第六章模拟集成电路设计-1..ppt

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1、四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8模拟集成电路模拟集成电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8集成电路概述集成电路概述模拟模拟IC就是能对模拟量进行运算和处理的一种就是能对模拟量进行运算和处理的一种IC，直接对连续可变的模拟量进行计算与处理，直接对连续可变的模拟量进行计算与处理模拟集成电路的种类模拟集成电路的种类根据输入、输出电压的变化关系分类根据输入、输出电压的变化关系分类线性线性IC：输出信号随输入信号的变化成线性关系：输出信号随输入信号

2、的变化成线性关系非线性非线性IC：具有非线性的传输特点：具有非线性的传输特点接口电路：接口电路：AD/DA转换器转换器按工作频率分类按工作频率分类低频、高频、射频、微波、毫米波低频、高频、射频、微波、毫米波按功率分类按功率分类功率集成电路功率集成电路按器件分类按器件分类双极、双极、MOS、BICMOS按应用领域分类按应用领域分类通信用通信用IC四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8模拟集成电路的特点模拟集成电路的特点应用的多样性应用的多样性电路结构的多样性、复合性电路结构的多样性、复合性微小信号微小信号电源变化较大电源变

3、化较大发展发展模拟电路数字化模拟电路数字化高频、低噪声、低功耗、宽频带高频、低噪声、低功耗、宽频带MOS模拟集成电路模拟集成电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8本章主要内容本章主要内容CMOS工艺技术工艺技术模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器单极放大器CMOS运算放大器运算放大器负反馈负反馈D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8一、一、CMOS工艺技

4、术工艺技术晶片工艺晶片工艺光刻光刻氧化氧化离子注入离子注入淀积与刻蚀淀积与刻蚀器件制造器件制造四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/81、有源器件、有源器件基本晶体管制造基本晶体管制造后端工艺后端工艺四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/82、无源器件、无源器件电阻电阻电容器电容器电感电感四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/83、互连、互连金属金属多晶硅多晶硅扩散层扩散层四川大学

5、物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8二、模拟集成电路版图技术二、模拟集成电路版图技术设计规则设计规则天线效应天线效应模拟集成电路版图模拟集成电路版图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8设计规则设计规则最小宽度最小宽度最小间距最小间距最小包围最小包围最小延伸最小延伸四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8天线效应天线效应问题问题小尺寸的栅极与大面积金属一层相连小尺寸的栅极与大面积金属

6、一层相连在刻蚀时，大面积的金属一层会收集离子，使在刻蚀时，大面积的金属一层会收集离子，使其电位升高，造成击穿。其电位升高，造成击穿。四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8模拟电路的版图模拟电路的版图叉指晶体管叉指晶体管对称性对称性参考源的分布参考源的分布无源器件无源器件连线连线焊盘与静电放电保护焊盘与静电放电保护四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8模拟电路设计模拟电路设计衬底耦合衬底耦合封装封装四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院

7、专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8本章主要内容本章主要内容CMOS工艺技术工艺技术模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器单极放大器CMOS运算放大器运算放大器负反馈负反馈D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8恒流源电路和有源负载恒流源电路和有源负载参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源偏置电路：把一个支路中的参考电流比较精确偏置电路：把一个支路中的参考电流比较精确地反射到另一个支路上去，以获得较稳定的

8、工地反射到另一个支路上去，以获得较稳定的工作电流作电流有源负载：设计得到大的动态电阻，从而提高有源负载：设计得到大的动态电阻，从而提高电压增益电压增益四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8基本型恒流源基本型恒流源1.镜像电流源镜像电流源基准电流：因为：所以：最后得到公式6-29增加了双极型晶体管工作点的稳定性增加了双极型晶体管工作点的稳定性r四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8讨论讨论恒定电流由恒定电流由Rr决定决定温度补偿，跟踪性好温度补偿，跟

9、踪性好不足不足比比较小小则电流匹配性差流匹配性差对电源源变化无抑制作用化无抑制作用Ir的温度系数的温度系数晶体管的晶体管的对称性称性电阻的温漂阻的温漂输出出电阻阻四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/82、电阻比例恒流源、电阻比例恒流源基准电流基准电流Ir电路特点：得到不同的电流输出值，减少芯片电路特点：得到不同的电流输出值，减少芯片面积面积注意：注意：设计中要求微小工作电流设计中要求微小工作电流减小减小R0，以使芯片面积小，以使芯片面积小无法抑制电源变化的影响无法抑制电源变化的影响四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科

