第12章--模拟集成电路中的基本单元电路.ppt

* * 第12章 模拟集成电路中的基本单元电路 12.2 恒流源电路 12.1 单管、复合器件及双管放大级 作业 12.3 偏置电压源和基准电压源电路 12.1 单管、复合器件及双管放大级 一、双极晶体管复合器件及双管放大级 在双极模拟集成电路中，经常把两个或两个以上的有源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合三端器件和单元电路，如达林顿管、复合PNP管、射耦对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。 1、达林顿管 Q1、Q2管的集电极短接在一起，Q1的发射极与Q2的基极连接在一起，用恒流源I0(或用偏置电阻)来设定管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的集电极是短接的，所以可以共用一个隔离岛。 上标C代表复合管。 复合管的输入电阻 复合管的等效直流电流增益 复合管的低频小信号电流增益 复合管的等效跨导 复合管的等效输出电阻 达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大，所以在集成电路中得到广泛的应用，但它的跨导和输出电阻比单管小，且芯片面积增大。 2、共集、共射单元 3、复合PNP管 在双极模拟集成电路中有时要用到PNP管，但一般横向PNP管的电流增益较小，在需要较大电流增益的PNP管时，可用复合PNP管。它是由一个横向PNP管和NPN管组合而成，I0为偏置恒流源。 在电路版图中，它需要两个独立的隔离区。 二、MOS管放大级 1．MOS源跟随器 MOS管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器类似，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于(近于1)的特点，它在MOS集成运放中得到广泛应用。 其源漏电阻rds2变化很小，基本上可以看作常数 其源漏电阻rds2是一个变化的非线性电阻 2．MOS共栅放大器 3．共源共栅放大器 4．CMOS放大器 以上介绍的MOS放大器均为单沟道MOS放大器，它们的缺点是都存在衬偏调制效应，影响了放大倍数的提高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用CMOS放大器可以克服这种效应。 (1)固定栅式CMOS放大器 由于阱的隔离作用，两个MOS管的衬底可以分别接到各自的源上，因而基本上消除了因衬底偏置效应而导致的性能的退化。 M1为NMOS管，M2为PMOS管，两管的衬底与它本身的源短接，VBS＝0；另外，两管的栅短接，输入信号Vi同时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。 (2)CMOS互补放大器 在电路参数相同时，CMOS互补放大器的电压增益是固定栅式CMOS放大器电压增益的两倍，而两者的输出电阻相同；但固定栅式CMOS放大器的偏置要求比较简单。 若将CMOS放大器的电压增益和输出电阻与E/E MOS放大器、E/D MOS放大器的电压增益和输出电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下，gds比gm和gmb小一两个数量级，因而在相同的工作电流条件下，CMOS放大器的电压增益远高于E/E，E/D放大器，通常可达50～60dB，其输出电阻也比E/E、E/D放大器的输出电阻高；而且CMOS放大器有两种性能接近的互补管子，所以可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点，因此CMOS放大器被广泛地应用于MOS模拟大规模集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面积较大。 12.2 恒流源电路 恒流源电路被广泛用于作偏置电路和有源负载，其基本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。 一、精密匹配电流镜 它能达到精密匹配，是由于采用了以下几个措施： (1)增加了Q3射随器缓冲，改善了IB引入的电流传输差； (2)利用R1=R2的负反馈，减小△VBE(VBE1－VBE2)引入的电流差； (3)为抵消IB3的影响，在Q2的集电极增加射随器Q4，利用Q4的IB4抵消IB3，进一步提高Ir和Io的对称性。 在双极模拟集成电路中，一般选用NPN管作为放大器件，它需要互补的PNP管作为有源负载以增加增益，所以PNP恒流源在双极模拟电路中得到广泛的应用。各种NPN恒流源都可化为PNP恒流源，只要以PNP管代替NPN管并改变电源接法和电流的方向。 二、PNP恒流源 由于横向PNP管容易做成共基极多发射极多集电极结构，而且各集电极的电流比，精确地决定于各集电极对应的有效发射区周长之比。这正符合恒流源设计的要求，给电路设计带来很多方便，且可节省隔离岛的数目，减小管芯的面积。 12.3 偏置电压源和基准电压源电路 在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。 在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有以下三类： (