电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业

集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分1王向展第六章MOS模拟集成电路§6.1MOS模拟集成电路基础6.1.1MOS模拟集成电路中的元件§6.2MOS模拟IC子电路6.2.1电流源与电流沉6.2.2电流镜和电流放大器6.2.3基准源6.2.4MOS差分放大器6.2.5反相放大器6.2.6输出级§6.3MOS集成运算放大器6.3.1集成运放设计的边界条件和主要指标集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分2王向展NoiseLinearityPowerDissipationGainInput/OutputImpedanceSupplyVoltageSpeedVoltageSwingsAnalogDesignOctagon集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分3王向展§6.1MOS模拟集成电路基础6.1.1MOS模拟IC中的元件1、MOS电容（P60）铝–薄氧化层–n+扩散区电容多晶硅–氧化层–重掺杂衬底间的电容铝–氧化层–多晶硅电容（寄生电容小）双层多晶硅电容（寄生电容小）2、集成电阻器（P50）硼扩电阻–高阻(R=100200/可作5050K。)磷扩电阻–低阻(R=25/几十。)埋层电阻–低值电阻(R20/几十几百。）基区沟道电阻(R=510K/，几十KM大电阻，精度较差。)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分4王向展外延层体电阻(R=2K/，几十K，可承受高工作电压，温度系数大。)离子注入电阻(R=500200K/几十K高精度。)多晶硅电阻(R=十几100/。)薄膜电阻(Ni-Cr、Cr-SiR=几百几K/高精度、可激光修调。)3、MOSFET与BJT相比，MOS器件主要的缺点在于：参数离散性大，跨导低，失调电压较大。噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为1/f噪声）gm，ron热噪声。（4KTR）Si-SiO2界面态影响闪烁噪声，在低频时，1/f噪声显著。如将沟道面积，受界面态影响，闪烁噪声。集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分5王向展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。沟道形成于体内，不受表界面效应影响（低噪声），速度较快，抗干扰能力强，常用于微小电量取样电路。集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分6王向展§6.2MOS模拟IC单元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造而成。本章主要从模拟IC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。具体内容：通过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法。集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分7王向展模拟集成运算放大器电路分层说明图6.1模拟集成运放系统框架图集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分8王向展FunctionalBlockDiagram集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分9王向展无缓冲二级CMOS运放电路多路电流放大器偏置电路源耦合对电流镜共源放大器图6.2两级共源CMOS运放电路原理图集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分10王向展6.2.1电流源与电流沉(CurrentSourceandSink)所谓电流源或电流沉，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(恒流特性)。通常负端接VSS的称为电流沉(Sink)，正端接VDD的则称为电流源(Source)。一般MOS器件做电流源/沉时，工作在饱和区。1、基本的电流源、电流沉（1）电流源图6.3基本的电流源结构与I-V特性示意显然，要使电流源正常工作，应使T管工作在饱和区，即：集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分11王向展DSGSTVVVoutSSDDGGDDthpVVVVVVoutSSGGthpVVVVoutGGthpSSVVVV其输出电阻：(6.1)(6.2)11()outDDDSoutoutDSdsDSVVVRIIgI(6.3)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分12王向展（2）电流沉图6.3基本的电流沉结构与V-I特性示意同理，电流沉正常工作，T管应满足：DSGGSSthnVVVV(6.4)输出电阻：outoutdsooutVRrrI(6.5)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分13王向展基本的电流沉/源的优点是结构简单，但性能需加以改善：增加小信号输出电阻确保整个Vout范围内电流稳定。减小Vmin值，使其在较宽的Vout范围内都能很好工作。2、改进的电流沉/源（1）接电阻增加输出电阻的技术22222GSGSSBSSVVVVVV图6.4接电阻增加输出电阻的结构与等效电路2222222()()()outdsoutSmSmbSSoutIgVVgVgVVrI(6.6)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分14王向展而饱和区衬底跨导：222DSDSDSthmbBSSBthSBDSthmmGSSBFBSBIIIVgVVVVIVggVVV(6.7)22DSmbFBSBVgV线性区：分析小信号模型等效电路，由(6.6)、(6.7)得：222222[()]outoutommbomooutVRrrggrrgrrI(6.8)可见，最终输出电阻增大为r的gm2ro2倍。