流Ir 電路特點：得到不同的電流輸出值，減少芯片電路特點：得到不同的電流輸出值，減少芯片面積面積），得到公式（3061R1IVV1R0IR1I10E0BE1BE0E0E11100RIVR

10、IVEBEEBE注意：注意：設(shè)計中要求微小工作電流設(shè)計中要求微小工作電流減小減小R0，以使芯片面積小，以使芯片面積小無法抑制電源變化的影響無法抑制電源變化的影響四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室例題例題 一多路輸出電流源電路如圖所示，一多路輸出電流源電路如圖所示，T1T6管發(fā)射管發(fā)射結(jié)電壓結(jié)電壓VBE=0.7伏，試求伏，試求T3T6管的集電極電流管的集電極電流（IO），并說明），并說明T1的作用的作用mAIr11046 .147 . 0210103解：解：毫安、的電流分別為：推得代入實際的數(shù)值，根據(jù)8421T6T3R2R1IrIOT

11、1電流放大，以減少從參考電流中分出的基極電流。電流放大，以減少從參考電流中分出的基極電流。使一個參考電流較準確地控制多個電流源使一個參考電流較準確地控制多個電流源四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室3、微電流恒流源（、微電流恒流源（Widlar源）源）2221eEBEBERIVVmVKTqVtIIrIVtIIIVtIVVROOEEEEBEBEe26lnln2122212討論：（1）用中等電阻，可獲得較小的恒定電流例題：若VCC=30V，Ir=1mA，IO=10微安，求R和Re2；若用基本恒流源，Rr的值應(yīng)為多少？若VCC由30V下降至

12、15V。求兩種恒流源的IO值？（2）對電源電壓變化的抑制作用由上題可見：微電流恒流源有較好的電流穩(wěn)定性四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室4、基極電流補償恒流源（、基極電流補償恒流源（Wilson源）源） 圖圖6-32：應(yīng)用于較大電流的情況：應(yīng)用于較大電流的情況 消除基極電流的影響消除基極電流的影響 工作原理工作原理 流過基極的電流經(jīng)過流過基極的電流經(jīng)過T3管放大管放大 此電流提供了此電流提供了T1、T2管的基極電流和管的基極電流和T3管的管的集電極電流集電極電流 通過公式（通過公式（6-3335）得，輸出電流與參考電）得，輸出電流與

13、參考電流十分接近了流十分接近了 反饋補償作用反饋補償作用 穩(wěn)定工作點穩(wěn)定工作點四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室5、Pnp恒流源恒流源 PNP管恒流源在雙極型模擬電路中廣泛使管恒流源在雙極型模擬電路中廣泛使用用 根據(jù)電流源電路的特點：基極短接、發(fā)射根據(jù)電流源電路的特點：基極短接、發(fā)射極接同樣電位，因此采用多集電極橫向極接同樣電位，因此采用多集電極橫向PNP管就可等效出多個恒流源管就可等效出多個恒流源 優(yōu)點：可把偏置和恒流的幾個晶體管都作優(yōu)點：可把偏置和恒流的幾個晶體管都作在一個隔離島內(nèi)，而且共用一個發(fā)射極、在一個隔離島內(nèi)，而且共用一

14、個發(fā)射極、一個基極，從而節(jié)省了面積一個基極，從而節(jié)省了面積 缺點：誤差大、頻率特性差缺點：誤差大、頻率特性差 電路如圖電路如圖6-33四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室6、MOS恒流源恒流源（1）基本恒流源（如圖）基本恒流源（如圖6-34） T1、T2管為管為n溝道增強型溝道增強型MOS管管 工作原理工作原理 T1管柵漏短接，始終工作在飽和區(qū)管柵漏短接，始終工作在飽和區(qū) T2管與管與T1管工藝參數(shù)相同管工藝參數(shù)相同2TGSnDVVKI1212WLLWIrIO討論：I、考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，造成偏差I(lǐng)I、交流輸出電阻較高III、輸出電

