专用集成电路设计基础教程(来新泉 西电版)第5章 模拟集成电路设计技术.ppt
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1、,5.1 电流源 5.2 差分放大器 5.3 集成运算放大器电路 5.4 比较器 5.5 带隙基准 5.6 振荡器,第5章 模拟集成电路设计技术,5.1 电 流 源 集成电路设计者的主要工作是设计电路,包括电流的设计。为了给各电路提供设计所指定的电流,常使用电流镜电路,它是集成电路的基本电路。其主要用途有:做有源负载;利用其对电路中的工作点进行偏置,以使电路中的各个晶体管有稳定、正确的工作点。下面我们来讨论模拟集成电路中各种类型的电流源电路。,5.1.1 双极型电流源电路 在集成电路中,偏置电路和晶体管分立元件的偏置方法不同,也就是说,晶体管分立元件通常采用的偏置电路在集成电路中是不适用的。为
2、了说明这个问题,我们先看一个例子。 图5-1是晶体管共射放大电路。Rb1、Rb2是偏置电阻,通过分压固定基极电位;Re是射极反馈电阻,起着直流反馈和保证工作点稳定的作用。图5-1也是晶体管分立元件通常采用的偏置电路,现在来估算一下这种偏置电路中的各个电阻的阻值。,图5-1 晶体管共射放大电路,例如:ic13 A,50,UDD15 V, 求Rb1、Rb2的阻值。当ic13 A时,ib0.26 A,按晶体管电路原理中的i1(510)ib的选择原则,取i15ib1.3 A,再按基极电位ub(510)ube的选择原则,取ub4 V,这样Rb1约要3 M,Rb2约为7 M。这样大的阻值在集成电路中所占有
3、的面积是无法实现的,因此这种偏置电路不适用于集成化的要求。在模拟集成电路中常采用电流源电路作为偏置电路。,1. 基本型电流源 图5-2是基本型电流源电路,它是由两个匹配晶体管V1、V2构成的。设两个晶体管完全对称,前向压降ube1ube2,电流放大系数12。ir为参考电流,io为电流源输出电流。现在来推导它们之间的关系。 (5-1),因为 (5-2) 所以 (5-3) (5-4),图5-2 基本型电流源电路,当很大时,电流源输出电流约等于参考电流,因此这种电流源也叫做“镜像电流源”。给定了参考电流ir,输出电流也就恒定了。这种电流源电路简单,但误差大,当较小时,io与ir匹配较差,且灵活性差,
4、适用于大电流偏置的场合。,2. 电阻比例型电流源电路 图5-3所示是由双极型晶体管构成的电阻比例型电流源电路的原理图。 通过改变R1与R2的比值,即可改变输出电流io和参考电流ir之比。由图5-3可以写出如下公式: UBE1+ie1R1=UBE2+ie2R2 (5-5) UBE2-UBE1=ie1R1-ie2R2 (5-6),图5-3 电阻比例型电流源,其中:ie1为V1的发射极电流,ie2为V2的发射极电流。根据晶体管原理又可以写出如下公式: (5-7) 则 (5-8),其中:is1和is2分别是V1、V2单位面积的反相漏电流。 设V1、V2两个管的发射区面积相同,在工艺上实现的单位面积反相
5、漏电流也相同,即is1=is2,则可以得出 (5-9) 比较式(5-6)和式(5-9)可得 (5-10),因为io=ic1ie1,在忽略基极电流的情况下,iric2ie2,则有 (5-11) 当ioir或 irR2 时,得出 (5-12),可见,输出电流io和参考电流ir之间的关系可由R2和R1的 比值来决定,因此灵活性大。该电流源还有温度补偿作用,如当温度升高时,UBE1下降,同时UBE2也下降,抑制了输出电流io上升。,3. 面积比例型电流源 比例电流源除了用图5-3中V1、V2射极加R1、R2电阻来实现外,还可以不加电阻,而通过改变V1、V2两管的发射区面积比来实现,这种方法同样也可以改
6、变输出电流io和参考电流ir的比例关系。设V1、V2两管的1、2均大于等于1,在忽略基极电流的情况下,则有 io=ic1ie1 (5-13) iric2ie2 (5-14),(5-15) (5-16) (5-17) 式中,Ae1、Ae2分别为V1、V2两管的发射区面积, 、 为V1、V2两管单位面积的反向漏电流。,在集成电路版图设计时,常把V1、V2两管靠得很近,加上工艺相同,掺杂浓度相同,因此两个管子单位面积的反相漏电流可以认为相同,即 。另外,由图5-2电路可知,V1、V2两管的正向压降也相同,即UBE1=UBE2。这样由上面几个公式可以得出 (5-18) 因此在版图设计时,只需根据io和
7、ir比值的要求,设计出相应的发射区面积Ae1和Ae2即可。,4. 微电流电流源 一般而言,ir由主偏置电流提供,其值一般比较大。要想获得较小的输出电流,可采用微电流电流源来实现。 由图5-4可知: UBE2=UBE1+ie1R1 (5-19)则 (5-20),图5-4 微电流电流源,因为 (5-21) (5-22),设V1与V2管子完全对称,则有is1=is2,代入式(5-20),有 (5-23) 当1时,基极电流可以略而不计, 即irie2,ioie1, 最后得出 (5-24) 或 (5-25),因此只要给定参考电流ir并设定输出电流io,则可算出电阻R1的值。这种电流源设计方便灵活,在固定
