第六章模拟集成电路设计基础
主要内容：
6.1 模拟集成电路的重要性
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器
6.3 数字/模拟（D/A）转换器
6.4 模拟/数字（A/D）转换器
?自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有“连续”的特性，都属于模拟量；
?被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化；
?经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；
?在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低噪声放大、模拟滤波等）；
?工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致；
?数模混合的片上系统（SOC）的大量出现；
预处理
（滤波、模\数转换）数字处理器
（微处理器）
后处理
（数\模转换
和滤波）
模拟模拟
控制数字
模拟信号输入模拟信号输出
典型的信号处理系统的构成框图
基本电流镜及比例电流源
?V 0支路为参考支路，为整个电路提供U GS1和参考电流I r ；?V 1支路为镜像支路，V 1管与V 0管的沟道宽长比相同；?V 2支路为比例电流支路，V 2管与V 0管得沟道宽长比为A ，即：
02
2//L W L W A
6.2.1 MOS 电流源
v 0
v 1
v 2
I o1
I o2
U DD
I r
1
1
A
:
:
?工作原理
根据MOS 管的电流方程：
)1()(2
2
DS TH GS ox n D U U U L W C I λμ+-??
?
??=
由于个MOS 管的工艺参数相同，栅源电压也相同。所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：
1//001111≈???
?
??≈=L W L W I I I I r D r A L W L W I I I I r D r ≈???
? ??≈=002222//6.2.1 MOS 电流源
基本电流镜及比例电流源
?特点：
增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。
6.2.1 MOS 电流源
共源—共栅电流源
6.2.1 MOS 电流源
I 0
?工作原理
——该电路相当于两个镜像电流源的串联。如果保证：
共源—共栅电流源
1
13
30022////L W L W L W L W =
则有：，于是：，可以忽略沟道调制效应。
20GS GS U U =x y U U =)
/()/(11)/()/(11331311330L W L W U U L W L W I I DS DS ref =
++=λλ
?互补性CMOS 放大器中负载管V 2由PMOS 管构成，U BS2、U GS2=0，故R O2=r ds2。由于r ds2很大，所以该电路具有很高的电压增益。
?为了增大增益又能避免在IC 中制造大的电阻，一般在放大电路中采用有源负载。由于NMOS 管的各项性能均优于PMOS 管，所以放大管多采用NMOS 管，负载管则可以使用PMOS 管，从而构成互补性CMOS 放大器。
6.2.2 CMOS 运算放大器
有源负载CMOS 放大器
V 1
V 2
V 3
V 4
V 6V 5
V G1
V G2
U DD
U o R r I r
I D1I D4I D2I SS
U SS
I L
R L
1
:
A
差动放大对管
?电路构成
上面电路中，V 1、V 2管组成差动放大对管，V 3、V 4组成镜像电流源作为差动对管的有源负载，V 5、V 6管组成比例电流源提供偏置电流。
6.2.2 CMOS 运算放大器
CMOS 差动放大器
?工作特性
?静态输出电流I LQ 为0;?差模增益Aud:
6.2.2 CMOS 运算放大器
CMOS 差动放大器
()
14212
o ud m ds ds L i i U A g r r R U U =
=-
6.2.2 CMOS 运算放大器
CMOS 差动放大器
?工作特性
>>R L DQ ox n L N DQ ud R I L W C R I A ???
?
??=?≈μβ221即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。r ds4||r ds2< DQ N DQ N I I Aud 212421βλβλλ=+=即在沟道调制效应显著的情况下，差动放大器的增益受到很大的影响，所以必须减弱沟道调制效 应，增大管子的输出电组。 V 1 V 2 V 3V 4V 6 V 5 U r U i U DD U o I D1 I D4 I D2I SS U SS V 9 V 8 V 7 I D3 C c A ?电路构成 该电路由两级放大电路组成。第一级为差动放大器，由V1~V4管构成，第二级放大电路由V5、V6管组成，V5（PMOS ）管为放大管，V6管为有源负载，输出阻抗很高。V7、V8、V9管时恒流源，为电路提供偏置电流。Cc 为密勒相位补偿电容，用以防止电路产生自激。 6.2.2 CMOS 运算放大器 CMOS 运算放大器 ?共源—共栅两级运算放大器 放大管负载管 有源负载管 6.2.2 CMOS 运算放大器 CMOS 运算放大器 互补跟随输出级 ?低阻输出型运算放大器——带负载能力强 6.2.2 CMOS 运算放大器 CMOS 运算放大器 ——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的作用是将数字量转换成模拟量。 6.3.1 D/A转换器的电路结构 6.3.1 D/A转换器的电路结构 适合于单片集成电路的基本D/A变换电路，根据其工作原理可以分为三类： 电流定标电路 电压定标电路 电荷定标电路 电流定标是双极型D/A变换器设计中最常用的，电压和电荷定标D/A变换器电路特别适用于MOS电路。 N 位输入数字量 输出比例因子 0312231 01 2 22222 ref N i N i N i N i ref i i U KDV b b b b D b U KV b -=-===++++==∑∑…6.3.2 D/A 转换器原理 精度指标—位数—分辨率 12 ref N U U LSB ?==D/A 转换器的位数越高，输出电压分辨率越高，转换误差越小。 速度指标—转换速率 建立时间：从数字信号输入D/A 转换器到输出电压稳定所需要的时间。 静态误差 主要有三种：失调误差、增益误差、非线性误差。 6.3.3 D/A 转换器技术指标 权电阻D/A 转换器（电流比例D/A 转换器） 6.3.4 D/A 转换器电路 V ref S 1S 2S 3S N I 1 I 2 I 3 I N R 2R 4R V out R F =R/2 － ＋ 模拟开关S 梯形权电阻网络 运算放大器
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