10、学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8例题例题 一多路输出电流源电路如图所示，一多路输出电流源电路如图所示，T1T6管发射管发射结电压结电压VBE=0.7伏，试求伏，试求T3T6管的集电极电流管的集电极电流（IO），并说明），并说明T1的作用的作用解：解：T1电流放大，以减少从参考电流中分出的基极电流。电流放大，以减少从参考电流中分出的基极电流。使一个参考电流较准确地控制多个电流源使一个参考电流较准确地控制多个电流源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/83、微电流恒流源（、微电流恒流源（

11、Widlar源）源）讨论：（1）用中等电阻，可获得较小的恒定电流例题：若VCC=30V，Ir=1mA，IO=10微安，求R和Re2；若用基本恒流源，Rr的值应为多少？若VCC由30V下降至15V。求两种恒流源的IO值？（2）对电源电压变化的抑制作用由上题可见：微电流恒流源有较好的电流稳定性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/84、基极电流补偿恒流源（、基极电流补偿恒流源（Wilson源）源）图图6-32：应用于较大电流的情况：应用于较大电流的情况消除基极电流的影响消除基极电流的影响工作原理工作原理流过基极的电流经过流过基

12、极的电流经过T3管放大管放大此电流提供了此电流提供了T1、T2管的基极电流和管的基极电流和T3管的集管的集电极电流电极电流通过公式（通过公式（6-3335）得，输出电流与参考电）得，输出电流与参考电流十分接近了流十分接近了反馈补偿作用反馈补偿作用稳定工作点稳定工作点四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/85、Pnp恒流源恒流源PNP管恒流源在双极型模拟电路中广泛使管恒流源在双极型模拟电路中广泛使用用根据电流源电路的特点：基极短接、发射根据电流源电路的特点：基极短接、发射极接同样电位，因此采用多集电极横向极接同样电位，因此采

13、用多集电极横向PNP管就可等效出多个恒流源管就可等效出多个恒流源优点：可把偏置和恒流的几个晶体管都作优点：可把偏置和恒流的几个晶体管都作在一个隔离岛内，而且共用一个发射极、在一个隔离岛内，而且共用一个发射极、一个基极，从而节省了面积一个基极，从而节省了面积缺点：误差大、频率特性差缺点：误差大、频率特性差电路如图电路如图6-33四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/86、MOS恒流源恒流源（1）基本恒流源（如图）基本恒流源（如图6-34）T1、T2管为管为n沟道增强型沟道增强型MOS管管工作原理工作原理T1管栅漏短接，始终工

14、作在饱和区管栅漏短接，始终工作在饱和区T2管与管与T1管工艺参数相同管工艺参数相同讨论：I、考虑沟道长度调制效应，造成偏差II、交流输出电阻较高III、输出电压摆幅：VCCVGS-VT、R电阻值比较大四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8（2）Wilson恒流源恒流源电路图与双极型的相同，如图电路图与双极型的相同，如图6-36引入负反馈，提高输出电流的稳定性，提高输出引入负反馈，提高输出电流的稳定性，提高输出阻抗阻抗例：已知例：已知Wilson源的基准电流源的基准电流Ir=50微安，微安，MOS管的参数：管的参数：n=4

15、00cm2/S.V。Cox=3.810-8F/cm2，W1/L1=W2/L2=W3/L3=2，ro1=ro3=3.3105欧欧姆，求电路的输出电流姆，求电路的输出电流及及输出电阻？输出电阻？公式6-42四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8衬底调制效应衬底调制效应若若Ir=50微安、微安、VGS2=1V、n2Cox2=n3Cox3=210-5A/V2、衬底调制系数、衬底调制系数r=0.27V1/2，2F=0.8V、参、参考考电压：5V、VTH=1伏。求伏。求T2、T3管的管的宽长比。比。在加上沟道长度调制效应，计算较为复

