模拟集成电路基本单元.ppt

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1、集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元华南理工大学华南理工大学华南理工大学华南理工大学 电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥 教授教授教授教授第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大

2、器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换2双极型镜像电流源双极型镜像电流源3基本镜像电流源基本镜像电流源带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源 4威尔逊电流源威尔逊电流源求动态内阻R0增大动态内阻增大动态内阻R05NMOS基本电流镜基本电流镜 MOS电流镜电流镜多支路比例电流镜多支路比例电流镜 6MOS威尔逊电流镜改进结构改进结构（使（使M2和和M3工作状态相同）工作状态相同）VG2IO VG2 VGS1 IO 第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反

3、相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换78三管能隙基准源三管能隙基准源8.2 基准电压源设计基准电压源设计9CMOS基准电压源基准电压源电压差与温度成正比的结构电压差与温度成正比的结构温度补偿温度补偿CMOS基准电压电路基准电压电路第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大

4、器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换10有源电阻有源电阻IC中，中，MOS器件的有源电阻常用来代替扩散电阻器件的有源电阻常用来代替扩散电阻或多晶硅电阻，可以大大节省面积。或多晶硅电阻，可以大大节省面积。工作在线性区和饱和区的工作在线性区和饱和区的MOS管都可以做有源电管都可以做有源电阻，饱和区可以获得较大阻值。阻，饱和区可以获得较大阻值。另一种形式另一种形式“二极管连接二极管连接”（栅（栅-漏相连）漏相连）11I+_VVTIV128.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计纯电阻负载纯电阻负载NMOS共源放大器共源放大器截止截止饱和饱和线性线性饱和饱和线性线性单

5、位面积栅电容单位面积栅电容138.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计饱和饱和NMOS负载共源放大器负载共源放大器等效电阻值比较小，等效电阻值比较小，VT2管工作在饱和做负载管工作在饱和做负载VT2管管G、D电位固定，电位固定，S输出输出148.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计二极管连接二极管连接NMOS负载共源放大器负载共源放大器158.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计E/D NMOS共源放大器共源放大器VT2管为耗尽型管为耗尽型沟道电阻受衬底偏置影响沟道电阻受衬底偏置影响168.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计PMOS负载共源放大

6、器负载共源放大器PMOS管管VT2工作在饱和，没有衬底偏置效应。工作在饱和，没有衬底偏置效应。178.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计二极管连接二极管连接PMOS负载共源放大器负载共源放大器PMOS管管VT2作二极管连接，没有衬底偏置效应。作二极管连接，没有衬底偏置效应。18CMOS推挽放大器推挽放大器在在正正常常工工作作情情况况下下，两两管管均均工工作作在在饱饱和和状状态态。对对于于交交流流信信号号而而言言，两两个个管管子处于并联连接。子处于并联连接。输出电阻输出电阻=r01/r02跨导跨导=g1+g219共栅放大器共栅放大器线性边界：线性边界：关断关断饱和饱和线性线性20共

7、栅放大器共栅放大器饱和状态小信号增益饱和状态小信号增益共栅放大器获得同相放大，且体效应增大了增益。共栅放大器获得同相放大，且体效应增大了增益。共栅放大器输入电阻较低。共栅放大器输入电阻较低。还可以通过电容耦合构成共栅放大器。还可以通过电容耦合构成共栅放大器。21共栅共源放大器共栅共源放大器为了保证为了保证VT1和和VT2均工作在饱和均工作在饱和Vout1降到比降到比Vin低一个低一个VT1，迫使，迫使VT1进入线性区进入线性区Vout 降到比降到比VB低一个低一个VT2，迫使，迫使VT2进入线性区进入线性区输出阻抗高输出阻抗高频带宽频带宽输出摆幅小输出摆幅小可可以以采采用用折折叠叠方方式式解解

8、决决摆摆幅幅小小的的问问题题第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换22238.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计BJT差分放大器差分放大器24MOS差分放大器差分放大器第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电

