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1、第九章第九章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元洪慧洪慧上次课上次课:第八章第八章 数字集成电路基本单元及版图数字集成电路基本单元及版图1.TTL1.TTL基本电路（反相器、与非门、或非门）基本电路（反相器、与非门、或非门）2.CMOS2.CMOS反相器反相器3.CMOS3.CMOS与非门和或非门与非门和或非门4.CMOS4.CMOS传输门和开关逻辑传输门和开关逻辑5.CMOS5.CMOS三态门三态门6.CMOS6.CMOS驱动电路驱动电路7.7.数字电路标准单元库设计数字电路标准单元库设计8.8.焊盘输入焊盘输入/输出单元输出单元9.CMOS9.CMOS存储器存储器1.1.电流源电路电
2、流源电路2.2.基准电压源基准电压源3.3.单端反相放大器单端反相放大器4.4.差分放大器电路差分放大器电路5.5.运算放大器电路运算放大器电路6.6.振荡器振荡器7.D/A7.D/A与与A/DA/D转换器转换器第九章第九章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元引言：模拟与数字集成电路区别引言：模拟与数字集成电路区别n模拟集成电路模拟集成电路主要用于处理连续信号，即模拟信主要用于处理连续信号，即模拟信号。号。n模拟集成电路模拟集成电路要求电路的每一组成单元必须是精要求电路的每一组成单元必须是精确的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电确的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电路要强得多。路
3、要强得多。n模拟集成电路模拟集成电路的版图设计从平面布局到各器件几的版图设计从平面布局到各器件几何图形的设计都要十分何图形的设计都要十分“讲究讲究”，需要考虑的，需要考虑的问题往往比数字集成电路要多。问题往往比数字集成电路要多。n一个一个数字集成电路数字集成电路如果在电路级而不是在逻辑级如果在电路级而不是在逻辑级考虑和优化性能，将与考虑和优化性能，将与模拟集成电路模拟集成电路有许多共同有许多共同点。对高速数字集成电路设计尤其如此。点。对高速数字集成电路设计尤其如此。1.1.电流源电路设计电流源电路设计n双极型镜像电流源双极型镜像电流源n双极型基本镜像电流源双极型基本镜像电流源n带缓冲级的镜像电
4、流源带缓冲级的镜像电流源n威尔逊威尔逊(Wilson)电流源电流源nMOS电流镜电流镜nNMOS基本电流镜基本电流镜nNMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜双极型镜像电流源双极型镜像电流源（1）双极型基本镜像电流源双极型基本镜像电流源 双极型镜像电流源双极型镜像电流源（2）带缓冲级的镜像电流源）带缓冲级的镜像电流源 双极型镜像电流源双极型镜像电流源（3）威尔逊威尔逊(Wilson)电流源电流源（1）NMOS基本电流镜基本电流镜 NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如下图所示。MOS电流镜电流镜MOS电流镜电流镜 如如果果有有多多个个输输出出支支路路，如如图图所所示示，则则各各支支路路的的电电
5、流流的的比比值值就就等等于于各各NMOS晶晶体体管管的的宽宽长长比比的的比值。比值。IrIo1Io2Ion (W/L)r(W/L)1(W/L)2(W/L)n MOS电流镜优点电流镜优点n它可以精确地复制电流而不受工艺和它可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响温度的影响nIO和和Ir的比值由器件尺寸的比率决定的比值由器件尺寸的比率决定n要保证高输出阻抗，采用较长沟道器要保证高输出阻抗，采用较长沟道器件，但会影响寄生电容和电路动态特件，但会影响寄生电容和电路动态特性性MOS电流镜电流镜（2）NMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜 NMOS基基本本电电流流镜镜因因为为沟沟道道长长度度调调制制效效应应的的
6、作作用用，交交流流输输出出电电阻阻变变小小。从从电电路路理理论论可可知知，采采用用串串联联负负反反馈馈也也可可以以提提高高电电路路的的输输出出电电阻阻。威威尔尔逊逊电电流流镜镜正正是是这这样样的的结构。结构。MOS电流镜电流镜 与与NMOS基本电流镜相比，威尔逊电流镜基本电流镜相比，威尔逊电流镜的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于基本的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于基本电流镜。提高输出电阻的基本原理是在电流镜。提高输出电阻的基本原理是在M1的源的源极由极由M2而形成的串联电流负反馈。而形成的串联电流负反馈。2.2.基准电压源设计基准电压源设计 理想的基准电压源，要求它不仅有精确稳理想的基准
