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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

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模拟集成电路设计

模拟集成电路设计
模拟集成电路设计
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
关键字分析思维导图
集成电路
集成电路
通过
读者
深入
大家
理论
设计
设计
模拟 能够

掌握
内容摘要
《模拟集成电路设计》是一本全面介绍模拟集成电路设计的著作，涵盖了从基础知识到高级设计 技术的各个方面。本书首先介绍了模拟集成电路的基本概念和设计流程，然后详细阐述了各种模 拟电路元件的设计和特性，包括电阻、电容、电感、二极管、晶体管等。接下来，本书深入探讨 了模拟集成电路的设计技巧，包括反馈设计、频率响应优化、噪声抑制等。本书还涵盖了模拟集 成电路的版图设计和测试方法，为读者提供了全面的设计工具。
本书的一大亮点是它的理论与实践相结合的方法。它不仅提供了大量的理论分析，还通过实例演 示了如何将理论应用到实际设计中。这种方法使得读者能够更好地理解并掌握模拟集成电路设计 的精髓。
《模拟集成电路设计》是一本非常优秀的教材，无论是对初学者还是对有一定经验的工程师来说， 都是一本极有价值的参考书籍。本书不仅介绍了模拟集成电路的基本知识和技术，还通过实例和 案例分析，使读者能够深入了解并掌握模拟集成电路设计的关键技术和实际应用。
书中另一句引人注目的话是：“在所有的电子系统中，模拟电路是心脏。” 这句话强调了模拟集成电路在电子系统中的核心地位。无论是信号的输入、放大、 处理，还是最后的输出，都离不开模拟集成电路的强大功能。
还有一句令人印象深刻的话：“模拟集成电路设计的挑战在于平衡性能、功 耗和成本。”这是对模拟集成电路设计复杂性的最好诠释。设计师需要在满足性 能要求的还要考虑功耗和成本的问题，这需要他们具备深厚的专业知识和丰富的 实践经验。

《专用集成电路设计方法》课程教学大纲

《专用集成电路设计方法》课程教学大纲

《专用集成电路设计方法》课程教学大纲课程编号：ABJD0530课程中文名称：专用集成电路设计方法课程英文名称：ASICDesignMethodo1ogy课程性质：选修课程学分：3学分课程学时数：48学时授课对象：电子信息工程、电子科学与技术本课程的前导课程：数字集成电路设计、模拟集成电路设计一、课程简介《专用集成电路设计方法》课程是物理学系物理学专业必修的技术基础课，具有非常重要的地位和作用。

本课程以《数字集成电路设计》和《模拟集成电路设计》课程为基础，内容侧重于晶体管级电路设计和物理层设计。

使学生把所学的电子线路、器件物理、工艺制造知识融汇到版图设计中去，最终达到电路或系统的功能和参数指标在电路的物理层设计中实现。

本课程为研讨课，通过指导、研讨与上机实践，掌握AS1C的设计流程和设计技术，内容侧重于晶体管级电路设计和物理层设计。

通过课程学习，使学生能够根据电路的功能和参数指标，完成逻辑网表设计、晶体管级电路设计和版图设计。

二、教学基本内容和要求（-）绪论课程教学内容：电子技术的发展，模拟信号与模拟电路；电子信息系统的组成；模拟电子技术基础课的特点。

课程的重点、难点：重点：如何学习这门课程难点：模拟电子的基本概念和课程的目的。

课程教学要求：掌握：模拟电子系统组成，电子系统分类；理解：模拟和数字的区别和关系；了解：模拟电子系统主要性能指标。

（-）绪论（2学时）具体内容：专用集成电路的设计流程和设计要求。

（二）CMOS数字电路基本单元的设计（2学时）具体内容：CMOS反相器直流、交流特性和设计分析；CMOS传输门特性分析和CMOS版图设计。

1 .基本要求（1）了解反相器物理层设计与反相器直流特性、交流特性的关系和设计考虑。

（2）了解CMe）S传输门的结构和模型分析。

2 .重点、难点重点：CMOS结构与版图的对应关系。

难点：CMOS结构与版图的对应关系。

（三）CMOS组合电路和CMoS基本逻辑电路设计（2学时）具体内容：CMc）S组合逻辑的设计规则；根据逻辑函数进行逻辑简化，画出逻辑图、晶体管级电路图和版图。

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

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
2
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。
第5章 模拟集成电路设计技术
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
1
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。
11
其中：ie1为V1的发射极电流，ie2为V2的发射极电流。根据晶体
U BE1
KT q
ln ie1 is1
,U BE 2
KT q
ln ie2 is 2
则
(5-7)
U BE 2
U BE1
KT q
ln ie2is1 ie1is 2
(5-8)
12
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
17
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