9、路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换258.5 运算放大器电路运算放大器电路运算放大器性能参数运算放大器性能参数增益增益小信号带宽小信号带宽大信号带宽大信号带宽 输出摆幅输出摆幅线性线性噪声与失调噪声与失调电源抑制电源抑制268.5.2 套筒式共源共栅运放套筒式共源共栅运放 27简单结构运算放大器电路简单结构运算放大器电路带宽主要由负载电容决定带宽主要由负载电容决定一般不会超过一般不会超过2028共源共栅运放共源共栅运放(套筒式套筒式)极点极点牺牺牲牲了了输输出出摆摆

10、幅幅29输入与输出短路的共源共栅运放输入与输出短路的共源共栅运放 VT2和和VT4饱和的条件饱和的条件输出电压范围输出电压范围30折叠式共源共栅运放折叠式共源共栅运放套筒式共源共栅运放输出摆幅小、无法输入输出短接。套筒式共源共栅运放输出摆幅小、无法输入输出短接。输入管改变型号，构成折叠式电路：输入管改变型号，构成折叠式电路：输入输出管都不再串接另一管子，所以输入输出的共模范围加大。输入输出管都不再串接另一管子，所以输入输出的共模范围加大。31折叠共源共栅运放结构折叠共源共栅运放结构 把折叠思想应用到运放电路中：把折叠思想应用到运放电路中：功耗增加功耗增加输入共模电压不能低于输入共模电压不能低于

11、 Vb1-VGS3+|VTHP|32以共源共栅以共源共栅PMOS为负载的折叠共源共栅运放为负载的折叠共源共栅运放 I2I1ISS2ISS1输出电压幅度：输出电压幅度：33小信号增益估算小信号增益估算半边电路小信号增益：半边电路小信号增益：VT3源端看入电阻源端看入电阻增益减小增益减小34器件电容对非主极点的影响器件电容对非主极点的影响套筒式电路套筒式电路Ctot：CGS3，CSB3，CDB1，CGD1折叠式电路折叠式电路Ctot：CGS3，CSB3，CDB1，CGD1CGD5，CDB5（相对较大）（相对较大）极点更靠近原点极点更靠近原点35折叠共源共栅运放的实现折叠共源共栅运放的实现 36两级

12、运放两级运放37采用共源共栅的两级运放采用共源共栅的两级运放38单端输出的两级运放单端输出的两级运放第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换398.6 振荡器振荡器40LC振荡器振荡器张驰振荡器张驰振荡器41环形振荡器环形振荡器环形振荡器的延迟单元环形振荡器的延迟单元42RC网络型环形压控振荡器网络型环形压控振荡器由由VC控

13、制环路延迟单元时间常数。控制环路延迟单元时间常数。43矢量叠加型环形矢量叠加型环形VCO 第八章第八章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路设计电流源电路设计8.2 基准电压源设计基准电压源设计8.3 单端反相放大器电路设计单端反相放大器电路设计 8.4 差分放大器电路设计差分放大器电路设计8.5 运算放大器电路运算放大器电路8.6 振荡器振荡器 8.7 D/A与与A/D转换转换448.7 D/A与与A/D转换转换45D/A变换器方框图变换器方框图46串联电阻分压串联电阻分压D/A变换器变换器并联电容分压并联电容分压D/A变换器变换器47并联式并联式A/D变换器变换器4849逐次逼近式逐次逼近式A/D变换器变换器50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变换器变换器本章练习本章练习1.限幅放大器属于小信号放大器还是大信号放大器？限幅放大器属于小信号放大器还是大信号放大器？2.运算放大器有哪些特点和性能指标？运算放大器有哪些特点和性能指标？3.说明环形振荡器的工作原理。说明环形振荡器的工作原理。4.叙述串联电阻分压叙述串联电阻分压D/A变换器的电路原理。变换器的电路原理。5.叙述逐次逼近式叙述逐次逼近式A/D变换器的原理。变换器的原理。51