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1、国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良1第八章第八章 模拟集成电路中模拟集成电路中 常用单元电路常用单元电路 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良28-1 恒流源电路恒流源电路 恒流源电路的基本工作原理是基于一定的恒流源电路的基本工作原理是基于一定的参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关参考电流，提供一个与参考电流成一定比例关系的恒定电流。系的恒定电流。 恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、恒流源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。由于它能提供恒定广泛应用的单元电路之一。由
2、于它能提供恒定的工作电流和很高的动态电阻，的工作电流和很高的动态电阻，常常用于提供常常用于提供稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，稳定的偏置电流和做放大器的负载电阻，以便以便获得稳定的电路性能和大的增益。获得稳定的电路性能和大的增益。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良3 思考题思考题1. 恒流源单元电路有哪些种类恒流源单元电路有哪些种类？各自的特？各自的特点有哪些？点有哪些？2. 恒流源作为有源负载有哪些特点？恒流源作为有源负载有哪些特点？3. 设计恒流源时应注意哪些问题？设计恒流源时应注意哪些问题？ 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设
3、计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良48.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源设设T1和和T2完全相同完全相同 则：则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Ic2 因此：因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 =Io+ 2Ib2 = Io ( +2)/ VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因为：因为： 1所以：所以：Ir IoIr= (V-VBE)/Rr国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良58.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源基本型电流镜恒流源 该电路具有温度补偿作用
4、：该电路具有温度补偿作用： 温度温度 Io Io Ic1 Ir VR (IrRr) Vb IbVRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良68.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 2. 面积比面积比恒流源恒流源设设T1和和T2发射结面积为发射结面积为AE1和和AE2 则：则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2 而：而： Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 则则:Ir =Io ( AE1/AE2+AE1/AE2+1)/ 因为：因为： 1， AE1/AE2值较小值较小所以：所以：Ir IoAE1/A
5、E2即：即： Io / Ir = AE2/AE1VRrIrIoT1T2Ib1Ib2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良78.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 3. 小电流小电流恒流源恒流源(Widlar电流源电流源)Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2 VBE1 = IE2R2 + VBE2 则：则： IE2R2 = VBE1 VBE2 = VTln(IE1/IE2)因此近似有：因此近似有： Io= (VT /R2 ) ln (Ir/Io) 根据已知的根据已知的Ir 和需要的和需要的Io ，就可以求出要设计的就可以求出要设计的R2。其中：
6、其中： VT =KT/q (热电压热电压) 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良88.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 4. 多支路多支路恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+(1+N)Ib = Io + (1+N)Io/ 即：即：Io / Ir = / + (1+N) 可见，支路数增加，可见，支路数增加，会使会使Io 与与 Ir的差值增大。的差值增大。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良98.1.1 np
7、n恒流源电路恒流源电路 5. 带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIoT1T2VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 = Ib1+Ib2 =2Ib2 =2Io/ 可见，可见，Io 与与 Ir的差值明显减小。的差值明显减小。 则：则：Ir = Io+2Io / ( +1) = Io 1+ 2/ ( +1)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良108.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 5. 带有缓冲级的带有缓冲级的恒流源恒流源VRrIrIo1T1T2Io