15、壓擺幅：VCCVGS-VT、R電阻值比較大四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室（2）Wilson恒流源恒流源 電路圖與雙極型的相同，如圖電路圖與雙極型的相同，如圖6-36 引入負反饋，提高輸出電流的穩(wěn)定性，提高輸出引入負反饋，提高輸出電流的穩(wěn)定性，提高輸出阻抗阻抗 例：已知例：已知Wilson源的基準電流源的基準電流Ir=50微安，微安，MOS管的參數(shù)：管的參數(shù)：n=400cm2/S.V。Cox=3.810-8F/cm2，W1/L1=W2/L2=W3/L3=2，ro1=ro3=3.3105歐姆，求電路的輸出電流歐姆，求電路的輸出電流及

16、及輸出輸出電阻？電阻？GSDSmVIg2TGSnDVVKI公式6-42四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室襯底調(diào)制效應(yīng)襯底調(diào)制效應(yīng) 若若Ir=50微安、微安、VGS2=1V、n2Cox2= n3Cox3=210-5A/V2、襯底調(diào)制系數(shù)、襯底調(diào)制系數(shù)r=0.27V1/2，2F=0.8V、參考電壓：、參考電壓：5V、VTH=1伏。求伏。求T2、T3管的寬長比。管的寬長比。FGSFTHTVrVV222aSiOXFBSFTTNqCVVV21220在加上溝道長度調(diào)制效應(yīng)，計算較為復(fù)雜在加上溝道長度調(diào)制效應(yīng)，計算較為復(fù)雜四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)

17、院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室有源負載有源負載TCCCmVVRIRgA（1）電源電壓）電源電壓（2）集電極的負載電阻）集電極的負載電阻交流阻抗很大而直流電阻很小的負載原件作為放大器的負載交流阻抗很大而直流電阻很小的負載原件作為放大器的負載一般電阻負載共射放大器和射耦對中的一般電阻負載共射放大器和射耦對中的電壓增益：電壓增益：結(jié)論：結(jié)論： 在一般高增益集成放大器中，常用極性在一般高增益集成放大器中，常用極性 相反的恒流源輸出管來做負載。相反的恒流源輸出管來做負載。如圖如圖6-38、6-39所示，其主要特點所示，其主要特點 由于其較大的交流電阻，從而提高了

18、共射放大器的電壓增益由于其較大的交流電阻，從而提高了共射放大器的電壓增益 直流電阻并不大，電源電壓要求不高直流電阻并不大，電源電壓要求不高 電源電壓變化的范圍可以較寬電源電壓變化的范圍可以較寬 有源負載在集成工藝中容易實現(xiàn)有源負載在集成工藝中容易實現(xiàn)四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室課堂練習(xí)題課堂練習(xí)題 T1、T2為橫向為橫向pnp晶體管，電流增益為晶體管，電流增益為10；T3、T4管為縱向管為縱向NPN晶體管，電流增益為晶體管，電流增益為150。兩種。兩種晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓將均為晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓將均為1V。已知：。已知：Rr

19、=28千歐，千歐，Vt=0.026伏，伏，IC4=0.1毫安毫安 計算電阻計算電阻Re的值的值 電流電流IC2的值的值電路圖微電流恒流源（微電流恒流源（widlar源）源）Pnp恒流源電路恒流源電路OOeIIrIVtRln四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室MOS恒流源恒流源 電源電壓：電源電壓：5V，節(jié)點，節(jié)點1的電壓：的電壓：3V。 電子遷移率：電子遷移率：5002/VS。MOS柵氧化層厚度柵氧化層厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/ MOS管的閾值電壓：管的閾值電壓：0.7V。 其中其中M1管的寬長比：管

20、的寬長比：5 其它其它PMOS管的寬長比的比例：管的寬長比的比例：1：4：8 其它其它NMOS管的寬長比的比例：管的寬長比的比例：1：3：61212WLLWIrIO四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路開關(guān)型開關(guān)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路線性線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路( (小功率設(shè)備小功率設(shè)備) ) 穩(wěn)壓電路四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室基準源電路基準源電路 原理原理 高質(zhì)量的高質(zhì)量的IC內(nèi)部穩(wěn)壓電源，提供穩(wěn)定的偏置電壓或基內(nèi)部穩(wěn)壓電

