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1、第六章第六章MOS模拟集成电路模拟集成电路6.1MOS模拟集成电路基础模拟集成电路基础6.1.1MOS模拟模拟IC中的元件中的元件1 1、MOSMOS集成电容器集成电容器集成电容器集成电容器铝铝铝铝薄氧化层薄氧化层薄氧化层薄氧化层n n+扩散区电容扩散区电容扩散区电容扩散区电容多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅氧化层氧化层氧化层氧化层重掺杂衬底间的电容重掺杂衬底间的电容重掺杂衬底间的电容重掺杂衬底间的电容铝铝铝铝氧化层氧化层氧化层氧化层多晶硅电容（寄生电容小）多晶硅电容（寄生电容小）多晶硅电容（寄生电容小）多晶硅电容（寄生电容小）双层多晶硅电容（寄生电容小）双层多晶硅电容（寄生电容小）双层多晶硅电容（寄
2、生电容小）双层多晶硅电容（寄生电容小）2 2、集成电阻器、集成电阻器、集成电阻器、集成电阻器硼扩电阻硼扩电阻硼扩电阻硼扩电阻高阻高阻高阻高阻 R R =100=100 200200 /可作可作可作可作5050 5050K K 磷扩电阻磷扩电阻磷扩电阻磷扩电阻低阻低阻低阻低阻 R R =2=2 5 5 /几十几十几十几十 埋层电阻埋层电阻埋层电阻埋层电阻低值电阻低值电阻低值电阻低值电阻 R R 2020 /几十几十几十几十 几百几百几百几百 基区沟道电阻基区沟道电阻基区沟道电阻基区沟道电阻R R =5=5 10K10K /，几十几十几十几十K K MM 可作大电阻，可作大电阻，可作大电阻，可作大
3、电阻，精度较差精度较差精度较差精度较差外延层体电阻外延层体电阻外延层体电阻外延层体电阻R R =2K=2K /，几十几十几十几十KK ，可承受高工作电可承受高工作电可承受高工作电可承受高工作电 压，温度系数大压，温度系数大压，温度系数大压，温度系数大离子注入电阻离子注入电阻离子注入电阻离子注入电阻R R =500=500200K200K /几十几十几十几十KK 高精度高精度高精度高精度多晶硅电阻多晶硅电阻多晶硅电阻多晶硅电阻R R =十几十几十几十几 100100 /薄膜电阻（薄膜电阻（薄膜电阻（薄膜电阻（NiCrNiCr、CrSiCrSi）RR =几百几百几百几百 几几几几KK /高精度、高
4、精度、高精度、高精度、可激光修条可激光修条可激光修条可激光修条4、JFET 参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰 能力强，常用于微小电量取样电路。能力强，常用于微小电量取样电路。能力强，常用于微小电量取样电路。能力强，常
5、用于微小电量取样电路。3 3、MOSFET MOSFET 与与与与BJTBJT相比，相比，相比，相比，MOSMOS器件主要的缺点在于：器件主要的缺点在于：器件主要的缺点在于：器件主要的缺点在于：参数离散性大，跨导低，失调电压较大。参数离散性大，跨导低，失调电压较大。参数离散性大，跨导低，失调电压较大。参数离散性大，跨导低，失调电压较大。噪声大（热噪声噪声大（热噪声噪声大（热噪声噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为闪烁噪声或称为闪烁噪声或称为闪烁噪声或称为1/1/f f噪声）噪声）噪声）噪声）g gmm ，r ronon 热噪声热噪声热噪声热噪声 。Si-SiO Si-SiO2 2界面态影响界面态影响
6、界面态影响界面态影响闪烁噪声，在低频时，闪烁噪声，在低频时，闪烁噪声，在低频时，闪烁噪声，在低频时，1/1/f f噪声显著。噪声显著。噪声显著。噪声显著。如将沟道面积如将沟道面积如将沟道面积如将沟道面积 ，受界面态影响，受界面态影响，受界面态影响，受界面态影响 ，闪烁噪声，闪烁噪声，闪烁噪声，闪烁噪声 。具体内容：具体内容：具体内容：具体内容：通过对通过对通过对通过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路等子电路等子电路等子电路单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器
7、单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。6.2MOS模拟模拟IC子电路子电路 复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构造而成。本章主要