8、2T3IoNTN+1VT0设晶体管均相同，则：设晶体管均相同，则： Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/( +1)而：而： IE0 =(1+N)Io/ 可见，可见，Io 与与 Ir的的差值明显减小。差值明显减小。 则：则：IoIr = 2+ 2+ +N+1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良118.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6. 具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2222III1I21IIII21I )1()21(1)21(I
9、I)21(II2IIIIIII22ro3c3c3b2cr3c3c3e2c2c2b2c3e3b2c3b1cr 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良128.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 6. 具有补偿作用的具有补偿作用的恒流源恒流源(Wilson电流源电流源)VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2IoIr = 2+ 2 2+2 +2 这种电流源不仅使这种电流源不仅使Io 与与 Ir的差的差值非常小，而且还具有负反馈补值非常小，而且还具有负反馈补偿特性，更有利于工作点的稳定。偿特性，更有利于工作点的稳定。补偿过程补偿
10、过程: 当由于某种原因使当由于某种原因使Io增增大，则大，则Ie3 Ic2 Ic1 。而。而Ir= Ic1+Ib3不变，则不变，则Ic1 Ib3 Io 。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良138.1.1 npn恒流源电路恒流源电路 7. 版图举例版图举例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良148.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 1. 概述概述 在双极型模拟集成电路中，经常是在双极型模拟集成电路中，经常是npn管管和和pnp管互补应用，因
11、此管互补应用，因此pnp恒流源同样得到恒流源同样得到广泛的应用。广泛的应用。 pnp恒流源电路形式与恒流源电路形式与npn恒流源相同，恒流源相同，只是改变电源的接法和电流方向。只是改变电源的接法和电流方向。 值得注意的是值得注意的是PNP恒流源一般是由横向恒流源一般是由横向PNP管组成，而横向管组成，而横向PNP管的增益（管的增益（ ）远远）远远小于小于NPN管的增益（管的增益（ ） ，因此，因此，PNP恒流源恒流源中中Io 与与 Ir的近似程度较大。的近似程度较大。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良15IrIo1T1T2RrT3VDDIr
12、Io1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电路图举例国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良168.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电路图举例IrIo1T1T2RrVDD)21(I I2I I2I I2IIo2c2cb2cb1cr 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良178.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 2. 单元电路图举例单元电
13、路图举例IrIo1T1T2RrT3VDD)221(IIIII)11(III2I2orro1co3e2c2c 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良188.1.2 pnp恒流源电路恒流源电路 3. 单元版图举例单元版图举例国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良198.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源)V1()VV(LWC21IV21V)VV(LWCIDS2TGSOXnD2DSDSTGSOXnD 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2
14、022-8-1 韩韩 良良208.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源DoutD2TGSOXnDSDdsI1rI )VV(LWC21VIg 上述电流源上述电流源/漏需要在两方面加以改进，一漏需要在两方面加以改进，一是增加小信号输出电阻，二是减小是增加小信号输出电阻，二是减小VMIN的值。的值。 有图可见，有图可见，MOS只有工作在饱和区时才是只有工作在饱和区时才是一个较好的电流漏。即一个较好的电流漏。即vOUTVGG+VTN。)V1()VV(LWC21IDS2TGSOXnD 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩
15、 良良218.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i rir )Vgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良228.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电流源2s2gsVV 入接地，因而入接地，因而求交流输出阻抗时，输求交流输出阻抗时，输rrg rrg)rr ( ivrrrig)rr (i rVg)rr (iv2ds2m2ds2m2dsoutoutout2dsout2m2dsout2ds2S
16、2m2dsoutout 2ds2gs2m2dsoutout2ds2gs2moutoutrVg)rr (i rir )Vgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良238.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流电流漏和电流源源1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 12gs1gsvv , 0v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良248.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 1. 电流漏和电流源电流漏和电