模拟集成电路设计精粹

模拟集成电路设计精粹

该书将模拟集成电路设计中的重要概念以直观形象的语言进行描述，使得读 者可以更好地理解这些概念。例如，作者在介绍MOST器件时，通过对其工作原理 的详细阐述，使读者可以更好地理解该器件的特性；在介绍BJT器件时，通过对 其电流电压关系的描述，使读者可以更好地理解该器件的运作方式。
该书还侧重介绍了与现代集成电路工艺相关的最新电路的研究方向和热点。 例如，在介绍放大器设计时，作者不仅介绍了传统的放大器设计方法，还介绍了 最新的集成电路工艺中使用的放大器设计方法，使得读者可以了解最新的技术发 展趋势。
这本书的作者首先对MOST和BJT两种器件模型进行了深入的分析和比较。这 两种模型是模拟集成电路设计的基础，对它们的理解深度直接影响到设计师的设 计能力和效率。作者对这两种模型的深入阐述，让我对它们的理解和应用有了更 清晰的认识。
随后，作者以此为两条线索，分别介绍了相应的基本单元电路和各类放大器 的详细分析。这里的内容让我对模拟集成电路的基本构成和功能有了更深入的理 解，也让我对放大器的工作原理和设计方法有了全新的认识。
作者简介
作者简介
这是《模拟集成电路设计精粹》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
感谢观看
《模拟集成电路设计精粹》是一本理论与实践相结合的书籍，它既为初学者 提供了入门的知识，也为经验丰富的工程师提供了宝贵的参考。这本书的，无疑 将推动模拟集成电路设计领域的发展，并为从业人员提供了一本不可或缺的工具 书。无论大家是工程师、研究人员还是学生，都可以从这本书中获得启发和帮助。
阅读感受
在我作为一名电子工程师的生涯中，我深深地理解到，模拟集成电路设计是 一种艺术，更是一种科学。在我最近阅读的《模拟集成电路设计精粹》一书中， 我得到了许多宝贵的启示和深入的理解。

专用集成电路设计基础

专用集成电路设计基础

4、形成场隔离区
（1）生长一层薄氧化层 （2）淀积一层氮化硅
（3）光刻场隔离区，非隔离区用光刻胶保护
（4）刻蚀氮化硅
（5）场区离子注入
（6）热生长厚的场氧化层（7）去掉氮化硅
5、形成多晶硅栅
（1）生长栅氧化层
（2）淀积多晶硅
（3）光刻多晶硅栅
（4）刻蚀多晶硅栅
（5）淀积氧化层
（6）刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层
COMS数字IC中 最基本COMS倒相器的结 构，是在同一硅衬底上 将PMOS和NMOS制作在一 起得到：
源 栅漏
P+ N－Si衬底
源栅漏
N+ P阱
7.逻辑电平
用MOS器件作逻辑开关时，一般希望它们具 有良好的开关特性，开通时具有强的导通能力，关 闭时具有良好的关断能力。
如图2.5a所示，当n沟MOS器件的栅极施加逻 辑电平“1”或VDD，源极接低电平VSS，漏极接后级 单元时，若初始时刻漏极为逻辑“1”电平，N沟晶 体管将对任何连接于漏端的等效电容C放电，放电 后也变成低电平时。由于栅极对于源、漏的电平 VGS和VGD均等于高电平，在栅下面形成一个很厚 的沟道，晶体管具有很大的沟道导通电荷量Q或强 导通能力。这种晶体管始终维持其漏极为逻辑“0” 的状态，我们称该漏极逻辑电平为强“0”。
IDS(sat)=WvmaxCox(VGS-Vtn); VDS>VDS(sat)，式（2－7）
这时，用式（2-6）表示短沟道晶体管V-I特性将会 发生偏离。
例：如果N沟晶体管采用0.5 μm (G5)工艺,当： VDS＝3.0V, VGS=3.0V, Vth=0.65V, Leff=0.5 μm, Tox=100A时，代入式（2－7）可得： IDS(sat)/W=300 μA/μm。 根据电场强度计算饱和速度和渡越时间：