8、从模拟造而成。本章主要从模拟造而成。本章主要从模拟造而成。本章主要从模拟ICIC基本单元分析入手，说明如何根据基本单元分析入手，说明如何根据基本单元分析入手，说明如何根据基本单元分析入手，说明如何根据电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的。电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的。电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的。电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的。模拟集成运算放大器电路分层说明模拟集成运算放大器电路分层说明 10Bits105MSPS3VADC原理图原理图无缓冲二级无缓冲二级CMOS运放电路运放电路多路电流放大器多路电流放大器多路电流放大器多路
9、电流放大器偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路源耦合对源耦合对源耦合对源耦合对电流镜电流镜电流镜电流镜共源放大器共源放大器共源放大器共源放大器6.2.1电流源与电流沉（电流源与电流沉（CurrentSourceandSink）所谓所谓所谓所谓电流源电流源电流源电流源或或或或电流沉电流沉电流沉电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值，是指一种在任何时间内，其电流值，是指一种在任何时间内，其电流值，是指一种在任何时间内，其电流值和加在两端的电压无关的两端元件。通常负端接和加在两端的电压无关的两端元件。通常负端接和加在两端的电压无关的两端元件。通常负端接和加在两端的电压无关的两端元件。通常负端接V VSS
10、SS的称为电流的称为电流的称为电流的称为电流沉（沉（沉（沉（SinkSink），），），），正端接正端接正端接正端接V VDDDD的则称为电流源（的则称为电流源（的则称为电流源（的则称为电流源（SourceSource）。）。）。）。一般一般一般一般MOSMOS器件做电流源器件做电流源器件做电流源器件做电流源/沉时，工作在饱和区。沉时，工作在饱和区。沉时，工作在饱和区。沉时，工作在饱和区。1、基本的电流源、电流沉、基本的电流源、电流沉（1）电流源）电流源图图61基本的电流源结构与基本的电流源结构与IV特性示意特性示意要使电流源正常工作，应使要使电流源正常工作，应使要使电流源正常工作，应使要使电
11、流源正常工作，应使T T管工作在饱和区：管工作在饱和区：管工作在饱和区：管工作在饱和区：（6-1）其输出电阻其输出电阻其输出电阻其输出电阻（2）电流沉）电流沉图图62基本的电流沉结构与基本的电流沉结构与VI特性示意特性示意同理，电流沉正常工作，应使同理，电流沉正常工作，应使同理，电流沉正常工作，应使同理，电流沉正常工作，应使（6-2）输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻（6-3）2、改进的电流沉、改进的电流沉/源源 基本的电流沉基本的电流沉基本的电流沉基本的电流沉/源的优点是结构简单，但性能需加以改善：源的优点是结构简单，但性能需加以改善：源的优点是结构简单，但性能需加以改善：源的优点是结构简单，
12、但性能需加以改善：增加小信号输出电阻增加小信号输出电阻增加小信号输出电阻增加小信号输出电阻确保整个确保整个确保整个确保整个v voutout范围内电流稳定。范围内电流稳定。范围内电流稳定。范围内电流稳定。减小减小减小减小V Vminmin值，使其在较宽的值，使其在较宽的值，使其在较宽的值，使其在较宽的v voutout范围内都能很好工作。范围内都能很好工作。范围内都能很好工作。范围内都能很好工作。（1）接电阻增加输出电阻的技术）接电阻增加输出电阻的技术 V VGGGG为固定偏置，则为固定偏置，则为固定偏置，则为固定偏置，则vvg2g2=0=0图图63接电阻增加输出电阻接电阻增加输出电阻的结构与
13、等效电路的结构与等效电路（6-3）而饱和区衬底跨导而饱和区衬底跨导而饱和区衬底跨导而饱和区衬底跨导（6-4）线性区：线性区：线性区：线性区：分析小信号模型等效电路，由（分析小信号模型等效电路，由（分析小信号模型等效电路，由（分析小信号模型等效电路，由（663 3）、（）、（）、（）、（664 4）得）得）得）得（6-5）可见，最终输出电阻增大为可见，最终输出电阻增大为可见，最终输出电阻增大为可见，最终输出电阻增大为r r的的的的g gm2m2r rds2ds2倍。倍。倍。倍。（2）实际电路）实际电路（a a a a）电路图电路图电路图电路图 （b b b b）等效电路等效电路等效电路等效电路
