模拟集成电路中的基本单元电路

会计学1模拟集成电路中的基本单元电路12.1单管、复合器件及双管放大级一、双极晶体管复合器件及双管放大级在双极模拟集成电路中，经常把两个或两个以上的有源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合三端器件和单元电路，如达林顿管、复合PNP管、射耦对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。1、达林顿管Q1、Q2管的集电极短接在一起，Q1的发射极与Q2的基极连接在一起，用恒流源I0(或用偏置电阻)来设定管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的集电极是短接的，所以可以共用一个隔离岛。上标C代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 复合管。第1页/共28页复合管的输入电阻复合管的等效直流电流增益复合管的低频小信号电流增益复合管的等效跨导复合管的等效输出电阻达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大，所以在集成电路中得到广泛的应用，但它的跨导和输出电阻比单管小，且芯片面积增大。第2页/共28页2、共集、共射单元第3页/共28页3、复合PNP管在双极模拟集成电路中有时要用到PNP管，但一般横向PNP管的电流增益较小，在需要较大电流增益的PNP管时，可用复合PNP管。它是由一个横向PNP管和NPN管组合而成，I0为偏置恒流源。在电路版图中，它需要两个独立的隔离区。第4页/共28页第5页/共28页二、MOS管放大级1．MOS源跟随器MOS管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器类似，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于(近于1)的特点，它在MOS集成运放中得到广泛应用。其源漏电阻rds2变化很小，基本上可以看作常数其源漏电阻rds2是一个变化的非线性电阻第6页/共28页2．MOS共栅放大器3．共源共栅放大器第7页/共28页4．CMOS放大器以上介绍的MOS放大器均为单沟道MOS放大器，它们的缺点是都存在衬偏调制效应，影响了放大倍数的提高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用CMOS放大器可以克服这种效应。(1)固定栅式CMOS放大器由于阱的隔离作用，两个MOS管的衬底可以分别接到各自的源上，因而基本上消除了因衬底偏置效应而导致的性能的退化。第8页/共28页M1为NMOS管，M2为PMOS管，两管的衬底与它本身的源短接，VBS＝0；另外，两管的栅短接，输入信号Vi同时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。(2)CMOS互补放大器在电路参数相同时，CMOS互补放大器的电压增益是固定栅式CMOS放大器电压增益的两倍，而两者的输出电阻相同；但固定栅式CMOS放大器的偏置要求比较简单。第9页/共28页若将CMOS放大器的电压增益和输出电阻与E/EMOS放大器、E/DMOS放大器的电压增益和输出电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下，gds比gm和gmb小一两个数量级，因而在相同的工作电流条件下，CMOS放大器的电压增益远高于E/E，E/D放大器，通常可达50～60dB，其输出电阻也比E/E、E/D放大器的输出电阻高；而且CMOS放大器有两种性能接近的互补管子，所以可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点，因此CMOS放大器被广泛地应用于MOS模拟大规模集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面积较大。第10页/共28页12.2恒流源电路恒流源电路被广泛用于作偏置电路和有源负载，其基本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。一、精密匹配电流镜它能达到精密匹配，是由于采用了以下几个 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ：(1)增加了Q3射随器缓冲，改善了IB引入的电流传输差；(2)利用R1=R2的负反馈，减小△VBE(VBE1－VBE2)引入的电流差；(3)为抵消IB3的影响，在Q2的集电极增加射随器Q4，利用Q4的IB4抵消IB3，进一步提高Ir和Io的对称性。第11页/共28页在双极模拟集成电路中，一般选用NPN管作为放大器件，它需要互补的PNP管作为有源负载以增加增益，所以PNP恒流源在双极模拟电路中得到广泛的应用。各种NPN恒流源都可化为PNP恒流源，只要以PNP管代替NPN管并改变电源接法和电流的方向。二、PNP恒流源第12页/共28页由于横向PNP管容易做成共基极多发射极多集电极结构，而且各集电极的电流比，精确地决定于各集电极对应的有效发射区周长之比。这正符合恒流源设计的要求，给电路设计带来很多方便，且可节省隔离岛的数目，减小管芯的面积。第13页/共28页12.3偏置电压源和基准电压源电路在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。