21、源，提供穩(wěn)定的偏置電壓或基準電壓準電壓 要求：輸出直流電平穩(wěn)定，且對電源電壓和溫度變化要求：輸出直流電平穩(wěn)定，且對電源電壓和溫度變化不敏感不敏感 常用的標準電壓：常用的標準電壓： BE結(jié)的正向壓降結(jié)的正向壓降VBE=0.60.8V。溫度系數(shù)：。溫度系數(shù)：-2mV/ BE結(jié)構(gòu)成的齊納二極管（反向電壓）結(jié)構(gòu)成的齊納二極管（反向電壓）VBER=69V。溫。溫度系數(shù)：度系數(shù)：2mV/ 等效熱電壓：等效熱電壓：Vt=0.026V，溫度系數(shù)：，溫度系數(shù)：0.086mV/ 組合得到對電源電壓和溫度不敏感的電壓源和基組合得到對電源電壓和溫度不敏感的電壓源和基準電壓源準電壓源四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物

22、理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室正向二極管基準源電路正向二極管基準源電路 如圖如圖6-41：利用晶體管的：利用晶體管的be結(jié)正偏特性。結(jié)正偏特性。Vref=nVFn0.7VTVFnTVref電路的內(nèi)阻等于各個正向二級管的電路的內(nèi)阻等于各個正向二級管的n倍倍集電極電位相同的晶體管，可以放在同一隔離區(qū)，集電極電位相同的晶體管，可以放在同一隔離區(qū)，而此電路路而此電路路be結(jié)首尾相接，結(jié)首尾相接，bc結(jié)短接結(jié)短接所以需要單獨隔離，占用了芯片面積所以需要單獨隔離，占用了芯片面積改進：如圖改進：如圖6-42，利用電阻的分壓作用實現(xiàn)大的，利用電阻的分壓作用實現(xiàn)大的Vref四川大學(xué)

23、物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室齊納二極管基準源電路（圖齊納二極管基準源電路（圖6-43）穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理 利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性。利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性。（采用（采用bc結(jié)短接的晶體管）結(jié)短接的晶體管） 由于反向特性陡直，較大的電流變由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化?；?，只會引起較小的電壓變化。VIVOVZIZIRVRVO討論：討論：（1）二極管）二極管PN結(jié)分布不一致性及結(jié)分布不一致性及 其缺陷、雜質(zhì)、不均勻等因素其缺陷、雜質(zhì)、不均勻等因素（2）體電阻和接觸電阻）體電阻和接觸電阻（3）溫度系數(shù)）溫度

24、系數(shù)四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室具有溫度補償?shù)凝R納基準源電路具有溫度補償?shù)凝R納基準源電路二極管具有負溫度系數(shù)、齊納二極管的穩(wěn)定電壓具有正溫度系數(shù)，二極管具有負溫度系數(shù)、齊納二極管的穩(wěn)定電壓具有正溫度系數(shù)，形成圖形成圖6-44（a），實現(xiàn)溫度的補償。），實現(xiàn)溫度的補償。 參數(shù)參數(shù)型號型號穩(wěn)定電壓 V穩(wěn)定電穩(wěn)定電流流 mA溫度系數(shù)%/度動態(tài)電阻 最大穩(wěn)定電流 mA耗散功率 W2CW146 75100.0615330.252CW2013.5 1750.09550150.252CW7C6.1-6.5100.00510300.25由表可

25、以看出2CW7C的性能比較好。溫度系數(shù)小。其結(jié)構(gòu)如下：正向二極管 穩(wěn)壓管溫度補嘗圖6-44 版圖和剖面圖四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室負反饋基準源電路（圖負反饋基準源電路（圖6-45）改進后的優(yōu)點改進后的優(yōu)點實現(xiàn)溫度補償實現(xiàn)溫度補償T1、T2、DZ和電阻和電阻R組成反饋電路，從而保持穩(wěn)定組成反饋電路，從而保持穩(wěn)定由由T1射隨器輸出電壓，因此基準源的內(nèi)阻小射隨器輸出電壓，因此基準源的內(nèi)阻小四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室參考電壓源參考電壓源 齊納二極管基準電壓源齊納二