14、图图64共栅共源电流沉结构共栅共源电流沉结构(对对M1管来看的管来看的)（6-6）6.2.2电流镜和电流放大器电流镜和电流放大器(CurrentMirror&CurrentAmplifier)1、基本的电流镜（恒流源）、基本的电流镜（恒流源）图图65基本的电流镜电路基本的电流镜电路（6-7）若若T1、T2的工艺参数相同，且的工艺参数相同，且vDS1=vDS2，则则（6-8）调整调整调整调整T T1 1、T T2 2的的的的W/LW/L，可实现不同的功能：，可实现不同的功能：，可实现不同的功能：，可实现不同的功能：电流镜电流镜 电流放大电流放大电流放大电流放大 其输出电阻其输出电阻其输出电阻其输
15、出电阻（6-9）但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况：但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况：但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况：但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况：沟道长度调制效应较显著时，沟道长度调制效应较显著时，沟道长度调制效应较显著时，沟道长度调制效应较显著时，不能忽略（不能忽略（不能忽略（不能忽略（v vDS1DS1 v vDS2DS2）由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两 管之间管之间管之间管之间V V
16、TT偏差。偏差。偏差。偏差。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。2、威尔逊电流镜、威尔逊电流镜WilsonCurrentMirror 图图66威尔逊电流镜威尔逊电流镜 威尔逊电流镜是一种改进型电流威尔逊电流镜是一种改进型电流威尔逊电流镜是一种改进型电流威尔逊电流镜是一种改进型电流镜，通过电流负反馈提高输出电阻。镜，通过电流负反馈提高输出电阻。镜，通过电流负反馈提高输出电阻。镜，通过电流负反馈提高输出电阻。参考电流参考电流参考电流参考电流i ir r
17、恒定不变恒定不变恒定不变恒定不变vGS2v vGS3GS3i i0 0 ，并趋于原稳定值。并趋于原稳定值。并趋于原稳定值。并趋于原稳定值。输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻（6-10）在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和区，区，区，区，g gdsds远小于远小于远小于远小于g gmm，g gmmr rdsds11。电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作。电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作
18、。电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作。电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作。在在在在T T3 3饱和的前提下，为使饱和的前提下，为使饱和的前提下，为使饱和的前提下，为使v vi i 时时时时I Ir r一定，只有相应地使一定，只有相应地使一定，只有相应地使一定，只有相应地使WW3 3/L/L3 3、WW2 2/L/L2 2增大。一般增大。一般增大。一般增大。一般v v(min)(min)2v2vT T。另一方面，要保证另一方面，要保证另一方面，要保证另一方面，要保证T T3 3饱和，对输出饱和，对输出饱和，对输出饱和，对输出端电压也有要求：端电压也有要求：端电
19、压也有要求：端电压也有要求：由由由由，得，得，得，得（6-11）（6-12）3、共栅共源电流镜、共栅共源电流镜CascodeCurrentMirror（a a）电路图电路图 （b b）等效电路等效电路 图图67共栅共源电流镜共栅共源电流镜i ids4ds4i i0 0回复原值，回复原值，回复原值，回复原值，r r00提高。提高。提高。提高。由交流小信号等效电路并结合由交流小信号等效电路并结合由交流小信号等效电路并结合由交流小信号等效电路并结合KirchhoffKirchhoff定律，得如下方程组：定律，得如下方程组：定律，得如下方程组：定律，得如下方程组：（6-13）求解方程组可得：求解方程组