8、的参考电流下,只要改变R1的值,就可以得出不同的输出电流io;同时, 当ir受电源电压波动影响时,io变化很小, 较稳定。,5. 负反馈型电流源 以上介绍的几种电流源,虽然电路简单,但是存在这样两个缺点:一是动态内阻不够大,二是受变化的影响比较大。解决的办法是在电路中引入电流负反馈。 前面已导出基本型电流源输出电流io和参考电流ir之间的关系为 (5-26) 其相对误差为 (5-27),现在来计算一下相对误差值。当100时,相对误差仅为2;当5时,相对误差约为29。因此用值很大的管子作基本型电流源时,其误差可以忽略不计,但对值很小的管子来说,其误差就相当大了。为了减小输出电流io和参考电流ir
9、间的误差,需要对基本型电流源进行改进,改进后的电流源电路如图5-5所示。这种改进型电流源又称为Wilson电流源。,下面来推导这种负反馈型电流源输出电流io与参考电流ir之间的关系及相对误差。 设V1、V2、V3三个管子的值相同,其他参数也对称,按图5-5可以写出如下公式: (5-28) (5-29),图5-5 改进型电流源,(5-30) (5-31) 于是可以解出 (5-32),相对误差为 (5-33) 当PNP管的5时,相对误差为5.4%,说明负反馈型电流源输出电流和参考电流的相对误差比基本型电流源小得多,“镜像”精度得到了重大提高。,6. 横向PNP管电流源 横向PNP管在模拟集成电路中
10、已得到广泛应用。所谓横向PNP管,是指以N型外延层作为PNP管基区,其发射区和集电区由硼扩散同时实现的,因此在工艺上容易制造出多个发射区和集电区的晶体管。基本型电流源电路的两个晶体管的基区是连在一起的,发射极也接相同电位,这样就可以用一个多集电极的横向PNP管构成多个电流源。图5-6就是用一个多集电极 横向PNP管作为基本型电流源的电路,它的等效电路如图5-7所示。,图5-6 横向PNP管电流源,图5-7 基本型PNP电流源的等效电路,这种电流源电路简单,版图面积小。但由于横向PNP管固有的弱点小、频率响应差,且在小电流和大电流时都下降严重,因此作为电流源,它不能在电流全范围内使用。 本节介绍
11、了在模拟集成电路中几种常用的电流源电路,每种电流源各有优缺点,在模拟集成电路设计中,可根据电路的不同要求选择使用。在一种集成运放中,常选择几种电流源同时并用。,7. 缓冲型电流源 当电路要求有多个电流源输出电流时,若仍采用基本型电流源,则输出电流和参考电流误差会很大。为了解决这一问题,常采用缓冲型电流源。如图5-8所示,在V管b、c极之间接了缓冲级V0管,来提高各路电流的精度。,图5-8 缓冲型恒流源,假设V、V0、V1、Vn各管完全对称, 现在来看输出电流和参考电流之间的关系。由图5-8可以写出 (5-34),因 io=ic 故 (5-35) (5-36),相对误差为 (5-37) 当100
12、,n5时相对误差仅为0.06。当5, n5时,相对误差为16。现在再回头看,如果不用V0管,而用基本型电流源,即把V管b、c极短接,此时有如下关系:,(5-38) (5-39),相对误差为 (5-40) 当100,n5时,相对误差为5.7,当5,n5时,相对误差为55%。可见采用带缓冲级的电流源,其输出电流和参考电流之间的误差将大幅度地减小。,5.1.2 MOS电流源 在MOS模拟集成电路中,MOS电流源电路用做有源负载和偏置电路,给电路中各个MOS管以稳定正确的工作点;同时还可作为双端变单端转换电路。MOS电流源电路是MOS集成运放和其他模拟集成电路不可缺少的基本单元电路。,1. 基本型MO
13、S电流镜 如何给一个MOSFET加偏置才能使其作为一个稳定的电流源工作呢? 为了能对这个问题有一个更好的认识,考虑图5-9所示的简单的电阻偏置。假设VM1工作在饱和区,可得 (5-41),图5-9 用电阻分压确定电流,此式显示出iout受很多因素影响:电源、工艺和温度。过驱动电压是UDD与UTH的函数;不同晶片之间的阈值电压可能会有100 mV的变化; 而且,n与UTH都受温度的影响。因此,iout很难确定。当为了消耗更少的电压裕度而把器件偏置于较小的过驱动电压时,iout就更难确定了。例如,如果过驱动电压额定值为200 mV,UTH有50 mV 的误差,就会导致输出电流产生44的误差。,值得