7、电压源，要求它不仅有精确稳定的电压输出值，而且具有低的温度系数。定的电压输出值，而且具有低的温度系数。n温度系数：温度系数：输出电参量随温度的变化量，可以输出电参量随温度的变化量，可以是正的，也可以是负的。是正的，也可以是负的。n正温度系数：正温度系数：输出电参量随温度上升而增大输出电参量随温度上升而增大n负温度系数：负温度系数：输出电参量随温度上升而减小。输出电参量随温度上升而减小。要使温度系数小，自然会想到利用具有正要使温度系数小，自然会想到利用具有正温度系数的器件和具有负温度系数的器件适当温度系数的器件和具有负温度系数的器件适当地组合，实现温度补偿，得到低温度系数甚至地组合，实现温度补偿
8、，得到低温度系数甚至零温度系数的电路结构。零温度系数的电路结构。双极型三管能隙基准源双极型三管能隙基准源MOS基准电压源基准电压源3.3.单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 反相放大器的基本结构通常是漏反相放大器的基本结构通常是漏输出的输出的MOS工作管和负载的串联结工作管和负载的串联结构。构。根据负载的不同，反相放大器的根据负载的不同，反相放大器的输出特性有很大区别。输出特性有很大区别。先分析先分析MOSFET的模拟模型的模拟模型*MOSFET的高频模拟模型的高频模拟模型.*电容已经在以前提到电容已经在以前提到.*ro 是输出电阻是输出电阻.小信号等效电路简化后的小信号等效电路简化
9、后的小信号等效电路电流源电流源输出电阻输出电阻简化后的小信号等效电路简化后的小信号等效电路常用常用MOS反相放大器电路结构反相放大器电路结构n纯电阻负载纯电阻负载NMOS放大器放大器nE/E NMOS放大器放大器nE/D NMOS放大器放大器nPMOS负载放大器负载放大器纯电阻负载纯电阻负载NMOS放大器放大器小信号等效电路小信号等效电路E/E NMOS放大器放大器E/D NMOS放大器放大器PMOS负载放大器负载放大器PMOS负载放大器负载放大器(e)小信号等效电路图PMOS负载放大器负载放大器(e)因为因为M2的的G极电压不变，极电压不变，所以所以vgs2=0因为因为vout=-(gm1*
10、vin)*ro1/ro2Av=-gm1*(ro1/ro2)小信号等效电路PMOS负载放大器负载放大器(f)因为因为ro2=ro11/gm2因为因为M2的的D和和G连接连接在一起，所以用电阻在一起，所以用电阻1/gm2替代该电流源替代该电流源PMOS负载放大器负载放大器(f)主要有：主要有：n提高工作管的跨导提高工作管的跨导 增加宽长增加宽长比比n减少衬底偏置效应的影响减少衬底偏置效应的影响n采用恒流源负载结构采用恒流源负载结构提高放大器电压增益方法提高放大器电压增益方法改进改进CMOS推挽放大器推挽放大器4.4.差分放大器电路设计差分放大器电路设计n双极型差分放大电路双极型差分放大电路n双极型
11、基本差分放大电路双极型基本差分放大电路n射极耦合差分放大电路射极耦合差分放大电路n恒流源差分电路恒流源差分电路nMOS差分放大电路差分放大电路n基本基本MOS差分放大电路差分放大电路nMOS差分放大器的负载形式差分放大器的负载形式nPMOS恒流负载差分放大器电路恒流负载差分放大器电路双极型差分放大电路双极型差分放大电路（1）双极型基本差分放大电路）双极型基本差分放大电路 双极型差分放大电路双极型差分放大电路（2）射极耦合差分放大电路（长尾式差分）射极耦合差分放大电路（长尾式差分放大电路）放大电路）双极型差分放大电路双极型差分放大电路（3）恒流源差分电路）恒流源差分电路 MOS差分放大电路差分放
12、大电路（1）基本的）基本的MOS差分放大电路差分放大电路 MOS差分放大器差模特性曲线差分放大器差模特性曲线 MOS差分放大电路差分放大电路MOS差分放大电路差分放大电路（2）MOS差分放大器的负载形式差分放大器的负载形式 MOS差分放大电路差分放大电路PMOS恒流负载差放恒流负载差放MOS差分放大器电路差分放大器电路 5.5.运算放大器电路运算放大器电路 运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个重要组成部分。评价其性混合信号系统中的一个重要组成部分。评价其性能参数主要有：能参数主要有：n增益增益n小信号带宽小信号带宽n大信号带宽大信号带