在集成电路中，与电源电压无关的常用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电压有以下三类：(1)BE结二极管的正向压降VBE，VBE=0.6～0.8V，它的温度系数-2mV／℃；(2)由NPN管反向击穿BE结构成的齐纳二极管的击穿电压Vz，Vz＝6～9V，它的温度系数+2mV／℃；(3)等效热电压Vt＝26mV，温度系数+0.086mV／℃。这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用VBE和Vz，Vt的温度系数符号相反以及集成电路中元器件间匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标准电压加以不同的组合，可望得到不同的对电源电压和温度不敏感的电压源和基准电压。第14页/共28页一、双极型三管能隙基准源利用等效热电压Vt的正温度系数和VBE的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零。Vg0＝1.205V，是温度为0K时的硅外推能隙电压；n为常数，其值与晶体管的制作工艺有关。在选定参考温度T0后，只要适当设计R2/R3和J1/J2，即可使在该温度下基准电压的温度系数接近零。由于这种温度系数为零的基准电压，其值接近于材料的能隙电压Vgo，所以称为能隙基准源。第15页/共28页当需要较高的基准电压时，可在三管能隙基准源的输出基准电压上再叠加VBE和增加电阻比值，以实现接近5V的输出基准电压。第16页/共28页二、双极型二管能隙基准源三管能隙基准源输出是Vg0整数倍的基准电压，若要求输出电压不是Vg0的整数倍，可用二管能隙基准源。第17页/共28页改变R4/R5的比值，即可获得不同的输出，而又不会影响获得零温度系数的条件。适当选取R3的阻值，即可补偿由于基极电流流经R4产生的影响。采用这种电路可获得温漂小于0.0l％/℃，电压精度高达0.1％,而输出不是Vgo整数倍的基准电压。在双极电路中，EB结压降是重要的电参数，它随温度有明显的变化。能隙基准源就是通过合理的电路设计，设法补偿VBE随温度变化对输出电压的影响，以获得接近零温度系数的基准源。在MOS电路中的重要电参数是MOSFET的开启电压，它也随温度有明显的变化。我们同样可以通过合理的电路设计，来获得接近零温度系数的基准电压源。第18页/共28页三、E／DNMOS基准电压源E/DNMOS基准电压源是利用增强型与耗尽型MOSFET的开启电压之差形成温度稳定的基准电压源。在工作过程中，若由于某种原因引起VDl上升，将会引起VREF的上升，从而使IDE上升，最终导致VDl下降，这样保证了VREF的稳定性。此电路要求M1、M2工作于饱和区(这可以通过参数的合理选择做到)。第19页/共28页第一增益级由M1～M4和M15构成，M3、M4是有源负载。M1～M4组成的源耦合对采用双端输出，其输出送至第二级差分放大器的输入端(M5、M6)的栅极。设计有源负载M3、M4时，不仅要求有较高的输出阻抗，而且要求其特性应严格匹配，以使M1、M2中的电流相等。为了保证M3、M4有相同的开启电压，其源极的电压(相对于衬底)必须相等。第20页/共28页即使当M9的负载电流发生变化时，M7和M8的源极电压(即M5与M6的漏极电压)始终相等。由于M5和M6的电流和Vds都各自严格匹配，这就保证了M5与M6有相等的栅极电压，从而使M3与M4的衬源和漏源电压相等。第二级差放采用单端输出，输出送至M9和M10组成的源跟随器，再由源跟随器输出基准电压VREF。第二级增益电路由M5～M8以及M14组成，它们的作用是保证M3、M4的源极电压相等，同时完成双端到单端的转换。M7、M8是匹配的耗尽型MOS对管，当它们的电流相等时，应有VGS7＝VGS8＝0。第21页/共28页M11～Ml5为偏置电路，提供恒流偏置，它使电路中各耗尽型器件均工作在饱和区。M16偏置是两级放大电路的总电流(I1＋I2)，由于此电路中各器件的电压及电流仅决定于M16的电流及各器件的几何尺寸，所以电路的电源电压抑制比较高。此电路的输出电压VREF≈VTE－VTD，通过适当地控制离子注入工艺，可适当改变VREF的值。若要求基准电压能在较大范围内变化，且有较精确的绝对值，可用图12.20所示的电路，此时输出电压为第22页/共28页四、CMOS基准电压源利用MOSFET在次开启区的饱和漏电流随电压呈指数关系的特性，可以制作温度系数较小的CMOS基准电压源。根据MOS晶体管次开启区电特性的理论分析，当N沟MOSFET工作在次开启区时，若其源极电压不为零，则其漏电流可表示为VGB、VSB、VDB分别表示栅极、源极和漏极对衬底的电位；m是和衬偏调制系数有关的系数；ID0称为特征电流，它表示MOSFET的宽长比W／L＝l和各电极对地(衬底)电位为零时的漏极电流。第23页/共28页CMOS基准源的基本出发点是利用上述指数特性，产生与绝对温度成正比的电压源(称为PTAT源)的正温度系数，补偿双极型晶体管BE结压降的负温度系数，从而得到温度系数较小的基准电压源。PTAT源中的M1、M3和M5组成第一组镜像恒流源，它们的VGS均相等，但W/L不同；M2、M4组成第二组镜像恒流源，并与第一组恒流源构成反馈式闭合环路。假定M1～M5均工作于次开启区，它们的输出特性如图所示。由图可见，当VDS>3Vt时，即处于饱和区。1．PTAT源的工作原理第24页/共28页第25页/共28页2．CMOS基准电压源的工作原理VREF由两部分组成，一部分(I5R2)是随温度上升而增加的；另一部分(VBE)则是随温度上升而减小的。这就使VREF随温度的变化得到了补偿。第26页/共28页作业12.2、12.3、12.10、12.13第27页/共28页