集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分15王向展（2）实际电路在实际的集成电路设计中，电阻r是由有源电阻实现的，如图6.5所示。（a）电路图（b）等效电路图6.5共栅共源电流沉结构集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分16王向展6.2.2电流镜和电流放大器(CurrentMirror&CurrentAmplifier)221212112212222111()()outoutomombodsooutoomoomooVrrgrgrgrIrrgrrgrr(6.9)1、基本的电流镜（恒流源）1rGSIRVV21111111112()()rDSGDSGSthDSIIIIVVV22222112()()outGSthDSIVVV图6.6基本的电流镜电路集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分17王向展222222111122222222211111111111()()()()()()()()outGSthDSrGSthDSoxGSthDSoxGSthDSIVVVIVVVWCVVVLWCVVVL(6.10)若T1、T2的工艺参数相同，且VDS1=VDS2，则2121()()outrIWWLLI(6.11)其输出电阻：22221DSoutoDSdsVRrIg(6.12)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分18王向展由式(6.11)可见：21021rWWiiLL电流镜。2121WWLL可根据需要，对Ir放大，实现电流放大。且由于正常工作时，T1、T2均处于饱和区恒流。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，不能忽略（VDS1VDS2）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Vth偏差。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分19王向展2、威尔逊电流镜–WilsonCurrentMirror通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。图6.7威尔逊电流镜VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout受Vout影响减弱，输出电阻提高。132()DSGSGSVVV2211outDSGSGSDSIIVVI参考电流Ir恒定集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分20王向展333113332221313213123111()()ommdsmooutoomommoommoommmmrggrgrRrrgrggrrggrrgggg设(6.13)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，gds远小于gm，gmro1。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T3饱和的前提下，为使Vi时Ir一定，只有相应地使W3/L3、W2/L2增大。一般V(min)2Vth。另一方面，要保证T3饱和，对输出端电压也有要求：集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分21王向展333DSGSthVVV由，得223()outithVVVVV3outithVVV(6.14)(6.15)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分22王向展3、共栅共源电流镜–CascodeCurrentMirror（a）电路图（b）等效电路图6.8共栅共源电流镜集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分23王向展42243123311(),outDSDSDSGSDSDSDSrDSGSDSGSIIIVVVVVIVVVV恒定，恒定IDS4Iout回复原值，Rout提高。由交流小信号等效电路并结合Kirchhoff定律，得如下方程组：4242442224444130outmmbdsdsoutoutmbmIgVgVVgVrIVVVggVV(6.16)2442444241()outoomoomooRrrgrrgrr求解方程组可得：(6.17)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分24王向展6.2.3基准源（教材12.3）理想得基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。“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。（a）电阻分压器（b）有源器件分压器图6.9简单分压器1、简单的电压分压器212DDREFRRRVVVREF对VDD的灵敏度：1REFDDVREFREFREFDDVDDDDDDREFVVVVSVVVV集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分25王向展2、pn结基准电压源（1）简单的pn结基准源图6.10简单的pn结基准源ln()REFEBSkTIVVqIexp()ebSVqIIkTDDEBDDVVVIRR(6.20)其中：而：(6.21)ln()DDREFSVkTVqRI11ln()ln()REFDDVVDDSSSVIIRI则：(6.22)(6.23)集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分26王向展一般IIS，1REFDDVVS00362.REFDDVVS，VREF受VDD的影响很小。若I=1mA，IS=10-15A，即当VDD变化10%，VREF只变化0.362%。(2)改进的pn结基准源2121121()()EBREFBEBEBEBEBVVIRVRVRVRVRRR注意，上式成立的条件为：IB很小（即很大）；(R1+R2)阻值要大。(6.24)图6.11改进的pn结基准源集成电路原理与设计2019年8月4日5时7分27王向展（3）以MOSFET代替BJT的基准源（a）基本结构（b）改进结构图6.12以MOSFET代替BJT的基准源对于图6.12(a)所示结构：1222()REFGSTDDREFTIVVVVVVR122();();