13、宽n输出摆幅输出摆幅n线性线性n噪声与失调噪声与失调n电源抑制电源抑制套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构简单运放结构简单运放结构套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构共源共栅运放共源共栅运放套筒式共源共栅结构套筒式共源共栅结构输入与输出短路的共源共栅结构输入与输出短路的共源共栅结构折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 折叠式共源共栅电路折叠式共源共栅电路 折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 折叠式共源共栅运放结构折叠式共源共栅运放结构共源共栅共源共栅PMOS负载的折叠共源共栅运放负载的折叠共源共栅运放 折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 折叠式共源共栅
14、运放的半边电路折叠式共源共栅运放的半边电路输出对地短路的等效电路输出对地短路的等效电路折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 输出开路的等效电路输出开路的等效电路折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 共源共栅运放中器件电容对非主极点影响共源共栅运放中器件电容对非主极点影响折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 一种折叠共源共栅运放的实现一种折叠共源共栅运放的实现 折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放 两级运放两级运放两级运放两级运放 两级运放就是两个简单放大器组合形两级运放就是两个简单放大器组合形成级联结构。两级运放可以提供更好的增成级联结构。两级运放可以提供更好的增益、摆幅等性能指标。益、摆幅等
15、性能指标。两级运放两级运放一种两级运放的简单实现一种两级运放的简单实现 采用共源共栅的两级运放采用共源共栅的两级运放 两级运放两级运放单端输出的两级运放单端输出的两级运放两级运放两级运放6.6.振荡器振荡器目前振荡器主要分为两类：目前振荡器主要分为两类：n谐波振荡器谐波振荡器n张驰振荡器张驰振荡器 目前谐波振荡器多采用目前谐波振荡器多采用LC谐振电路和晶振谐振电路和晶振来决定振荡频率。主要有：来决定振荡频率。主要有：n哈特来（哈特来（Hartley）LC振荡器振荡器n考毕兹（考毕兹（Colpitts）LC振荡器振荡器n克莱普（克莱普（Clapp）LC振荡器振荡器n差动差动LC振荡器振荡器LC振
16、荡器振荡器谐波振荡器谐波振荡器多谐振荡器多谐振荡器 张驰振荡器主要靠张驰振荡器主要靠对储能元件（主要是电对储能元件（主要是电容）进行充放电工作。容）进行充放电工作。一般电路由一个强烈正一般电路由一个强烈正反馈的环路构成。反馈的环路构成。张驰振荡器噪声性张驰振荡器噪声性能要比能要比LC振荡器要差，振荡器要差，但面积小，调谐范围宽。但面积小，调谐范围宽。张驰振荡器张驰振荡器环形振荡器环形振荡器环形振荡器环形振荡器 环形振荡器也属于张驰振荡器。其最大的环形振荡器也属于张驰振荡器。其最大的优点是结构简单，因而得到广泛运用。优点是结构简单，因而得到广泛运用。对于一个总直流相位偏移对于一个总直流相位偏移1
17、80度的度的n级反相级反相放大器组成的环形振荡器，环路振荡周期为放大器组成的环形振荡器，环路振荡周期为2nTd（Td为门延迟）。为门延迟）。环形振荡器的延迟单元环形振荡器的延迟单元环形振荡器环形振荡器RC网络型环形压控振荡器原理图网络型环形压控振荡器原理图 环形振荡器环形振荡器 环形振荡器振荡频率可以通过改变延迟单元环形振荡器振荡频率可以通过改变延迟单元的参数加以控制，形成压控振荡器（的参数加以控制，形成压控振荡器（VCO）。）。一种是延迟单元偏置电压直接可控，一种是一种是延迟单元偏置电压直接可控，一种是通过增加附加电路来实现。通过增加附加电路来实现。矢量叠加型环形矢量叠加型环形VCO 环形振
18、荡器环形振荡器7.7.D/A与与A/D转换转换nD/A转换器：转换器：将数字信号转化为相对应的模拟信号将数字信号转化为相对应的模拟信号nA/D转换器：转换器：将模拟信号转化为相对应的数字信号将模拟信号转化为相对应的数字信号D/A转换器转换器D/A变换器方框图变换器方框图串联电阻分压串联电阻分压D/A变换器变换器D/A转换器转换器并联电容分压并联电容分压D/A变换器电路变换器电路D/A转换器转换器并联式并联式A/D变换器电路图变换器电路图 A/D转换器转换器逐次逼近式逐次逼近式A/D变换器原理方框图变换器原理方框图A/D转换器转换器并联电容分压网络实现的逐次逼近式并联电容分压网络实现的逐次逼近式A/D变换器变换器A/D转换器转换器作业1 1，3 3，5 5，6 6Thanks！Question？