《模拟集成电路设计》教学大纲

《模拟集成电路设计》教学大纲

模拟集成电路设计课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：电子科学与技术专业本科课程代码：25E01015学时分配：64=48理论+16实践赋予学分：4先修课程：电路分析、半导体物理、模拟电子技术、信号与系统后续课程：集成电路原理与应用、集成电路工艺原理二、课程性质与任务本课程是电子科学与技术专业本科生必修的一门重要的专业课程。

通过本课程的学习，使学生掌握模拟集成电路分析与设计的基本方法，并能借助辅助设计工具对简单模拟集成电路进行仿真设计。

三、教学目的与要求通过本课程的教学，引导和帮助学生实现简单的模拟集成电路分析与设计。

本课程要求掌握模拟集成电路的分析、设计与仿真方法，内容包括集成电路器件模型、工艺与布局、镜像电流源和单级放大电路基础、噪声分析与模型分析、基本运算放大器设计、比较器、采样保持与带隙基准。

四、教学内容与安排（一）理论教学内容与安排绪论(2学时)教学内容：1、模拟集成电路设计方法、工具与流程2、模拟集成电路的工艺技术3、模拟集成电路的发展教学要求：1、本章重点了解模拟集成电路设计方法、工具与流程。

第一章集成电路器件和模型(8学时)教学内容：1、半导体和pn结2、mos晶体管3、高级mos模型4、双极结晶体管5、器件模型总结6、spice模型参数教学要求：1、本章难点在于高级mos模型的掌握；2、本章重点在于掌握spice模型参数。

第二章工艺和布局(4学时)教学内容：1、工艺和布局2、cmos工艺3、双极工艺4、cmos布局和设计准则5、模拟布局考虑教学要求：1、本章难点在于模拟布局考虑；2、本章重点在于了解cmos工艺。

第三章镜像电流源和单级放大电路基础(8学时)教学内容：1、简单cmos镜像电流源2、共源放大器3、源极跟随器或共漏放大器4、共栅放大器5、源极退化镜像电流源6、高输出阻抗镜像电流源7、共射共基增益级8、mos差动对和增益级9、双极镜像电流源10、双极增益级11、频率响应教学要求：1、本章难点在于掌握用小信号模型分析电流镜与放大器；2、本章重点在于掌握电流镜原理、COMS单管放大。

专用集成电路设计

专用集成电路设计

模拟集成电路 后端设计
模块级验证（DRC/ LVS） 寄生参数提取（xRC）
芯片集成
芯片级验证（DRC/ LVS） 寄生参数提取（xRC）
CMOS 模 拟 集 成 电 路 设 计
电路后仿真
芯片GDSI I 网表
TapeOut 芯片生产制造、 测试
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概念需求研究与 模拟集成电路设计与EDA工具对应关系图
门级DFT设计 扫描测试电路插入
ATPG 测试向量生成
标准单元布局布线
版图验证 网表及参数提取
后仿真与时序分析
TapeOut
芯片生产制造、 测试
Ment or Model Si m/ Quest a
Synopsys VCS
Ment or MBI STAr chi t ect
Ment or BSDAr chi t ect Synopsys Desi gn Compi l er
芯片生产制造、测试
18
项目成果
•芯片设计方案文本（数字、模拟，共一份） •门级网表（数字、模拟） •版图数据（数字、模拟、混合） •项目报告
19
项目成果
仿真验证结果（三和弦音乐芯片）
20
项目成果
FPGA验证结果（三和弦音乐芯片）
21
项目成果
综合后结果（三和弦音乐芯片）
22
项目成果
布局布线后结果（三和弦音乐芯片）
边界扫描测试
高级 数字 系统 设计 与验
证
计 算 机 组 成 原 理
微机 原理 与接 口技
术
数 字 电 路
数字系统测试与 可测性设计
高级数字系统设 计与验证
芯片门级 网表
芯片级逻辑综合