14、注意的是:即使栅电压不是电源电压的函数,上述关于电流对工艺与温度的依赖性仍然存在。换句话说,即使精确地给定了一个MOSFET的栅源电压,它的漏电流也不能准确地确定。因此,我们必须寻找为MOS电流源提供偏置的其他方法。 在模拟电路中,电流源的设计基于对基准电流的“复制”,其前提是已经存在一个精确的电流源可供利用。我们怎样才能产生一个基准电流的复制电流呢?例如,在图5-10中,我们如何保证iout=IREF呢?,图5-10 复制电流方法的原理,对于一个MOSFET,如果IDf(UGS), 其中f()表示ID与UGS之间的函数关系,那么有UGSf-1(ID)。即,如果一个晶体管偏置在IREF,则有U
15、GSf-1(IREF)(见图5-11(a)。因此,如果这样一个电压加到第二个MOSFET 的栅源之间,则输出的电流为ioutff-1(IREF)IREF(见图5-11(b)。从另一个观点来看,就是两个都工作在饱和区且具有相等栅源电压的相同晶体管传输相同的电流(如果0)。,图5-11 复制电流的基本电路 (a) 二极管连接的器件提供反相运算;(b) 基本电流镜,图5-11(b)中由VM1和VM2组成的结构就叫做“电流镜”。 忽略沟道长度调制,我们可以写出如下式子: (5-42) (5-43),联立式(5-42)和式(5-43)得出 (5-44) 该电路的一个关键特性是:它可以精确地复制电流而不受
16、工艺和温度的影响。iout与IREF的比值由器件尺寸的比率决定,该值可以控制在精度范围内。,2. 共源共栅电流镜 到目前为止,我们在有关电流镜的讨论中都忽略了沟道长度调制。在实际中,这一效应使得镜像的电流产生了极大的误差,尤其是当使用最小长度晶体管以便通过减小宽度来减小电流源输出电容时。对于图5-11(b)所示的简单的镜像,我们可以写出如下公式: (5-45) (5-46),因此有 (5-47) 虽然UDS1=UGS1=UGS2,但由于VM2输出端负载的影响,UDS2可能不等于UGS2。,为了抑制沟道长度调制的影响,可以使用共源共栅电流源。如图5-12(a)所示,如果选择ub使得uY=uX,那
17、么iout非常接近于IREF。这是因为共源共栅器件可以使底部晶体管免受uP变化的影响。因此,我们认为uYuX,从而有ID2ID1,且这是一个很精确的结果。这样一个精度的获得是以VM3消耗的电压裕度为代价的。注意,虽然L1必须等于L2,但VM3的长度却不需要等于L1和L2。,图5-12 可抑制沟道长度调制的共源共栅电流镜 (a) 共/源共栅电流源;(b) 为产生共源共栅偏置电压而对镜像电路的改进; (c) 共源共栅电流镜,我们如何产生图5-12(a)中的ub呢? 因为目标是为了确保uY=uX,所以我们必须保证ub-UGS3=uX即ub=UGS3+uX。这一结果显示:如果在uX上叠加一栅源电压,可
18、以得到所需的ub值。如图5-12(b)所示,方法是将另一个二极管连接的器件VM0与VM1串联,从而产生一个电压uN, uN=UGS0+uX。根据VM3的尺寸适当选择VM0的尺寸, 使UGS0=UGS3。如图5-12(c)所示,将N结点与VM3的栅相连,可得UGS0+uX=UGS3+uY。因此,如果 ,那么UGS0=UGS3,uX=uY。注意, 即使VM0与VM3存在衬偏效应,该结果仍然成立。,5.2 差 分 放 大 器 差分放大器是一种可以将两个信号的差值进行放大的放大器,它是模拟集成电路设计中的基本单元模块,是一种形式多样而又用途广泛的子电路,其制作工艺和集成电路工艺兼容。,5.2.1 双极
19、IC中的放大电路 1. 工作原理及性能分析 双极基本差动放大器如图5-13所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成。两管射极相连并通过电阻Re将它们耦合在一起,因此也称其为射极耦合差动放大器。,图5-13 基本差动放大器,由图可见,差动放大器有两个输入端和两个输出端。信号可以从两个输出端之间接出,称为双端输出;也可以从一个输出端到地输出,称为单端输出。 先来分析图5-13电路的静态工作点。为使差动放大器的输入端的直流电位是零,我们采用正负两路电源供电。由于V1、V2管参数相同,电路结构对称,因此两管工作点必然相同。由图5-13可知,当ui1=ui2=0时,ue=-UBE-0.7 V,
20、则流过Re的电流i为 (5-48),故有 (5-49) (5-50) (5-51) 可见,静态时,差动放大器两输出端之间的直流电压为零。下面我们分析差动放大器的动态特性。,1) 差模放大特性 如果在图5-13所示差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反的差模信号,即ui1=uid1,ui2=uid2,而uid1=-uid2, 这时一管的射极电流增大,另一管的射极电流减小,且增大量和减小量时时相等。因此流过RE的电流始终为零,公共射极端电位将保持不变。 另外,由于输入了差模信号,两管输出端电位变化时,一端升高,另一端则降低,且升高量等于降低量,因此双端输出时,负载电阻RL可以视为差模地端。
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