16、杂在加上沟道长度调制效应，计算较为复杂四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8有源负载有源负载（1）电源电压）电源电压（2）集电极的负载电阻）集电极的负载电阻交流阻抗很大而直流电阻很小的负载原件作为放大器的负载交流阻抗很大而直流电阻很小的负载原件作为放大器的负载一般电阻负载共射放大器和射耦对中的一般电阻负载共射放大器和射耦对中的电压增益：电压增益：结论：结论：在一般高增益集成放大器中，常用极性在一般高增益集成放大器中，常用极性 相反的恒流源输出管来做负载。相反的恒流源输出管来做负载。如图如图6-38、6-39所示，其主要特

17、点所示，其主要特点 由于其较大的交流电阻，从而提高了共射放大器的电压增益由于其较大的交流电阻，从而提高了共射放大器的电压增益 直流电阻并不大，电源电压要求不高直流电阻并不大，电源电压要求不高 电源电压变化的范围可以较宽电源电压变化的范围可以较宽 有源负载在集成工艺中容易实现有源负载在集成工艺中容易实现四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8课堂练习题课堂练习题T1、T2为横向为横向pnp晶体管，电流增益为晶体管，电流增益为10；T3、T4管为纵向管为纵向NPN晶体管，电流增益为晶体管，电流增益为150。两种。两种晶体管的发

18、射结正向压将均为晶体管的发射结正向压将均为1V。已知：。已知：Rr=28千欧，千欧，Vt=0.026伏，伏，IC4=0.1毫安毫安计算电阻计算电阻Re的值的值电流电流IC2的值的值电路图微电流恒流源（微电流恒流源（widlar源）源）Pnp恒流源电路恒流源电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8MOS恒流源恒流源电源电压：电源电压：5V，节点，节点1的电压：的电压：3V。电子迁移率：电子迁移率：5002/VS。MOS栅氧化层厚度栅氧化层厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/MOS管的阈值电压：管的

19、阈值电压：0.7V。其中其中M1管的宽长比：管的宽长比：5其它其它PMOS管的宽长比的比例：管的宽长比的比例：1：4：8其它其它NMOS管的宽长比的比例：管的宽长比的比例：1：3：6四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路(小功率设备小功率设备)稳压电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8基准源电路基准源电路原理原理高质量的高质量的IC内部稳压电

20、源，提供稳定的偏置电压或基内部稳压电源，提供稳定的偏置电压或基准电压准电压要求：输出直流电平稳定，且对电源电压和温度变化要求：输出直流电平稳定，且对电源电压和温度变化不敏感不敏感常用的标准电压：常用的标准电压：BE结的正向压降结的正向压降VBE=0.60.8V。温度系数：。温度系数：-2mV/BE结构成的齐纳二极管（反向电压）结构成的齐纳二极管（反向电压）VBER=69V。温。温度系数：度系数：2mV/等效热电压：等效热电压：Vt=0.026V，温度系数：，温度系数：0.086mV/组合得到对电源电压和温度不敏感的电压源和基组合得到对电源电压和温度不敏感的电压源和基准电压源准电压源四川大学物理

21、科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8正向二极管基准源电路正向二极管基准源电路如图如图6-41：利用晶体管的：利用晶体管的be结正偏特性。结正偏特性。Vref=nVFn0.7V电路的内阻等于各个正向二级管的电路的内阻等于各个正向二级管的n倍倍集电极电位相同的晶体管，可以放在同一隔离区，集电极电位相同的晶体管，可以放在同一隔离区，而此电路路而此电路路be结首尾相接，结首尾相接，bc结短接结短接所以需要单独隔离，占用了芯片面积所以需要单独隔离，占用了芯片面积改进：如图改进：如图6-42，利用电阻的分压作用实现大的，利用电阻的分压作用实现

22、大的Vref四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8齐纳二极管基准源电路（图齐纳二极管基准源电路（图6-43）稳压原理稳压原理 利利用用稳稳压压二二极极管管的的反反向向击击穿穿特特性性。（采用（采用bc结短接的晶体管）结短接的晶体管）由由于于反反向向特特性性陡陡直直，较较大大的的电电流流变变化，只会引起较小的电压变化。化，只会引起较小的电压变化。VIVOVZIZIRVRVO讨论：讨论：（1）二极管）二极管PN结分布不一致性及结分布不一致性及 其缺陷、杂质、不均匀等因素其缺陷、杂质、不均匀等因素（2）体电阻和接触电阻）体电阻