专用集成电路设计基础教程第5章 模拟集成电路设计技术 共329页

专用集成电路设计基础教程第5章 模拟集成电路设计技术 共329页

(5-37)
当β＝100，n＝5时相对误差仅为0.06％。当β＝5, n＝5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：
38
ir ic (n1)ib
ic(1
n1 )

io(1
n1 )

(5-38)
n1
io (1n1)ir
29
6. 横向PNP管电流源 横向PNP管在模拟集成电路中已得到广泛应用。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。
24
(5-26) (5-27)
现在来计算一下相对误差值。当β＝100时，相对误差仅 为2％；当β＝5时，相对误差约为29％。因此用β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β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。
17
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 is1 is2 。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
io Ae1 ir Ae2

专用集成电路设计教学大纲

专用集成电路设计教学大纲

《专用集成电路设计》教学大纲课程编号：课程名称：专用集成电路设计英文名称：学时：学分：课程类型：限选课程性质：专业课适用专业：微电子学先修课程：数字集成电路(设计)、模拟集成电路(设集成电路设计与集成系统计)开课学期：开课院系：微电子学院一、课程的教学目标与任务目标：本课程为研讨课，通过指导、研讨与上机实践，掌握的设计流程和设计技术，内容侧重于晶体管级电路设计和物理层设计。

任务：通过课程学习，使学生能够根据电路的功能和参数指标，完成逻辑网表设计、晶体管级电路设计和版图设计。

二、本课程与其它课程的联系和分工本课程以《数字集成电路设计》和《模拟集成电路设计》课程为基础，内容侧重于晶体管级电路设计和物理层设计。

使学生把所学的电子线路、器件物理、工艺制造知识融汇到版图设计中去，最终达到电路或系统的功能和参数指标在电路的物理层设计中实现。

三、课程内容及基本要求（一）绪论（学时）具体内容：专用集成电路的设计流程和设计要求。

（二）数字电路基本单元的设计（学时）具体内容：反相器直流、交流特性和设计分析；传输门特性分析和版图设计。

．基本要求（）了解反相器物理层设计与反相器直流特性、交流特性的关系和设计考虑。

（）了解传输门的结构和模型分析。

．重点、难点重点：结构与版图的对应关系。

难点：结构与版图的对应关系。

（三）组合电路和基本逻辑电路设计（学时）具体内容：组合逻辑的设计规则；根据逻辑函数进行逻辑简化，画出逻辑图、晶体管级电路图和版图。

1．基本要求（）根据逻辑函数进行逻辑简化（）画出逻辑图、晶体管级电路图和版图。

．重点、难点重点：组合电路的晶体管级电路图和版图设计。

难点：组合电路的晶体管级电路图和版图设计。

（四）开关逻辑电路、基本逻辑部件设计（学时）具体内容：用传输门构成多路复合器（）、多路分离器（）、各种门电路、通用功能模块和各种触发器；四位并行逐次进位加法器和四位并行超前进位加法器的电路设计和版图设计。