26、極管基準電壓源 圖圖6-46 利用電阻、二極管、齊納二極管的溫度系數(shù)來利用電阻、二極管、齊納二極管的溫度系數(shù)來求得一平衡點求得一平衡點 帶隙參考電壓源帶隙參考電壓源 圖圖6-47 利用利用BJT在不同的工作電流密度下，三極管的在不同的工作電流密度下，三極管的be結(jié)電壓溫度系數(shù)之差、結(jié)電壓溫度系數(shù)之差、be結(jié)本身的負溫度系結(jié)本身的負溫度系數(shù)來調(diào)節(jié)基準電壓數(shù)來調(diào)節(jié)基準電壓 Vref的數(shù)值與硅的禁帶寬度相近的數(shù)值與硅的禁帶寬度相近 通過疊加通過疊加VBE和增加電阻比值的方法實現(xiàn)較高和增加電阻比值的方法實現(xiàn)較高的參考電壓源的參考電壓源四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計

27、實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室應(yīng)用應(yīng)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成 VO =VI- -VR，當當VIR VR在一定程度在一定程度上抵消了上抵消了VI增加對輸出電壓的影增加對輸出電壓的影響。響。若負載電流若負載電流ILRVR在在一定程度上抵消了因一定程度上抵消了因IL增加，使增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。減小，對輸出電壓減小的影響。 串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖 串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準電壓、比較放大、取樣串聯(lián)式穩(wěn)

28、壓電路由基準電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。電路和調(diào)整元件四部分組成。T+_UIUO比較放大比較放大基基 準準取取 樣樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件調(diào)整元件+串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路:四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室實例實例L7805 Layout四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室L7805電路圖電路圖四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室 常用的集成三端穩(wěn)壓器的類型常用的集成三端穩(wěn)壓器的類型

29、類型：類型：L7800系列系列 穩(wěn)定正電壓穩(wěn)定正電壓 L7805 輸出輸出+5V L7809 輸出輸出+9V L7812 輸出輸出+12V L7815 輸出輸出+15V L7900系列系列 穩(wěn)定負電壓穩(wěn)定負電壓 L7905 輸出輸出-5V L7909 輸出輸出-9V L7912 輸出輸出-12V L7915 輸出輸出-15V四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室MOS基準源電路基準源電路 用用MOS管代替三極管代替三極管單元（飽和區(qū)）管單元（飽和區(qū)） 利用兩個溝道類型利用兩個溝道類型相同，而閾值電壓相同，而閾值電壓不同的不同的MOS管管

30、 CMOS帶隙基準電帶隙基準電壓源壓源四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室CMOS帶隙基準源（帶隙基準源（BiCMOS）原理原理利用利用MOSFET的亞閾區(qū)工作時電流的正溫度系數(shù)特性與的亞閾區(qū)工作時電流的正溫度系數(shù)特性與BJT的的BE結(jié)導(dǎo)通電壓結(jié)導(dǎo)通電壓VBE的負溫度特性互相補償，達到恒定的基準電壓輸出的負溫度特性互相補償，達到恒定的基準電壓輸出MOSFET亞閾區(qū)電流qnkTVVnkTVVqIITTTGSDSDSexp0條件：條件：VGS VT，見圖見圖6-48電流隨電壓電流隨電壓VGS的變化不是二次方而是指數(shù)性關(guān)系的變化不是二次方而

31、是指數(shù)性關(guān)系分界點，分界點，2n 4在在CMOS帶隙基準源中帶隙基準源中所有的所有的MOS管多工作在管多工作在亞閾值飽和狀態(tài)亞閾值飽和狀態(tài)四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室電路分析電路分析LWSSSSSRRqKTSSVBERIVVRBEref其中2341ln123522N溝溝M1、M3管與管與P溝溝M2、M4管分別是管分別是基本電流源電路，它們構(gòu)成了一閉合回路基本電流源電路，它們構(gòu)成了一閉合回路電阻電阻R1的負反饋作用的負反饋作用M3、M5管也是恒流源電路管也是恒流源電路特點特點 假設(shè)溫度系數(shù)為零3241ln31521000SSSS