23、和接触电阻（3）温度系数）温度系数四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8具有温度补偿的齐纳基准源电路具有温度补偿的齐纳基准源电路二极管具有负温度系数、齐纳二极管的稳定电压具有正温度系数，二极管具有负温度系数、齐纳二极管的稳定电压具有正温度系数，形成图形成图6-44（a），实现温度的补偿。），实现温度的补偿。参数参数型号型号稳定电压 V稳定电稳定电流流 mA温度系数%/度动态电阻 最大稳定电流 mA耗散功率 W2CW146 75100.0615330.252CW2013.5 1750.09550150.252CW7C6.1

24、-6.5100.00510300.25由表可以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。其结构如下：正向二极管 稳压管温度补尝图6-44 版图和剖面图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8负反馈基准源电路（图负反馈基准源电路（图6-45）改进后的优点改进后的优点实现温度补偿实现温度补偿T1、T2、DZ和电阻和电阻R组成反馈电路，从而保持稳定组成反馈电路，从而保持稳定由由T1射随器输出电压，因此基准源的内阻小射随器输出电压，因此基准源的内阻小四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电

25、路设计实验室2023/3/8参考电压源参考电压源齐纳二极管基准电压源齐纳二极管基准电压源 图图6-46利用电阻、二极管、齐纳二极管的温度系数来利用电阻、二极管、齐纳二极管的温度系数来求得一平衡点求得一平衡点带隙参考电压源带隙参考电压源 图图6-47利用利用BJT在不同的工作电流密度下，三极管的在不同的工作电流密度下，三极管的be结电压温度系数之差、结电压温度系数之差、be结本身的负温度系结本身的负温度系数来调节基准电压数来调节基准电压Vref的数值与硅的禁带宽度相近的数值与硅的禁带宽度相近通过叠加通过叠加VBE和增加电阻比值的方法实现较高和增加电阻比值的方法实现较高的参考电压源的参考电压源四川

26、大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8应用应用串联型稳压电源串联型稳压电源串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 VO=VI-VR，当当VIR VR在在一一定定程程度度上上抵抵消消了了VI增增加加对对输输出出电电压压的的影影响。响。若若负负载载电电流流ILRVR在在一一定定程程度度上上抵抵消消了了因因IL增增加加，使使VI减小，对输出电压减小的影响。减小，对输出电压减小的影响。串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室

27、专用集成电路设计实验室2023/3/8串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比比较较放放大大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+串联型稳压电路串联型稳压电路:四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8实例实例L7805 Layout四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8L7805电路图电路图四川大学物理科学与技术学院四川大

28、学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8 常用的集成三端稳压器的类型常用的集成三端稳压器的类型类型：类型：L7800系列系列 稳定正电压稳定正电压 L7805 输出输出+5V L7809 输出输出+9V L7812 输出输出+12V L7815 输出输出+15V L7900系列系列 稳定负电压稳定负电压 L7905 输出输出-5V L7909 输出输出-9V L7912 输出输出-12V L7915 输出输出-15V四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8MOS基准源电路基准源电路用

29、用MOS管代替三极管代替三极管单元（饱和区）管单元（饱和区）利用两个沟道类型相利用两个沟道类型相同，而阈值电压不同同，而阈值电压不同的的MOS管管CMOS带隙基准电压带隙基准电压源源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8CMOS带隙基准源（带隙基准源（BiCMOS）原理原理利用利用MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的的BE结导通电压结导通电压VBE的负温度特性互相补偿，达到恒定的基准电压输出的负温度特性互相补偿，达到恒定的基准电压输出MOSFET亚阈区电流条件：条件

30、：VGS VT，见图见图6-48电流随电压电流随电压VGS的变化不是二次方而是指数性关系的变化不是二次方而是指数性关系分界点，分界点，2n 4在在CMOS带隙基准源中带隙基准源中所有的所有的MOS管多工作在管多工作在亚阈值饱和状态亚阈值饱和状态四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8电路分析电路分析N沟沟M1、M3管与管与P沟沟M2、M4管分别是基管分别是基本电流源电路，它们构成了一闭合回路本电流源电路，它们构成了一闭合回路电阻电阻R1的负反馈作用的负反馈作用M3、M5管也是恒流源电路管也是恒流源电路特点特点基准电压调整到