20、可得：求解方程组可得：求解方程组可得：（6-14）6.2.3基准源基准源 理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。“基准基准基准基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放的精度
21、和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。1、简单的电压分压器、简单的电压分压器（a）电阻分压器电阻分压器（b）有源器件分压器有源器件分压器 V VREFREF对对对对V VDDDD的灵敏度：的灵敏度：的灵敏度：的灵敏度：2、pn结基准电压源结基准电压源（1 1）简单的）简单的）简单的）简单的pnpn结基准源结基准源结基准源结基准源 图图69简单的简单的pn结基准源结基准源（6
22、-15）（6-16）V VREFREF对对对对V VDDDD的灵敏度：的灵敏度：的灵敏度：的灵敏度：（6-17）（6-18）一般一般一般一般IIIIS S，V VREFREF受受受受V VDDDD的影响很小。若的影响很小。若的影响很小。若的影响很小。若I=1mAI=1mA，IS=10-15A，当当当当V VDDDD变化变化变化变化10%10%，V VREFREF只变化只变化只变化只变化0.362%0.362%。（但此结构提供的（但此结构提供的VREF较低。如较低。如IS=1015A，VDD=5V，则则VREF=0.93V。）。）(2)改进的改进的pn结基准源结基准源注意，上式成立的条件为：注意
23、，上式成立的条件为：注意，上式成立的条件为：注意，上式成立的条件为：I IB B很小很小很小很小（即（即（即（即 很大）；很大）；很大）；很大）；(R R1 1+R+R2 2)阻值要大。阻值要大。阻值要大。阻值要大。（6-19）图图610改进的改进的pn结基准源结基准源（3）以）以MOSFET代替代替BJT的基准源的基准源（a a）基本结构基本结构基本结构基本结构（b b）改进结构改进结构改进结构改进结构图图图图611611以以以以MOSFETMOSFET代替代替代替代替BJTBJT的基准源的基准源的基准源的基准源 对于图对于图对于图对于图611611（a a）所示结构：所示结构：所示结构：所
24、示结构：（6-20）其灵敏度如下，不如其灵敏度如下，不如其灵敏度如下，不如其灵敏度如下，不如BJTBJT时的情况。时的情况。时的情况。时的情况。（6-21）图图图图611611（b b）所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（a a）结构相似。结构相似。结构相似。结构相似。（6-22）（4）齐纳）齐纳Zenor二极管基准电压源二极管基准电压源图图612齐纳二极管基准源齐纳二极管基准源 如图如图如图如图612612所示，其中的二极所示，其中的二极所示，其中的二极所示，其中的二极管为重掺
25、杂管为重掺杂管为重掺杂管为重掺杂p p+n n+结，工作于结，工作于结，工作于结，工作于反向击穿状态，其电源电压反向击穿状态，其电源电压反向击穿状态，其电源电压反向击穿状态，其电源电压灵敏度：灵敏度：灵敏度：灵敏度：（6-23）假设：假设：VDD=10V，VBV=6.5V，rz=100，R=35k，则此基准电压源的灵敏则此基准电压源的灵敏度为度为0.0044。3、CMOS带隙基准源带隙基准源 图图613CMOS带隙基准源带隙基准源 CMOSCMOS带隙基准源电路见带隙基准源电路见带隙基准源电路见带隙基准源电路见图图图图613613，此结构实现了一种较，此结构实现了一种较，此结构实现了一种较，此
26、结构实现了一种较为精确的基准电压源。主要利为精确的基准电压源。主要利为精确的基准电压源。主要利为精确的基准电压源。主要利用了用了用了用了MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的亚阈区工作时电的亚阈区工作时电的亚阈区工作时电的亚阈区工作时电流的正温度系数特性流的正温度系数特性流的正温度系数特性流的正温度系数特性与与与与BJTBJTBJTBJT的的的的BEBEBEBE结导通电压结导通电压结导通电压结导通电压V V V VBEBEBEBE的负温度特性的负温度特性的负温度特性的负温度特性相互补偿，达到恒定的基准电相互补偿，达到恒定的基准电相互补偿，达到恒定的基准电相互补偿，达到恒定的基准电压