17、流源2ds1ds2mbs2m2ds1dsoutoutout1dsout2ds1ds2mbsout1ds2moutoutoutrr )gg(rr ivrrir )rgirgii (v 12gs1gsvv , 0v 1ds1gs1mout2ds2bs2mbs2gs2moutoutr )vgi (r )vgvgi (v 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良258.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源基本电流镜恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 只要使只要使MOS管都工作在饱管都工作在饱和区
18、和区(忽略沟道长度调制），忽略沟道长度调制），由：由： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2 = : :WL)1(WL)2(WL)3(得：得： Ir一定，一定，Io与输出端电压无与输出端电压无关。如沟道长度取一定值，关。如沟道长度取一定值，则取决于沟道宽度之比。则取决于沟道宽度之比。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良268.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 若考虑沟道调制效应，若考虑沟道调制效应，M
19、OS管工作在饱和区电流公式为：管工作在饱和区电流公式为： nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+ VDS)其中沟道调制系数：其中沟道调制系数： =L1 因此，输出电压对输出电因此，输出电压对输出电流产生一定的影响。为减小这流产生一定的影响。为减小这一影响，沟道长度应选大一些。一影响，沟道长度应选大一些。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良278.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 2. 基本电流镜恒流源（续基本电流镜恒流源（续2） 因此，沟道长度选大一因此，沟道长度选大一些，还有利于提高输出电些，还有利于提高输出电阻阻 。另外，小
20、电流工作时。另外，小电流工作时输出阻抗更高。输出阻抗更高。M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc 电流源输出电阻电流源输出电阻(MOS管饱和导通电阻管饱和导通电阻)：rds= = IDS1IDSL国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良288.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3.级联结构的恒流级联结构的恒流源源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC nCox2IDS1=WL(VGS-VT)2(1+ VDS1)( )1 nCox2IDS2=WL(VGS-VT)2(1+ VDS2)( )2IDS1IDS
21、2=IrI0=WL( )1WL( )2(1+ VDS1)(1+ VDS2)需保证需保证 VGS3= VGS4国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良298.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 3.级联结构的恒流级联结构的恒流源源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC 由于由于M4屏蔽了输屏蔽了输出电压的变化对出电压的变化对M2的的作用，使输出电流不作用，使输出电流不受输出电压的影响，受输出电压的影响，减小了沟道长度调制减小了沟道长度调制的影响，同时也大幅的影响，同时也大幅度提高了输出阻抗。度提高了输出阻抗。 其缺点是为了使其缺
22、点是为了使晶体管都工作在饱和晶体管都工作在饱和区，输出电压变化范区，输出电压变化范围减小了。围减小了。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良308.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4. Wilson(威尔逊）恒流威尔逊）恒流源源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc 该电流源的输出阻抗该电流源的输出阻抗较高较高(与级联结构相似与级联结构相似)。 该电流源具有负反馈该电流源具有负反馈作用，使作用，使Io 的变化能得到的变化能得到补偿，提高了输出电流的补偿，提高了输出电流的稳定性。稳定性。 增加增加M3的的W/L可以增可以增强对输出
23、电流变化的调节强对输出电流变化的调节能力。能力。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良318.1.3 MOS型型恒流源电路恒流源电路 4. Wilson(威尔逊）恒流威尔逊）恒流源源M1M2IrIoM3 Io Io I2 I1 Vds1 Vgs3Ir恒定恒定国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良328.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 1. 双极型电路举例双极型电路举例放大放大器件器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大放大器件器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo国际微电
24、子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良338.1.4 恒流源作有源负载恒流源作有源负载 2. CMOS电路举例电路举例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大放大器件器件放大放大器件器件国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良348-2 单级放大器单级放大器 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良35 8.2.1共发射极共发射极 1. 基础知识回顾基础知识回顾TBESCVVIIexpkTqIVIVVVIVVIdVdd