31、零温度系数时，其输出基准电压值为半导体禁带带隙电压四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8本章主要内容本章主要内容CMOS工艺技术工艺技术模拟集成电路版图技术模拟集成电路版图技术参考电压源和参考电流源参考电压源和参考电流源CMOS单极放大器单极放大器CMOS运算放大器运算

32、放大器负反馈负反馈D/A、A/D转换器转换器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8主要内容主要内容放大器基本原理放大器基本原理共源极放大器共源极放大器带电流源的共源极放大器带电流源的共源极放大器其它单极放大器其它单极放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8放大器的种类放大器的种类电压放大器电压放大器跨阻放大器跨阻放大器跨导放大器跨导放大器电流放大器电流放大器放大器的组成放大器的组成前馈放大器前馈放大器检测输出的方式检测输出的方式反馈网络反馈网络

33、产生反馈误差的方式产生反馈误差的方式VinVout四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8电压放大电路的性能指标电压放大电路的性能指标一、电压放大倍数一、电压放大倍数AuUi 和和Uo 分别是输入和输出电压分别是输入和输出电压的有效值。的有效值。uiuoAuAu是复数，反映了输出和输入的是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。幅值比与相位差。四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8二、输入电阻二、输入电阻ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号

34、，放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。那么就要从信号源取电流。输入电阻输入电阻是衡量放大是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AuUS定义：定义：即：即：ri越大，越大，Ii 就越小，就越小，ui就越接近就越接近uS四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8三、输出电阻三、输出电阻roAuUS放大电路对其放大电路对其负载负载而言，相当于信号源，既是而言

35、，相当于信号源，既是电压源，电压源，输出电阻越大，在负载取得的电压越输出电阻越大，在负载取得的电压越小，对负载的影响越大。小，对负载的影响越大。roUS四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8四、通频带四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：fbw=fHfL放大倍数随频率变化放大倍数随频率变化曲线曲线幅频特性曲幅频特性曲线线耦合电耦合电容造成容造成三极管结三极管结电容造成电容造成四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集

36、成电路设计实验室2023/3/8五、饱和度五、饱和度iDvDSvGS输入波形输入波形uo输出波形输出波形四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8单端放大器单端放大器共源极共源极四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD跨导跨导漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8很大，很大，可忽略。可忽略。场

37、效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8共源极放大器共源极放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8结论结论放大器的重要参数放大器的重要参数增益增益信号摆幅信号摆幅功耗功耗频率响应频率响应工艺误差和温度漂移工艺误差和温度漂移代电阻共源放大器：增益、成本和频率响应代电阻共源放大器：增益、成本和频率响应采用电流源设计采用电流源设

38、计高增益、输入电阻大、输出电阻大高增益、输入电阻大、输出电阻大电压放大器（高增益、输入电阻大、输出电阻小）电压放大器（高增益、输入电阻大、输出电阻小）改进改进四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8其它晶体管放大器其它晶体管放大器四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8结论结论 Common-source stage:large voltage gain and transconductance,high input resistance,large

39、output resistance excellent transconductance amplifier,reasonable voltage amplifier Common-drain stage:no voltage gain,but high input resistance and low output resistance good voltage buffer Common-gate stage:no current gain,but low input resistance and high output resistance good current buffer四川大学

40、物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8典型应用典型应用四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8结论结论三种放大器三种放大器参数参数功能功能频率响应频率响应物理因素物理因素电路分析电路分析噪声噪声电源电源器件设计器件设计信号干扰信号干扰四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8Differential Amplifiers四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实

41、验室专用集成电路设计实验室2023/3/8结论结论 In differential amplifiers signal represented by difference between two voltages.Differential amplifier:amplifies difference between two voltages but rejects”common mode”)noise immunity.Using”half-circuit”technique,small-signal operation of differential amplifiers is analyz

42、ed by breaking problem into two simpler ones:differential-mode problem and common-mode problem.Common-mode rejection ratio:important figure of merit of differential amplifiers.Differential amplifiers require good device matching.四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8用有源负载实现的差动用有源负载