．基本要求了解开关逻辑电路、基本逻辑部件的设计。

《模拟电子技术基础教程》课件第五章

《模拟电子技术基础教程》课件第五章

（2）虚断
“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为 等效开路，这一特性称为虚开路，简称虚断，显然不能将两输入端 真正断路。
i–=i+→0：相当于运放两输入端“虚断路”。
同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以 忽略不计的程度。
02 集成运算放大器在信号 运算方面的运用
第二代集成运放 以二十世纪六十 年代的μA741型 高增益运放为代 表，在不增加放 大级的情况下可 获得很高的开环 增益。电路中还 有过流保护措施 。但是输入失调 参数和共模抑制 比指标不理想。
第三代集成 运放代以二十世 纪七十年代的 AD508为代表， 其特点使输入级 采用了“超β管” ，且工作电流很 低。从而使输入 失调电流和温漂 等项参数值大大 下降。
2.采用直接耦合作为级间耦合方式
由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过 100pF，至于电感，只能限于极小的数值（1H以下）。因此，在集成 电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。
3.采用多管复合或组合电路
集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是BJT或FET最容易制作， 而复合和组合结构的电路性能较好，因此，在集成电路中多采用复合 管（一般为两管复合）和组合（共射—共基、共集—共基组合等）电 路。
6. 开环带宽fH
fH是指使运放开环差模电压增益Aod下降为直流增益的 倍（相当于-3dB）时的信号频率。由于运放的增益很高，因此1 fH2
一般较低，约几赫兹至几百赫兹左右（宽带高速运放除外）。
7. 转换速率SR
这是指运放在闭环状态下，输入为大信号（如矩形波信号等 ）时，其输出电压对时间的最大变化速率，即
第四代集成运 放以二十世纪 八十年代的 HA2900为代 表，它的特点 是制造工艺达 到大规模集成 电路的水平。

专用集成电路设计实践(来新泉)-第1章

专用集成电路设计实践(来新泉)-第1章
根据集成电路中有源器件的结构类型和工艺技术,可以将 集成电路分为三类,即双极、MOS和双极—MOS混合型(即 BiCMOS)集成电路。
第1章 绪 论 1.双极集成电路 这种结构的集成电路是半导体集成电路中最早出现的电路 形式,1958年制造出的世界上第一块集成电路就是双极集成电 路。这种电路采用的有源器件是双极晶体管,这正是双极集成 电路得名的原因。而双极晶体管则由于它的工作机制依赖于电 子和空穴两种类型的载流子而得名。在双极集成电路中,又可 以根据双极晶体管类型的不同而将它细分为NPN和PNP型双极 集成电路。 双极集成电路的特点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗 较大、集成度相对较低。
第1章 绪 论 集成电路与由分立元器件组成的电路相比较,有体积小、 重量轻、功耗低、速度快、可靠性高和成本低等优点,即性能/ 价格比高,因而引起学术界和工业界的极大兴趣和关注。从此, 集成电路技术逐步形成新兴工业技术,成为整个电子工业技术 的重要组成部分。微电子技术作为现代高技术的重要支柱,经 历了若干发展阶段。20世纪50年代末发展起来的小规模集成 电路(SSI),集成度为100个元器件;60年代发展了中规模集成 电路(MSI),集成度为1000个元器件;70年代又发展了大规模集 成电路(LSI),集成度大于1000个元器件;紧接着70年代末进一 步发展了超大规模集成电路(VLSI),集成度在105个元器件以 上;80年代更进一步发展了特大规模集成电路(ULSI),集成度 又比VLSI提高了2个数量级,达到107个元器件以上。随着集成 电路集成度的提高,版图设计的线宽不断减小。1985年,1兆位 特大规模集成电路的集成度达到200万个元器件,要求线宽为 1μm;1992年,16兆位的芯片,集成度达到3200万个元器件,线
第1章 绪 论 2.从锗到硅 晶体管发展初期是利用锗单晶材料进行研制的。实验发现, 用锗单晶制作的晶体管漏电流大,工作电压低,表面性能不稳定, 且随着温度的升高其性能会下降,可靠性和寿命不佳。科学的 道路是没有尽头的,科学家通过大量的实验分析,发现半导体硅 比锗有更多的优点。在锗晶体管中所表现出来的缺点,利用硅 单晶材料将会产生不同程度的改进,即硅晶体管的性能有大的 提高。特别是硅表面可以形成稳定性好、结构致密、电学性能 好的二氧化硅保护层。这不仅使硅晶体管比锗晶体管更加稳定, 性能更加好,而且更重要的是在技术上大大前进了一步,发明了 晶体管平面工艺,为20世纪50年代末集成电路的问世奠定了可 靠的基础。这是微电子技术的第二次重大技术突破。