32、SqRSKRTVBETVrefTTVTTVTVBEOgBE基準電壓調(diào)整到零溫度系數(shù)時，其輸出基準電壓值為半導(dǎo)體禁帶帶隙電壓四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室典型應(yīng)用典型應(yīng)用四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室典型應(yīng)用典型應(yīng)用四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 CMOS工藝技術(shù)工藝技術(shù) 模擬集成電路版圖技術(shù)模擬集成電路版圖技術(shù) 參考電壓源和參考電流源參考電壓源和參考電流源 CMOS單極放大器

33、單極放大器 CMOS運算放大器運算放大器 負反饋負反饋 D/A、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室主要內(nèi)容主要內(nèi)容 放大器基本原理放大器基本原理 共源極放大器共源極放大器 帶電流源的共源極放大器帶電流源的共源極放大器 其它單極放大器其它單極放大器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室放大器的種類放大器的種類 電壓放大器電壓放大器 跨阻放大器跨阻放大器 跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)放大器 電流放大器電流放大器 放大器的組成放大器的組成 前饋放大器前饋放大器 檢測輸出的方式檢

34、測輸出的方式 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) 產(chǎn)生反饋誤差的方式產(chǎn)生反饋誤差的方式VinVout四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室電壓放大電路的性能指標電壓放大電路的性能指標一、電壓放大倍數(shù)一、電壓放大倍數(shù)AuiouUUA |Ui 和和Uo 分別是輸入和輸出電壓分別是輸入和輸出電壓的有效值。的有效值。uiuoAuiouUUAAu是復(fù)數(shù)，反映了輸出和輸入的是復(fù)數(shù)，反映了輸出和輸入的幅值比與相位差。幅值比與相位差。四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室二、輸入電阻二、輸入電阻ri放大電路一定要

35、有前級（信號源）為其提供信號，放大電路一定要有前級（信號源）為其提供信號，那么就要從信號源取電流。那么就要從信號源取電流。輸入電阻輸入電阻是衡量放大是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，電路從其前級取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。AuUSiiiIUr定義：定義：即：即：ri越大，越大，Ii 就越小，就越小，ui就越接近就越接近uSiIiU四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室三、輸出電阻三、輸出電阻roAuUS放大電路對其放大電路對其負載

36、負載而言，相當于信號源，既是而言，相當于信號源，既是電壓源，電壓源，輸出電阻越大，在負載取得的電壓越輸出電阻越大，在負載取得的電壓越小，對負載的影響越大。小，對負載的影響越大。roUS四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室四、通頻帶四、通頻帶fAuAum0.7AumfL下限截下限截止頻率止頻率fH上限截上限截止頻率止頻率通頻帶：通頻帶：fbw=fHfL放大倍數(shù)隨頻率變化放大倍數(shù)隨頻率變化曲線曲線幅頻特性曲幅頻特性曲線線耦合電耦合電容造成容造成三極管結(jié)三極管結(jié)電容造成電容造成四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路

37、設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室五、飽和度五、飽和度iDvDSvGS輸入波形輸入波形uo輸出波形輸出波形四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室單端放大器單端放大器 共源極共源極四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室場效應(yīng)管的微變等效電路場效應(yīng)管的微變等效電路GSD),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDDuuiuuiiDSDSGSmurug 1GSDmuig 跨導(dǎo)跨導(dǎo)DDSDSiur 漏極輸出電阻漏極輸出電阻uGSiDuDS四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)

38、院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室很大，很大，可忽略?？珊雎?。 場效應(yīng)管的微變等效電路場效應(yīng)管的微變等效電路GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsLmuRgA四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室共源極放大器共源極放大器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室結(jié)論結(jié)論 放大器的重要參數(shù)放大器的重要參數(shù) 增益增益 信號擺幅信號擺幅 功耗功耗 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 工藝誤差和溫度漂移工藝誤差和溫度漂移 代電阻共源放大器：增益、成本和