43、实现的差动-单端转换单端转换电路电路T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。T1管集电极电流的变化由T3、T4管组成的电流源镜像到T2管的集电极T2管集电极电流本身引起的变化以上两点共同决定了输出端电流，和差分双端输出相等四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8其它电路其它电路图图6-55（b）CMOS电路电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集

44、成电路设计实验室2023/3/8输出级电路输出级电路根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗功耗等几种。等几种。射随器输出级射随器输出级互补推挽输出级互补推挽输出级CMOS输出级输出级 甲类偏置的甲类偏置的CMOS输出级输出级 CMOS互补输出级互补输出级输出过流保护电路输出过流保护电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8射随器输出级射随器输出级图图6-56T1：射极输出管：射极输

45、出管外部负载电阻外部负载电阻T2、T3和和R1R3组成恒流源组成恒流源四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8互补推挽输出级互补推挽输出级T1T2R1V+V-VinVout一个npn管和一个pnp管组成当Vth2Vi Vth1时，T1、T2都截止当ViVth1时，T2截止、T1导通，npn管射极输出器当ViVth2时，T1截止、T2导通，pnp管射极输出器缺点：“交越失真”、输出电阻可变在T1、T2管之间增加偏压，使电压输出特性曲线平移，避免“交越失真”如图6-59、6-60，研究生免试题（具有电流、电压增益的互补推挽输出

46、级）四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8CMOS输出级输出级甲类偏置的甲类偏置的CMOS输出级输出级T2为为T1管的有源负载，管的有源负载，T1管为源级输出管为源级输出T1、T2管分别工作管分别工作特点：输入阻抗高、输出电压增益小于特点：输入阻抗高、输出电压增益小于1，输出阻抗比，输出阻抗比较低，电路简单较低，电路简单缺点：正向驱动能力取决于缺点：正向驱动能力取决于T1管的跨导，而负向驱动管的跨导，而负向驱动能力有负载管能力有负载管T2的静态偏压值决定。所以正、负向驱的静态偏压值决定。所以正、负向驱动能力不对称。动能力

47、不对称。Npn加加NMOS结构结构Npn为寄生器件为寄生器件集电区：集电区：n型衬底型衬底基区：基区：p阱阱发射区：源、漏发射区：源、漏输出效率低输出效率低四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8CMOS互补输出级互补输出级A图图利用互补器件构成对称利用互补器件构成对称源级跟随器（源级跟随器（T4、T6和和T3、T5）T6管为工作管、管为工作管、T5管管为负载管为负载管T3、T4提供了提供了T1、T2管的偏置避免管的偏置避免“交越失交越失真真”T4、T2和和T1、T3构成构成了了MOS恒流源恒流源T1、T2源极输出源极输出

48、B图图上图中去掉上图中去掉T4、T5管管T1、T2组成互补推挽电路组成互补推挽电路T3、T4管起隔离作用，并为管起隔离作用，并为T1、T2管提供偏置电压管提供偏置电压VGS1=VG3-V+|VGS2=VS3-V-输入输入vi正向变化时，正向变化时，T3电流电流增加、增加、T1电流减少、电流减少、VS3向向正向变化、正向变化、T2管电流增加、管电流增加、VO负向变化负向变化输入输入vi负向变化时，负向变化时，T3、T2管电流均减少、管电流均减少、VO正向变化、正向变化、T1管电流增加管电流增加输出电压幅度大、输出电阻输出电压幅度大、输出电阻较大较大四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术

49、学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8输出过流保护电路输出过流保护电路电流过大、限流电路电流过大、限流电路过压保护、过热保护电路过压保护、过热保护电路输入保护或中间级保护输入保护或中间级保护二极管钳位限流保护电路二极管钳位限流保护电路原理：利用二极管的正向开启电压，通过电阻限流原理：利用二极管的正向开启电压，通过电阻限流晶体管限流保护电路晶体管限流保护电路原理：利用原理：利用be结的开启电压，通过电阻实现限流结的开启电压，通过电阻实现限流四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8电路图（图电路图（图6-63）例子例子 找到限找到限流保护流保护电路电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室2023/3/8CMOS输出级输出级