27、输出。压输出。压输出。压输出。MOSFETMOSFET亚阈区电流：亚阈区电流：亚阈区电流：亚阈区电流：（6-24）（6-25）和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压V VT T的温度系数也的温度系数也的温度系数也的温度系数也为负的，其亚阈区电流主要受为负的，其亚阈区电流主要受为负的，其亚阈区电流主要受为负的，其亚阈区电流主要受V VT T的影响，随温度的增加而增加，的影响，随温度的增加而增加，的影响，随温度的增加而增加，的影响，随温度的增加而增加，即温度系数为正。即温度系数为正。即温度系数
28、为正。即温度系数为正。BEBE结导通电压结导通电压结导通电压结导通电压V VBEBE与温度的关系：与温度的关系：与温度的关系：与温度的关系：（6-26）可见，亚阈区电流为正温度系数。可见，亚阈区电流为正温度系数。可见，亚阈区电流为正温度系数。可见，亚阈区电流为正温度系数。Why?Why?（6-27）而而而而BEBE结导通电压为负温度系数，结导通电压为负温度系数，结导通电压为负温度系数，结导通电压为负温度系数，Why?Why?根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的根据半导体能带理论，温
29、度升高，半导体内载流子具有的能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度n ni i增大，由增大，由增大，由增大，由PNPN结结结结接触电势差接触电势差接触电势差接触电势差，将随之降低，即将随之降低，即将随之降低，即将随之降低，即BEBE结导通电压结导通电压结导通电压结导通电压随温度升高而降低，因此，随温度升高而降低，因此，随温度升高而降低，因此，随温度升高而降低，因此，V VBEBE是是是是负温度系数负温度系数负温度系数负温度系数。由图。由图。由图。由图613613可得：可得：可得：可
30、得：以上式中：以上式中：以上式中：以上式中：SMOSSMOS管的宽长比管的宽长比管的宽长比管的宽长比W/LW/LV Vg0g0SiSi禁带宽度电压禁带宽度电压禁带宽度电压禁带宽度电压V VBEOBEOT=TT=T0 0时，接成二极管形式的时，接成二极管形式的时，接成二极管形式的时，接成二极管形式的V VBEBE值值值值nn亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得。nn 。I ID0D0与工艺有关的参量，受与工艺有关的参量，受与工艺有关的参量，受与工艺有关的参量，受V VSBSB、V VT T的
31、影响的影响的影响的影响求得：求得：求得：求得：（6-28）又 （6-29）V VREFREF的温度系数：的温度系数：的温度系数：的温度系数：（6-30）基准电压基准电压VREF为为令令，则，则，则，则（6-31）（6-32）如电路设计使各如电路设计使各如电路设计使各如电路设计使各MOSMOS管尺寸满足此条件，即可实现基准源管尺寸满足此条件，即可实现基准源管尺寸满足此条件，即可实现基准源管尺寸满足此条件，即可实现基准源输出不受温度影响：输出不受温度影响：输出不受温度影响：输出不受温度影响：带隙基准电压带隙基准电压带隙基准电压带隙基准电压凹凸曲线温度补偿技术凹凸曲线温度补偿技术启动电路启动电路低压
32、高阶基准低压高阶基准差分基准正端输出差分基准正端输出差分基准负端输出差分基准负端输出一种低温漂电压基准电路一种低温漂电压基准电路一种低温漂电压基准电路一种低温漂电压基准电路差分输出缓冲器的设计差分输出缓冲器的设计 基准输出缓冲器结构图基准输出缓冲器结构图 n n静态功耗低，但可以提供很静态功耗低，但可以提供很静态功耗低，但可以提供很静态功耗低，但可以提供很高的动态电流高的动态电流高的动态电流高的动态电流 ；n n输出电阻很低，即使在高频输出电阻很低，即使在高频输出电阻很低，即使在高频输出电阻很低，即使在高频下也可与源随器相同下也可与源随器相同下也可与源随器相同下也可与源随器相同 ；n n可以有