专用集成电路设计技术基础

专用集成电路设计技术基础
国外电子与通信教材系列
专用集成电路设计技术基础
【美】Micheal john sebastian smith 著 虞惠华 汤庭鳌等译 电子工业出版社
课程讲授者: 课程讲授者: 沈相国, 沈相国,霍明旭 信电系微电子教研室 联系电话: 联系电话:87951705 E-mail: shenxg@ - huomx@ 授课主要对象:信电系02级本科生 授课主要对象:信电系 级本科生
第一次课2005年5月11日下午 紫金港西 -312教室 年 月 日下午 紫金港西2- 教室 第一次课
第一章 ASIC概述 概述
1.1 绪论: 绪论: 专用集成电路ASIC ASIC( 专用集成电路 ASIC ( Application Specific Circuits) 技术是在集成电路发展的 Integrated Circuits ) 技术是 在集成电路发展的 基础上,结合电路和系统的设计方法,利用 ICCAD/EAD/ESDA等计算机辅助技术和设计工具 等计算机辅助技术和设计工具, ICCAD/EAD/ESDA 等计算机辅助技术和设计工具 , 发展而来的一种把实用用电路或电路系统集成化 的设计方法. 的设计方法. 定义: 定义:将某种特定应用电路或电路系统用集成 电路的设计方法制造到一片半导体芯片上的技术 称为ASIC技术. ASIC技术 称为ASIC技术. 特点:体积小,成本低,性能优,可靠性高, 特点 :体积小 ,成本低 ,性能优 ,可靠性高, 保密性强,产品综合性能和竞争力好. 保密性强,产品综合性能和竞争力好.
1-3 >40
< 1 >15
0.3-0.5 .12-0.18 1010-15
0.5-1.2 0.2-0.5 0.1-0.2 4-5 6 8 12
2

西电模电课件 第5章

西电模电课件 第5章

3、交、直流共存，通路各自；c.饱合：.U BE >U BE(ON) , i C <βi B,U CE =U CESe2.E B =0.3V or E B =15V3.R B =100K or R C =10Kto CEQ CE(sat)的变化上。

造成工作点较大的漂移，甚至使管子进入饱和或截止状态要二者兼顾，合理选择R E 的阻值。

,U BB =U CC R B2/(R B1+R B2)R E2VU CEQ 4)22(212=+×−=直流通路交流通路t2.输出回路：i C =f(U CE ) i B =i BQ ----内方程U CE =U CC -I C R C ----外方程放大器的直流图解分析DC Load LineQ R B U CC R C I B QI CQ ＋－U CE Q u CE =0，i C =U CC /R C ，得M 点；i C =0，u CE =U CC ，得N 点。

3.Ucc 负载线向右平移（Ucc 向左平移）Line Δi =I 1.Q+AC(DC+AC)2.CE反相放大共射放大器输出电压信号与输入电压信号反相通过以上分析可知，由于受晶体管截止和饱和的限制，放大器的不失真输出电压有一个范围，其最大值称为放大器输出动态范围，用峰--峰值U opp 表示。

3. 放大器的输出动态范围U OPP●●2OPP CQ LU I R ′=由图解可知：否则，产生截止失真。

CQ LCEQ CES I R U U ′≤−若U CES 为临界饱和压降，约为0.7V三、非线性失真4.PNP与NPN 相反（关于原点对称）1.Q点设置过低(I CQ 太小) 截止失真最大输出动态范围：U OPP =2*I CQ R L ′∴克服失真Q2.Q点过高(I CQ 太大) 饱合失真最大输出动态范围：U OPP =2(U CEQ -U CES )∴克服失真Q3. 希望U OPP 大Q点应在中间∴U OPP =2*I CQ R L ′=2(U CEQ -U CES )βi br ceer bb’b ′r b e′m u b e＋－u ce r cec ′完整的混合π型电路模型平面管结构示意图eb压控型电路模型'm bb e g U I β=C C B m Q Q BE B BE i i i g ||u i u ∂∂∂==×=∂∂∂=ΔΔ•ΔΔ=ΔΔ=Qbe e be Qbbee b UI I I U I U r ce r 0==∂∂=b I cec QCECoe U I u i h ----输入交流开路时的输出电导第三步：根据交流等效电路计算放大器的各项交流指标第二步：确定放大器交流通路，用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；第一步：画出直流通路并估算直流工作点；低频小信号放大器分析法：已知：β=100，R C =2K，R L =20K,R ＋－－＋U i U sR s R B2＋C 1R EC E ＋R LU CC R CR B1＋C 25.3.7 共射放大器的交流小信号模型分析法KmAK I r r r r EQ bb e b bb be 4.110021.0)1(=•+≈+•+=+=βR o = R CR B1RB2RiICQRiβRi EEQCCCEQRIUU−=(射随器)与CE相比，CC的输入电阻大大提高了。

