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1、经典模拟集成电路设计基础第1页，此课件共47页哦6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性 自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有“连续连续”的特性，都属于模拟量；的特性，都属于模拟量；被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化；采样和离散化处理，将模拟信号数字化；经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；过进一步放大才能成为能够被人接受的
2、形式；第2页，此课件共47页哦6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性在宽带、高频信号（光信号、射频信号等在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数字化的难度的处理中，数字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低噪声放大、模拟滤波等）；极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低噪声放大、模拟滤波等）；工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致；分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致；数模混合的片上系统（数模混合的片上系统（SOC）的大
3、量出现；）的大量出现；第3页，此课件共47页哦典型的信号处理系统的构成框图典型的信号处理系统的构成框图6.1 模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性第4页，此课件共47页哦 基本电流镜及比例电流源基本电流镜及比例电流源 V0支路为参考支路，为整个电路提供支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流和参考电流Ir；V1支路为镜像支路，支路为镜像支路，V1管与管与V0管的沟道宽长比相同；管的沟道宽长比相同；V2支路为比例电流支路，支路为比例电流支路，V2管与管与V0管得沟道宽长比为管得沟道宽长比为A，即：即：6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放
4、大器第5页，此课件共47页哦 工作原理工作原理根据根据MOS管的电流方程：管的电流方程：由于个由于个MOS管的工艺参数相同，栅源电压也相同。所以，管的工艺参数相同，栅源电压也相同。所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：在沟道调制效应很小的情况下，有：6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 基本电流镜及比例电流源基本电流镜及比例电流源第6页，此课件共47页哦 特点：特点：增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器
5、共源共源共栅电流源共栅电流源第7页，此课件共47页哦6.2.1 MOS电流源电流源6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器I0 工作原理工作原理该电路相当于两个镜像该电路相当于两个镜像电流源的串联。如果保证：电流源的串联。如果保证：共源共源共栅电流源共栅电流源则有：则有：，于是：于是：，可以忽略，可以忽略沟道调制效应。沟道调制效应。第8页，此课件共47页哦互补性互补性CMOS放大器中负载管放大器中负载管V2由由PMOS管构成，管构成，UBS2、UGS2=0，故，故RO2=rds2。由于。由于rds2很大，所以该电路具有很大，所以该电路具有很高的电压增益。很高的电压增益。为了增
6、大增益又能避免在为了增大增益又能避免在IC中制造大的电阻，一般中制造大的电阻，一般在放大电路中采用有源负载。由于在放大电路中采用有源负载。由于NMOS管的各项性管的各项性能均优于能均优于PMOS管，所以放大管多采用管，所以放大管多采用NMOS管，负载管管，负载管则可以使用则可以使用PMOS管，从而构成互补性管，从而构成互补性CMOS放大器。放大器。6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 有源负载有源负载CMOS放大器放大器第9页，此课件共47页哦差动放大对管差动放大对管 电路构成电路构成上面电路中，上面电路中，V1、V2管组成差动放大
7、对管，管组成差动放大对管，V3、V4组成镜像组成镜像电流源作为差动对管的有源负载，电流源作为差动对管的有源负载，V5、V6管组成比例电流管组成比例电流源提供偏置电流。源提供偏置电流。6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器第10页，此课件共47页哦 工作特性工作特性 静态输出电流静态输出电流ILQ为为0;差模增益差模增益Aud:6.2.2 CMOS运算放大器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器第11页，此课件共47页哦6.2.2 CMOS运算放大
8、器运算放大器6.2 MOS电流源和电流源和CMOS运算放大器运算放大器 CMOS差动放大器差动放大器 工作特性工作特性rds4|rds2RL时：时：即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。rds4|rds2Uref，最高位数字输，最高位数字输出为出为“1”，并以，并以2Ui与与Uref之之差作为次高位的模拟输入差作为次高位的模拟输入电压；电压；若若2UiUref，则最高位输出，则最高位输出为为“0”，并以，并以2Ui作为次高位作为次高位的模拟输入电压；的模拟输
9、入电压；重复上述过程直至所有位比重复上述过程直至所有位比较完毕；较完毕；6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器第41页，此课件共47页哦DIi 电流模算法电流模算法A/D转换器电路转换器电路镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源若若D=1，V9导通，导通，Ii=2Ii-Iref若若D=0，V9截止，截止，Ii=2Ii镜像电流源镜像电流源6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器第42页，此课件共47页哦6.4.1 A/D转换器的电
10、路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 电路特点电路特点输入输出量全是电流，具有面积小，电压低，输入输出量全是电流，具有面积小，电压低，功耗低，速度快，噪声干扰小，电路简单，功耗低，速度快，噪声干扰小，电路简单，用全用全CMOS电路实现。电路实现。第43页，此课件共47页哦6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 电流比较器电流比较器URO两个两个CMOS反相器反相器电流源相减电路电流源相减电路第44页，此课件共47页哦6.4.1 A/D转换器的电路结构转换
11、器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题第45页，此课件共47页哦6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题电流误差定义为：电流误差定义为：因为因为第46页，此课件共47页哦6.4.1 A/D转换器的电路结构转换器的电路结构6.4 模模/数（数（D/A）转换器）转换器 算法算法A/D转换器转换器 关于电流源比较器的失配问题关于电流源比较器的失配问题解决办法：解决办法：，消除第一项误差，就要求电流源，消除第一项误差，就要求电流源MOS管尺管尺寸匹配，采用大尺寸寸匹配，采用大尺寸MOS管。管。UTH和掺杂浓度、氧化层厚度有关，这就要求有严格的和掺杂浓度、氧化层厚度有关，这就要求有严格的工艺。工艺。第47页，此课件共47页哦