33、效降低毛刺和抑制噪可以有效降低毛刺和抑制噪可以有效降低毛刺和抑制噪可以有效降低毛刺和抑制噪声；声；声；声；6.2.4MOS差分放大器差分放大器 1、NMOS差分放大器差分放大器（1）工作原理与小信号特性）工作原理与小信号特性对于差分对结构，对于差分对结构，对于差分对结构，对于差分对结构，T T1 1、T T2 2应是对称应是对称应是对称应是对称的，即：的，即：的，即：的，即：1 1=2 2，V VT1T1=V=VT2T2。其差分输其差分输其差分输其差分输入信号：入信号：入信号：入信号：（6-33）图图614NMOS差分放大器差分放大器 偏置电流：偏置电流：偏置电流：偏置电流：（6-34）（6-
34、35）如采用单端输出，此放大器跨导为：如采用单端输出，此放大器跨导为：如采用单端输出，此放大器跨导为：如采用单端输出，此放大器跨导为：（6-36）联立（联立（联立（联立（63633 3）、（）、（）、（）、（663434），可得），可得），可得），可得（忽略高次项）（忽略高次项）可见，单端输出时，放大器跨导只有单管可见，单端输出时，放大器跨导只有单管可见，单端输出时，放大器跨导只有单管可见，单端输出时，放大器跨导只有单管g gmm的一半。的一半。的一半。的一半。如采用差分双端输出，其跨导为：如采用差分双端输出，其跨导为：如采用差分双端输出，其跨导为：如采用差分双端输出，其跨导为：（6-37）可
35、见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管g gmm。由由由由T T1 1一侧支路的等效电路，可得：一侧支路的等效电路，可得：一侧支路的等效电路，可得：一侧支路的等效电路，可得：（6-38）如差分输入如差分输入如差分输入如差分输入 双端输出，其电压增益为：双端输出，其电压增益为：双端输出，其电压增益为：双端输出，其电压增益为：（6-39B）如差分输入如差分输入如差分输入如差分输入 单端输出，其电压增益为：单端输出，其电压增益为：单端输出，其电压增益为：单端输出，其
36、电压增益为：（6-39A）（2）差分放大器的输入失调电压）差分放大器的输入失调电压VIO V VIOIO包括三个因素：包括三个因素：包括三个因素：包括三个因素：（6-40）而：（6-41）（3 3）共模抑制比）共模抑制比）共模抑制比）共模抑制比CMRRCMRR（6-42）因为与因为与因为与因为与BJTBJT相比，相比，相比，相比，MOSFETMOSFET的的的的g gmm较小，较小，较小，较小，r r0 0较小，所以较小，所以较小，所以较小，所以A AVDVD较较较较小，小，小，小，MOSMOS差分放大器的差分放大器的差分放大器的差分放大器的CMRRBJTCMRRBJT的的的的CMRRCMRR
37、。但但但但MOSMOS差分差分差分差分放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于BJTBJT电路。电路。电路。电路。由双极晶体管跨导：由双极晶体管跨导：由双极晶体管跨导：由双极晶体管跨导：g gmm=I=IC C/V/Vt t 可得：室温下，可得：室温下，可得：室温下，可得：室温下，I IC C=1mA=1mA时时时时g gmm而对于而对于而对于而对于MOSMOS器件，如器件，如器件，如器件，如C COXOX 101088F/cm
38、F/cm2 2，n n=580cm=580cm2 2/v/v s s，相同偏相同偏相同偏相同偏置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：置电流下要得到此大小的跨导，需要的宽长比：W/L=gW/L=gmm2 2/(2/(2CCOXOX nnI IDSDS)3.73.7 10104 4差分放大器的特点：差分放大器的特点：放大差模信号、抑制共模信号。放大差模信号、抑制共模信号。放大差模信号、抑制共模信号。放大差模信号、抑制共模信号。理想差分放大器的共模输理想差分放大器的共模输理想差分放大器的共模输理想差分放大器的共模
39、输入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号，入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号，入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号，入信号完全抵消。因此，有利于消除输入端共模干扰信号，如偶次谐波。如偶次谐波。如偶次谐波。如偶次谐波。应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低；应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低；应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低；应注意，如采用单端输出，跨导只有单管的一半，增益低；如后级电路为单端输入，须加如后级电路为单端输入，须加如后级电路为单端输入，须加如后级电路为单端输入，须加双双双双 单转换电路单转换电路