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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。
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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变输出电流io和参考电流ir的 比例关系。设V1、V2两管的β1、β2均大于等于1，在忽略基极 电流的情况下，则有
io=ic1≈ie1 ir≈ic2≈ie2
(5-13) (5-14)
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io ic1 ir ie2
qUBE1
ie1 Ae1i's1 e KT
qUBE2
ie2 Ae2i's2 e KT
(5-15)
(5-16) (5-17)
i 式中，Ae1、Ae2分别为V1、V2两管的发射区面积， s1 、is2 为
V1、V2两管单位面积的反向漏电流。
面积反相漏电流也相同，即is1=is2
U BE 2
U BE1
KT q
ln ie2 ie1
(5-9)
比较式(5-6)和式(5-9)
ie1
ie2 R2 R1
1 R1
KT q
ln ie2 ie1
(5-10)
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因为io=ic1≈ie1，在忽略基极电流的情况下，ir≈ic2≈ie2，则有
io
ir R2 R1
因此在版图设计时，只需根据io和ir比值的要求，设计出相 应的发射区面积Ae1和Ae2即可。
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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
UBE2=UBE1+ie1R1 则
(5-19)
1 ie1 R1 (U BE 2 U BE1)
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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
UBE1+ie1R1=UBE2+ie2R2 UBE2-UBE1=ie1R1-ie2R2
(5-5) (5-6)
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图5-3 电阻比例型电流源
6
因为
io ic1 ic
(5-2)
所以
2
ir io (1 )
(5-3)
2
io
ir
(1
) 2
(5-4)
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图5-2 基本型电流源电路
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当β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β较小时，io 与ir匹配较差，且灵活性差，适用于大电流偏置的场合。
(5-20)
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图5-4 微电流电流源
20
因为
U BE1
KT q
ln ie1 is1
U BE 2
KT q
ln ie2 is 2
(5-21) (5-22)
21
设V1与V2管子完全对称，则有is1=is2，代入式(5-20)，有
ie1
KT R1q
ln ie2 ie1
(5-23)
当β≥1时，基极电流可以略而不计, 即ir≈ie2，io≈ie1, 最后得 出
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其中：ie1为V1的发射极电流，ie2为V2的发射极电流。根据晶体
Hale Waihona Puke U BE1KT qln ie1 is1
,U BE 2
KT q
ln ie2 is 2
则
(5-7)
U BE 2
U BE1
KT q
ln ie2is1 ie1is 2
(5-8)
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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
io
KT qR1
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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 is1 is2 。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
io Ae1 ir Ae2
(5-18)
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图5-1 晶体管共射放大电路
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例如：ic＝13 μA，β＝50，UDD＝15 V, 求Rb1、Rb2的阻值。 当ic＝13 μA时，ib＝0.26 μA，按晶体管电路原理中的 i1≥(5~10)ib的选择原则，取i1＝5ib＝1.3 μA，再按基极电位ub＝ (5~10)ube的选择原则，取ub＝4 V，这样Rb1约要3 MΩ，Rb2约 为7 MΩ。这样大的阻值在集成电路中所占有的面积是无法实 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。
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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ube1＝ube2，电流 放大系数β1＝β2。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。
ir ic2 ib1 ib2
ic
2ic
ic (1
2)
(5-1)
1 R1
KT q
ln ir io
(5-11)
当io≈ir或 irR2>>
KT ln ir时，得出 q io
io R2 ir R1
(5-12)
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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。
第5章 模拟集成电路设计技术
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
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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。