39、頻率響應(yīng)代電阻共源放大器：增益、成本和頻率響應(yīng) 采用電流源設(shè)計采用電流源設(shè)計 高增益、輸入電阻大、輸出電阻大高增益、輸入電阻大、輸出電阻大 電壓放大器（高增益、輸入電阻大、輸出電阻?。╇妷悍糯笃鳎ǜ咴鲆?、輸入電阻大、輸出電阻小） 改進改進四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室其它晶體管放大器其它晶體管放大器四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室結(jié)論結(jié)論 Common-source stage: large voltage gain and transconductance, hi

40、gh input resistance, large output resistance excellent transconductance amplifier, reasonable voltage amplifier Common-drain stage: no voltage gain, but high input resistance and low output resistance good voltage buffer Common-gate stage: no current gain, but low input resistance and high output re

41、sistance good current buffer四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室典型應(yīng)用典型應(yīng)用四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室結(jié)論結(jié)論 三種放大器三種放大器 參數(shù)參數(shù) 功能功能 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 物理因素物理因素 電路分析電路分析 噪聲噪聲 電源電源 器件設(shè)計器件設(shè)計 信號干擾信號干擾四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室Differential Amplifiers四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)

42、物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室結(jié)論結(jié)論 In differential amplifiers signal represented by difference between two voltages. Differential amplifier: amplifies difference between two voltages but rejects ”common mode” ) noise immunity. Using ”half-circuit” technique, small-signal operation of differential a

43、mplifiers is analyzed by breaking problem into two simpler ones: differential-mode problem and common-mode problem. Common-mode rejection ratio: important figure of merit of differential amplifiers. Differential amplifiers require good device matching.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室

44、直流電平位移及差動直流電平位移及差動單端轉(zhuǎn)換電路單端轉(zhuǎn)換電路直流電平位移電路直流電平位移電路利用基極與集電極之間存在的電壓差（圖6-50）利用穩(wěn)壓二極管（圖6-52）利用源、漏之間存在的電壓差（圖6-53）差動差動單端轉(zhuǎn)換電路單端轉(zhuǎn)換電路為什么要位移？避免輸出端滿足不了零輸入零輸出條件輸出電壓的變化范圍減小把差分輸入的雙端輸出信號，全部轉(zhuǎn)換成單端輸出信號如圖6-54所示四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室差動差動-單端轉(zhuǎn)換電路單端轉(zhuǎn)換電路電路分析電路分析T1集電極電流變化量：IC1T2變化量： IC2輸入信號為相反信號，所以IC1=-

45、IC2VQ=2R1IC1相當于從P、Q兩點取出的電壓變化量該電路完成了把從P、Q兩點雙端輸出的信號變?yōu)镼點單端輸出的信號四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室用有源負載實現(xiàn)的差動用有源負載實現(xiàn)的差動-單端轉(zhuǎn)換單端轉(zhuǎn)換電路電路T3、T4組成鏡像電流源，作組成鏡像電流源，作T1、T2的負載。的負載。同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。T1管集電極電流的變化由T3、T4管組成的電流源鏡像到T2管的集電極T2管集電極電流本身引起的變化以上兩點共同決定了輸出端電流，和差分雙端輸出

46、相等四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室其它電路其它電路 圖圖6-55（b） CMOS電路電路四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室輸出級電路輸出級電路根據(jù)運算放大器的技術(shù)指標可以對其進行分類，主根據(jù)運算放大器的技術(shù)指標可以對其進行分類，主要有通用、要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗功耗等幾種。等幾種。射隨器輸出級射隨器輸出級互補推挽輸出級互補推挽輸出級CMOS輸出級輸出級 甲類偏置的甲類偏置的CMOS輸出級輸出級 CMOS互補輸出級互補輸出級輸出過流保護電路輸出過流保護電路四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室射隨器輸出級射隨器輸出級 圖圖6-56 T1：射極輸出管：射極輸出管 外部負載電阻外部負載電阻 T2、T3和和R1R3組成恒流源組成恒流源四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專用集成電路設(shè)計實驗室專用集成電路設(shè)計實驗室互補推挽輸出級互補推挽輸出級T1T2R1V+V-VinVout一個npn管和一個pnp管組成當Vth2Vi Vth1時，T1、T2都截止當ViVth1時，T2截止、T1導(dǎo)