40、单转换电路单转换电路，确保较高的，确保较高的，确保较高的，确保较高的增益。增益。增益。增益。2、CMOS差分放大器差分放大器（1）NMOS输入的输入的CMOS差分放大器差分放大器 图图615NMOS输入的输入的CMOS差分放大器差分放大器 如图所示，如图所示，如图所示，如图所示，MM1 1、MM2 2构成构成构成构成源耦合对，做差分输入；源耦合对，做差分输入；源耦合对，做差分输入；源耦合对，做差分输入；MM3 3、MM4 4构成电流镜作构成电流镜作构成电流镜作构成电流镜作MM1 1、MM2 2的的的的有源负载；有源负载；有源负载；有源负载；MM5 5、MM6 6构成电流构成电流构成电流构成电流
41、镜提供恒流源；镜提供恒流源；镜提供恒流源；镜提供恒流源；MM6 6、MM7 7为偏为偏为偏为偏置电路提供偏置。另外，此置电路提供偏置。另外，此置电路提供偏置。另外，此置电路提供偏置。另外，此电路还实现了差分输出信号电路还实现了差分输出信号电路还实现了差分输出信号电路还实现了差分输出信号的单端转换。的单端转换。的单端转换。的单端转换。由以上分析可以看出，单端信号输出时，由以上分析可以看出，单端信号输出时，由以上分析可以看出，单端信号输出时，由以上分析可以看出，单端信号输出时，V V0 0是以交流地为参考是以交流地为参考是以交流地为参考是以交流地为参考的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增
42、益分别为：的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别为：的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别为：的。同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别为：(gm=gm1=gm2)（6-43）（6-44）（2）PMOS输入的输入的CMOS差分放大器差分放大器图图616PMOS输入差分放大器输入差分放大器 PMOSPMOS输入的差分放大器输入的差分放大器输入的差分放大器输入的差分放大器工作原理与工作原理与工作原理与工作原理与NMOSNMOS输入的相输入的相输入的相输入的相似，但应注意的是两种电路似，但应注意的是两种电路似，但应注意的是两种电路似，但应注意的是两种电路形式的性
43、能与工艺选择有很形式的性能与工艺选择有很形式的性能与工艺选择有很形式的性能与工艺选择有很大的关系。大的关系。大的关系。大的关系。例如：对于例如：对于n型衬底型衬底P阱工艺，应采用阱工艺，应采用NMOS输入还是输入还是PMOS输入？输入？如果是如果是p型衬底型衬底N阱工艺呢？阱工艺呢？V VBSBS 0 06.2.5反相放大器反相放大器 1、有源电阻反相放大器、有源电阻反相放大器（1）小信号电压增益及输出电阻）小信号电压增益及输出电阻 图图617有源电阻反相器及其等效电路有源电阻反相器及其等效电路（6-45）（6-46）（2）小信号频率响应）小信号频率响应 图图618考虑了寄生电容的反相器结构及
44、其小信号等效模型考虑了寄生电容的反相器结构及其小信号等效模型根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数：根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数：根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数：根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数：（6-47）S S为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：（6-48）比较（比较（比较（比较（664545）、（）、（）、（）、（664848）可得：）可得：）可得：）可得