25、VdIgCTCTBETSTBESBEBECm expexpBCEmmBCBmBEmCggIIrrIgVgI 1 CbCrogmV1EBr+_V1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良36 8.2.1共发射极共发射极 1. 基础知识回顾基础知识回顾BCECrogmV1EBr+_V1rexrbCCCCSrrc=5020k 5 300 2.5k 0.4pF5.4fF20M 10fF国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良37 8.2.1共发射极共发射极 2. 共发射极放大器共发射极放大器TViVccVo
26、IbIcRcCro RcgmV1Br+_V1ioii+_vivo+_miiigrivRocvoorRivRi|00)|()|(1ocmiovocmorRgvvarRvgv国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良38 8.2.1共发射极共发射极 3. 射极跟随器射极跟随器TViVccVoIiIoRLCro RLgmV1=iiBr+_V1ii+_vivo_+)|(111 |111|111|LoLoioLooiLoooioiRrrRrrrvvRrrvrvRrvrvvrvv 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩
27、韩 良良39 8.2.1共发射极共发射极 3. 射极跟随器射极跟随器LmLmLomLomLomLomLomLoioRgRgRrgRrgRrgRrgRrgRrrvv1 )|(1)|()|(111 )|(11)|()1 (11 )|)(1 (11国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良40 8.2.2共源级共源级 1. 采用电阻负载的共源级采用电阻负载的共源级M1VccVinVoutRD2)(21THinOXnDCCoutVVLWCRVV 进一步增大进一步增大Vin，Vout下降更多，管子下降更多，管子继续工作在饱和区，直到继续工作在饱和区，直到Vi
28、n= Vout+VTH，这时这时211)(21THinOXnDCCTHinVVLWCRVVV 减小。如果减小。如果Vcc不是很小，不是很小， M1饱和饱和导通，可以得到导通，可以得到 如果输入电压从零开始增大，如果输入电压从零开始增大，M1截止，截止，Vout=VCC，当当Vin接近接近VTH时，时，M1开始导通，电流流经开始导通，电流流经RD，使，使Vout国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良41 8.2.2共源级共源级 由上式可以计算出由上式可以计算出Vin1，当，当Vin Vin1时，时， M1工作在工作在线性区：线性区：M1VccVi
29、nVoutRD21)(22outoutTHinOXnDCCoutVVVVLWCRVV 因为在线性区跨导会下降，通常确保因为在线性区跨导会下降，通常确保管子工作在管子工作在饱和区饱和区，即，即Vout Vin VTH。定。定义小信号增益义小信号增益DmTHinOXnDinoutvRgVVLWCRVVA )(DOXnTHinOXnmILWC2)VV(LWCg 跨导跨导国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良42Vout 8.2.2共源级共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级21)/()/(LWLWAPnv M1VccV
30、inM2国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良43Vout 8.2.2共源级共源级 2. 采用二极管联接的负载的共源级采用二极管联接的负载的共源级21)/()/(LWLWAPnv M1VccVinM221212221)()( )()()()( )()(21 )()(21LWLWVVAVVVVVLWLWVVLWCVVLWCIpninoutVToutDDTinpnTGSOXpTinOXnD即方法一方法一国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良44Vout 8.2.2共源级共源级 M1VccVinM2g
31、m1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_gm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vout+_212121212221212121211|1|1 |1 11 1)1 ( )|)(mmoommVoomommomomominoutVomoutoinmoutoooutminmggrrggArrgrggrgrgrgVVArgVrVgVrrVgVg）（于是即分数部分显然表示的是方法二方法二国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良45 8.2.2共源级共源级 212122121111)()()( )()()( )()(LWLWggIL
32、WCVVLWCgILWCVVLWCgpnmmDOXpTGSOXPmDOXnTGSOXnm国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良46 8.2.2共源级共源级 3.采用电流源负载的共源级采用电流源负载的共源级M1VccVinM2VbVoutgm1VinVinVoutrds1rds2gm2Vgs2+_简化简化Vout=- gm1Vin(rds1/rds2)211dsdsminoutvgggVVA gm1VinVinVoutrds1rds2+_国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良47 8.2.2共源级
33、共源级 4.推挽结构推挽结构M1VccVinM2Voutgm1VinVinVoutrds1rds2 gm2Vin+_Vout=- (gm1+ gm2)Vin(rds1/rds2) 2121dsdsmmvggggA gm1VinVinVoutrds1rds2+_gm2Vin简化简化国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良48 8.2.2共源级共源级 5.源跟随器源跟随器 outbsoutgsinoutbsmbgsmVVVVVRVVgVg简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutr
