第六章模拟集成电路设计基础

第六章 模拟集成电路设计基础
主要内容： 模拟集成电路的重要性 MOS电流源和CMOS运算放大器 数字/模拟（D/A）转换器 模拟/数字（A/D）转换器
模拟集成电路的重要性
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；
模拟集成电路的重要性
¾ 典型的信号处理系统的构成框图
MOS电流源和CMOS运算放大器
MOS电流源
¾ 基本电流镜及比例电流源
• V0支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流Ir； • V1支路为镜像支路，V1管与V0管的沟道宽长比相同； • V2支路为比例电流支路，V2管与V0管得沟道宽长比为A， 即：
数/模（D/A）转换器
D/A转换器原理
输出比例因子
N位输入数字量
U 0 = KDVref
N b1 b2 b3 bN D = + 2 + 3 + • • • + N = ∑ bi 2 −i 2 2 2 2 i =1
U 0 = KVref ∑ bi 2 −i
i =1
N
数/模（D/A）转换器
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS差动放大器
差动放大对管
电路构成 上面电路中，V1、V2管组成差动放大对管，V3、V4组 成镜像电流源作为差动对管的有源负载，V5、V6管组 成比例电流源提供偏置电流。
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS差动放大器 工作特性 • 静态输出电流ILQ为0; • 差模增益Aud:
¾CMOS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
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS运算放大器 低阻输出型运算放大器——带负载能力强
互补跟随输出级
数/模（D/A）转换器
——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的 作用是将数字量转换成模拟量。 ¾ D/A转换器的电路结构
• I0视开关S1~SN的状态而定，各处电流关系为：
I1 = 2 I 2 = 22 I 3 = • • •2 N −1 I N Vref ⎛ b1 b2 bN ⎞ Vref I0 = ∑ Ii = ⎜ + 2 +•••+ N ⎟ = R ⎝2 2 2 ⎠ R i =1
rds4||rds2>>RL
时：
rds4||rds2<<RL
时： Aud =
⎛W Aud ≈ 2 I DQ β N 1 × RL = 2 µnCox ⎜ ⎝L
1 2β N 1 = λ 2 + λ 4 I DQ λ
⎞ ⎟ I DQ × RL ⎠
βN
2 I DQ
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS运算放大器
I1 I D1 ⎛ W1 / L1 ⎞ ⎟ = ≈⎜ ≈1 ⎜ ⎟ Ir I r ⎝ W0 / L0 ⎠ I 2 I D 2 ⎛ W2 / L2 ⎞ ⎟ = ≈⎜ ≈A ⎜ ⎟ Ir I r ⎝ W0 / L0 ⎠
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾ 共源—共栅电流源 特点：增大了电流源的 输出电阻，减小了沟道调 制效应。 工作原理 ——该电路相当于两个镜 像电流源的串联。如果保 证： W2 / L2 W3 / L3
I0
W0 / L0
=
W1 / L1
则有： U y = U x ，可以忽略 U GS 0 = U GS 2 ， 于是： 沟道调制效应。 I0 (W3 / L3 ) 1 + λU DS 3 (W3 / L3 ) = = I ref (W1 / L1 ) 1 + λU DS 1 (W1 / L1 )
MOS电流源和CMOS运算放大器
D/A转换器技术指标 精度指标—位数—分辨率
∆U = 1LSB =
Vref 2N
9 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
9 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。
误差 主要有三种：失调误差、增益误差、非线性误 差。
数/模（D/A）转换器
D/A转换器电路 ¾ 倒置R-2R梯形D/A转换器
每经过一级输出 电压衰减1/2
9 该电路的优点时所需电阻类型少，只有R和2R两种，易于 电路实现。
数/模（D/A）转换器
D/A转换器电路 ¾ 倒置R-2R梯形D/A转换器 工作原理
• 输出电压：
U 0 = − RF × I 0
CMOS运算放大器
¾ 有源负载CMOS放大器 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。 互补性CMOS放大器中负载管V2由PMOS管构 成，UBS2、UGS2=0，故RO2=rds2。由于rds2很大， 所以该电路具有很高的电压增益。
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。
MOS电流源和CMOS运算放大器
W 2 / L2 A = W 0 / L0
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾ 基本电流镜及比例电流源 工作原理
根据MOS管的电流方程：
Fra Baidu bibliotekID =
µnCox ⎛ W ⎞
2
2 ⎜ ⎟(U GS − U TH ) (1 + λU DS ) ⎝L⎠
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：