45、：欲使欲使欲使欲使A AV V ，应有应有应有应有g gm2m21 1 ，放大器带宽变窄，可见，其增益放大器带宽变窄，可见，其增益放大器带宽变窄，可见，其增益放大器带宽变窄，可见，其增益与带宽相互制约，此结构多用于要求与带宽相互制约，此结构多用于要求与带宽相互制约，此结构多用于要求与带宽相互制约，此结构多用于要求带宽较宽，增益不高带宽较宽，增益不高带宽较宽，增益不高带宽较宽，增益不高的场的场的场的场合。合。合。合。2、电流源作负载的反相放大器、电流源作负载的反相放大器由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，增益较低，采用由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，增益较低，采用由于有源电阻反相放大器输出电
46、阻较小，增益较低，采用由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，增益较低，采用电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益。（1）小信号电压增益及输出电阻）小信号电压增益及输出电阻 图图619电流源负载反相放大器电路结构与等效电路电流源负载反相放大器电路结构与等效电路（6-49）（6-50）（2）小信号频率响应）小信号频率响应类似于有源电阻反相器情况：类似于有源电阻反相器情况：类似于有源电阻反相器情况：类似于有源电阻反相器情况：（6-51）由于一般由于一般由于一般由于一般g gd
47、sdsggmm，所以其带宽比有源电阻作负载的窄。所以其带宽比有源电阻作负载的窄。所以其带宽比有源电阻作负载的窄。所以其带宽比有源电阻作负载的窄。（3）电流沉作负载的反相放大器）电流沉作负载的反相放大器 电路结构如图电路结构如图电路结构如图电路结构如图620620所示，其工作所示，其工作所示，其工作所示，其工作原理及特性与电流源作负载的情况相原理及特性与电流源作负载的情况相原理及特性与电流源作负载的情况相原理及特性与电流源作负载的情况相似。电流源似。电流源似。电流源似。电流源/沉作负载的反相放大器缺沉作负载的反相放大器缺沉作负载的反相放大器缺沉作负载的反相放大器缺点是需加一个直流偏置点是需加一个
48、直流偏置点是需加一个直流偏置点是需加一个直流偏置V VGGGG。图图620电流沉负载反相放大器电流沉负载反相放大器由此可得：由此可得：由此可得：由此可得：I ID D ，A AV V ，即控制直流偏置电流可调节小信号增益。即控制直流偏置电流可调节小信号增益。即控制直流偏置电流可调节小信号增益。即控制直流偏置电流可调节小信号增益。此结构输出电阻此结构输出电阻此结构输出电阻此结构输出电阻r routout比有源电阻反相放大器的大，其带宽较窄比有源电阻反相放大器的大，其带宽较窄比有源电阻反相放大器的大，其带宽较窄比有源电阻反相放大器的大，其带宽较窄 放大器的增益和带宽相互制约，即增益的提高是以带宽为
49、代价放大器的增益和带宽相互制约，即增益的提高是以带宽为代价放大器的增益和带宽相互制约，即增益的提高是以带宽为代价放大器的增益和带宽相互制约，即增益的提高是以带宽为代价 3、推挽、推挽CMOS反相放大器反相放大器图图621推挽推挽CMOS反相放大器与小信号等效电路反相放大器与小信号等效电路根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数（6-52）6.2.6输出级输出级放大器输出级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具放大器输出级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具放大器输出
50、级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具放大器输出级的基本作用是电流变换，大部分输出级应具有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为有高电流增益，低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为小电阻或大电容小电阻或大电容小电阻或大电容小电阻或大电容，需要较大的输出电流，应使输出级，需要较大的输出电流，应使输出级，需要较大的输出电流，应使输出级，需要较大的输出电流，应使输出级r routout小一些。小一些。小一些。小一些。对输出级总的要求：对输出级总的要求：对输出级总的要求：对输出