34、orsgmbVbs+_+_SR|R )(1)1()(ombmminoutvoutmbminmoutoutmboutinmrRggRgVVAVggRVgRVVgVVg国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良49 8.2.2共源级共源级 5.源跟随器源跟随器 简化简化M1VccVinVoutRSgm1VgsVinVoutroRsgmbVbs+_GgmVgsVinVoutrorsgmbVbs+_+_ 1SmSminoutvRgRgVVAro Rs ，忽略衬底效应SoR|rR )(1RggRgVVAmbmminoutv国际微电子中心国际微电子中心集成电路
35、设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良50 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRDSmDmDmvSmmmSmmDSvTGSOXninDmTSDoDDinOXnTGSOXnDRgRgRGARggGRGgRRAVVLWCVIGVRRVVVLWCVVLWCI11)1 ( )1)()(21 )(2122方法一方法一如果RS1/gm，则 ，也就是 ，这表明Vin的大部分变化落在RS上，漏电流是输入电压的线性函数。这种线性化的获得是以牺牲增益和高的噪声为代价的。SmRG/1SinDRVI/国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计
36、原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良51 8.2.2共源级共源级 5.带源极负反馈的共源极带源极负反馈的共源极 M1VDDVinVoutRSRDSmDmvinSmDmoSmingsSgsmingsDgsmoRgRgAVRgRgVRgVVRVgVVRVgV111方法二方法二gm1VgsVinVoutroRs+_国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良528-3 基准电压源电路基准电压源电路 基准电压源是利用二极管的正向压降、齐基准电压源是利用二极管的正向压降、齐纳二极管的击穿电压和热电压具有一定的固纳二极管的击穿电压和热电压具有一定的固
37、定值的特性，以及它们具有正的或负的温度定值的特性，以及它们具有正的或负的温度系数可以相互补偿的特点来设计的。一般采系数可以相互补偿的特点来设计的。一般采用恒流源作偏置电流进一步稳定工作点。用恒流源作偏置电流进一步稳定工作点。 基准电压源电路是模拟集成电路中非常重基准电压源电路是模拟集成电路中非常重要、广泛应用的单元电路之一。其作用是提要、广泛应用的单元电路之一。其作用是提供稳定的偏置电压或作基准电压。一般要求供稳定的偏置电压或作基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定、内阻小、这些电压源的直流输出电平较稳定、内阻小、对电源电压和温度不敏感。对电源电压和温度不敏感。国际微电子中心国际微电
38、子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良53 思考题思考题1. 基准电压源的作用是什么基准电压源的作用是什么？2. 基准电压源有哪些类型？各自的特点基准电压源有哪些类型？各自的特点是什么？是什么？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良548.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 1. 基本原理及特点基本原理及特点ViVrefN个个RVref = NVF 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结二极管结二极管。 温度系数（温度系数（负温度系数负温度系数）和内阻）和内阻Rr都很大，与串联个数成正比。都很大，与串联个
39、数成正比。 输入电压的变化将引起输出电压的输入电压的变化将引起输出电压的变化：变化： Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供电，稳定输出可采用恒流源供电，稳定输出。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良558.3.1 正向二极管基准源正向二极管基准源 2. 电路及版图电路及版图VrefGNDVDDViVrefViVref国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良568.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 1. 基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的
40、BE结反结反向二极管。向二极管。 正温度系数正温度系数和和内阻内阻Rr都很大。都很大。 BE结面击穿有先有后，随着电流增结面击穿有先有后，随着电流增加击穿电压也增加。加击穿电压也增加。 输入电压的变化将引起输出电输入电压的变化将引起输出电压的变化压的变化: Vref = ViRr /(R+Rr)可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。可采用隐埋齐纳二极管。可采用隐埋齐纳二极管。Vref = VRViVrefRVR国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良578.3.2 齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 2.电路及版图电路及版图ViVre
41、fViVrefGNDVrefVDD国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良588.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 1.基本原理及特点基本原理及特点 一般用一般用NPN管管BC短接的短接的BE结结二极管（一正一反）二极管（一正一反）。 温度系数接近于零。内阻温度系数接近于零。内阻Rr较大。较大。 Vref = ViRr /(R+Rr) 输入电压的变化将引起输出电压输入电压的变化将引起输出电压的变化。的变化。可采用恒流源供电稳定输出。可采用恒流源供电稳定输出。Vref =VF+VRViVrefRVFVR国际微电子中心国际微电子中心集成电路
42、设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良598.3.3具有温度补偿基准源具有温度补偿基准源 2.电路及版图电路及版图ViVrefViVrefGNDVrefVDD国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良608.3.4带隙基准带隙基准 1.负温度系数负温度系数 研究表明，双极晶体管的基极研究表明，双极晶体管的基极-发射极电发射极电压，或者更一般的说，压，或者更一般的说，pn结二极管的正向电压，结二极管的正向电压，具有负温度系数。具有负温度系数。 2.正温度系数正温度系数 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流如果两个双极晶体管工作在不相等的
43、电流密度下，则它们的基极密度下，则它们的基极-发射极电压的差值与绝发射极电压的差值与绝国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良618.3.4带隙基准带隙基准对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶对温度成正比。如图所示，如果两个相同的晶体管体管(IS1=IS2)偏置在集电极电流分别为偏置在集电极电流分别为nI0和和I0，(忽略基极电流忽略基极电流)则则nI0I0Q1Q2VDD+ -BEV nlnV IIlnVInIlnV VVVT2S0T1S0T2BE1BEBE nqkTVBEln 因为因为所以所以 正温度系数正温度系数国际微电子中心国际微电子中
44、心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良628.3.4带隙基准带隙基准 3.带系基准带系基准 如果令如果令 VREF=a1VBE+ a2VBE= a1VBE+ a2(VTlnn) 已知室温下室温下KmVTVKmVTVTBE /087. 0/5 . 1 取取a1=1， 令令0 TVREF得得 2 .17ln 5 . 1ln087. 022 nana即即VREF VBE+17.2VT1.25V国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良638.3.4带隙基准带隙基准 假设我们用某种方法强制假设我们用某种方法强制VO1= VO2。 那
45、么，那么，VBE1=RI+VBE2 即，即， IR = VBE1 -VBE2 现在来实现这个电压。现在来实现这个电压。IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2 晶体管晶体管Q2是有是有n个并列的单元组成，而个并列的单元组成，而Q1是一个晶体管单元。是一个晶体管单元。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良648.3.4带隙基准带隙基准 所以，所以， VO2 = VBE2+VTlnn，这意味着如果这意味着如果lnn17.2， VO2就可以作为与温度无关就可以作为与温度无关的基准。的基准。 IIQ1VDDQ2AnARVO1VO2nIIIIIIIIVVS
46、SSSBEBElnV nlnVlnV lnVlnV IRTTT2T1T21国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良658.3.4带隙基准带隙基准 上面的电路有两个问题：上面的电路有两个问题： 放大器放大器A1 驱动驱动R1和和R2(R1=R2)上端，使上端，使X和和Y点稳定在近似相点稳定在近似相等的电压上。等的电压上。 下图可以解决上述问题。下图可以解决上述问题。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +Vout_A1 2、lnn=17.2，n的值会相当大。的值会相当大。30000000! 1、我们需要保证、我们需要保证VO1= VO2；国际微电
47、子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良668.3.4带隙基准带隙基准由前面的分析得由前面的分析得 VBE1 -VBE2=VTlnn，于是右边，于是右边支路的电流为支路的电流为VTlnn/ /R3，因此输出电压为，因此输出电压为)1(ln )(ln3222332RRnVVRRRnVVVTBETBEout 为了得到零温度系数，为了得到零温度系数，必须使必须使(1+ R2/R3)lnn 17.2。如果选择。如果选择n=31，则则R2/R3=4。Q1Q2AnAR3XYR2R1- -+ +Vout_A1国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理
48、2022-8-1 韩韩 良良678.3.5 MOS型能隙基准源型能隙基准源 面对当今低电压大规模集成的需要，面对当今低电压大规模集成的需要，低电压低功耗带隙基准源是目前研究的低电压低功耗带隙基准源是目前研究的一个主要发展方向。一个主要发展方向。 目前在目前在N阱阱CMOS工艺下设计工艺下设计CMOS型带隙基准源多数都要利用型带隙基准源多数都要利用“寄生寄生PNP管管”和和MOS管的次开启特性。实质上仍管的次开启特性。实质上仍是利用是利用VBE和和VT的温度特性。的温度特性。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良688.3.5 MOS型基准源型基
49、准源电路及原理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL其中其中VGB, VSB, VDB分别分别为栅极、源极和漏极对为栅极、源极和漏极对衬底的电位；衬底的电位；m是和衬是和衬偏调制系数有关的系数；偏调制系数有关的系数；IDO称为特征电流。称为特征电流。 设设M1、M2工作于次工作于次开启，令开启，令 =W/L，则有：，则有：国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良698.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原
50、理电路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次开启时：管工作于次开启时：IDS ( )ID0 eVGB/mVT e-VSB/VTWL 1 2e(VSB2- VSB1)/ VT= 1 2eVR1/VT = 3 4Io = ( 5 / 4) ( VR1 /R1 )VR1=VTln 3 2 4 1I1I2=VGB2=VGB1, VSB1=0, VGB4=VGB3, VSB4= VSB3= 0, 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-8-1 韩韩 良良708.3.5 MOS型基准源型基准源电路及原理电路及原理（续（续1）