第六章 模拟集成电路设计-2

1、集成运算放大器,基本概念 高增益的直流放大器 万能的集成电路 模拟运算、信号处理、采样保持电路、D/A和A/D等电路中 主要参数 P178,集成运放结构框图,输入 差分级,单端化 电路,中间 放大器,射级 跟随器,输出级 及其保护,电平位移级,偏置电路（恒流源）,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大，双端转单端。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。 （3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,集成运算放大器,双极型运算放大器（A741） 电路组成 24个三极管 （其中9个pnp管） 10个电阻 一个MOS电容 输入级 中间放大级 射极跟随器 输出级 偏置电路,方框图

2、,注意每个管子的应用,输入级,电路特点 T1、T2、T3、T4管组成了共集共基接法的复合差分输入级 T5、T6、T7管组成精密输出恒流源,作用 采用复合PNP管：输入阻抗高、输入失调温漂小、高电压增益、抗干扰能力强 T3、T4：PNP管，共基极，完成电位平移作用 有源负载：双端单端输出，电阻比例恒流源,中放级,T16管：射随器，起缓冲、电流放大作用 T17管：共射放大器，（T13B、T12）有源负载。可获得高电压增益 T23B缓冲射随器。T23A保护T16管 两级电压放大（差分、中放）,输出级,T14、T20组成互补射随器，作推挽输出 T18、T19、T10提供偏置来克服“交越失真” T15、R6；T21、R7以及T24、T22组成输出过流保护电路,偏置电路,其参考电流由T11、T12、R5确定，IR=IC11=IC12。 T10、T11、R4组成微电流恒流源（Widlar） T8、T9，T12、T13A.B为基本恒流源,稳定工作电的作用： （IC1、IC2）、（IC8、IC9） 由于IC10是恒定的。 IC10=IC9+（IB3+IB4） IC9导致了（IB3、IB4）（IC1、IC

3、2） 从而抑制了（IC1、IC2）上升趋势,MOS运算放大器,理想的运放：高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗 性能上降低：速度、输出摆幅和功耗 性能参数 增益：运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度 小信号带宽：工作频率增加开环增益下降 大信号带宽 输出摆幅：输出大的摆幅是当今主要课题，但受到速度影响 线性 噪声与失调：影响输出摆幅 电源抑制,电路图,CMOS运放电路原理,以用于音频编码器的CMOS运放来说明，设计标准,电路组成（图6-71） T1、T2管组成差分输入对 T3、T4管组成基本恒流源 T7管提供偏置电流 T5管为共源反向放大器，T9为其负载 T10、T11管组成偏置电路 T5管作为输出 密勒电容：频率补偿作用。与T6管组成缓冲级，T8管为T6管提供恒流偏置 三个NMOS、其余都是PMOS。,电路设计 从相关工作电计算出W/L。 根据MOS管的输出电阻要求来确定L,设计CMOS运放,先计算点直流工作电压 输出正幅值为5伏，工作电压：7.5伏，根据饱和极限得V1=4伏 ID10=ID11得，两个管子的宽长比。 根据恒流源：4：4：8：1 输出负幅值为-5伏，ID9=ID

4、5，得两管的长宽比 T1、T2管的尺寸应适当设计大些 T3、T4管的尺寸应适当设计小些,集成数-模和模-数转换器,D-A和A-D转换器的基本概念 A-D转换器的功能就是能将连续变化的模拟两转变成相应的多位数字量（连续离散） D-A转换器的功能就是能将一组具有一定位数的数码代码转换为唯一对应的模拟量（离散连续）,集成A-D和D-A转换器的类别,组建型 选用某一种单一功能的集成电路 运算放大器、逻辑电路、集成电压比较器等 混合型 单片型 1971年诞生了第一块单片高位集成化D-A转换器 全双极型 BiCMOS相容型 转换时间大小为标志 按精度划分,A-D和D-A转换器的主要参数,分辨率：转换器能够分辨最小的量化信号的能力，LSB 精度：实际转换器的模拟量（A-D转换器的输入或D-A转换器的输出）与理想转换器的模拟量之间的差值 线性度：转化器实际传输特性曲线与它的平均传输特性曲线之间的最大偏差 温度灵敏度 转换器的工作速度：建立时间,D-A转换器,集成D-A转换器,译码器件：接收的是数字编码信号，而以电流或电压形式提供模拟信号输出 输入信号：一组由0和1组成的数字码D 输出信号：模拟量A 组

5、成部分 产生基准电压的基准电压源 设置二进位系数的开关 电阻性电流定标电路 输出电流求和放大器（将电流输出变成电压输出）,D-A转换器的基本类型,电流定标电路（双极型） 利用二进制加权电阻网络 问题：电阻（在8位分辨率的电路中电阻网络需要从R变化至128R，精度和大小都是工艺难点） 采用R-2R梯形网络 电压定标电路（MOS） 根据电位 缺点：元件太多 电荷定标电路（MOS） 利用加到电容矩阵上的总电荷来定标,电路图,AD7520,梯形电阻网络实现电流标定电路 由CMOS反相器、传输门实现权位开关单元 注意 P3管的作用 ？ 寄生电阻带来的影响，解决方法,集成A-D转换器,编码器：将人意的模拟量如电压或电流等，按规定的位数转换成数字代码 输出可以使串行的，也可以是并行的 组成部件 输入多路选择器 采样与保持电路 A/D转换器 输出选通器 状态控制器,分类,在变换周期中对定时电容器充电或放电的积分型A/D转换器 在反馈回路中采用二进制计数器和D/A转换器的数字-斜坡或伺服型A/D转换器 利用逐次试探误差产生数字输出的逐次逼近式A/D转换器 在一个单一的步骤内，完成所有各位变换的并行比较器

6、型或“一次完成”A/D变换器,逐次比较式A-D转换器,以D-A转换器的输出电压VA与输入模拟电压Vi进行比较，利用时序脉冲发生电路和存储电路，使输入到D-A转换器的数字电压一开始就有最高位输出，然后从最高位至最低位逐次输出，经其中的D-A转换器转换成模拟电压VA，与Vi进行比较 电路组成：环形移位寄存器、数码寄存器、D-A转换器、电压比较器、并行码输出器及CP时钟等部分组成 图6-88,并行比较型A-D转换器,用一组比较器把基准阶跃电压Vref和模拟输入电压Vi进行比较，通过编码器得到数字输出 缺点：元件数目多，例如8位A-D转换器就需要255个电压比较器和256个精密电阻 图6-89,模拟集成电路版图设计,器件的电学性能特点 工作电压高 电流增益大 要求晶体管有较好的频率特性 对称性 输出管有一定的电流容量及小的饱和压降 横向pnp管，要求有小的bc结电容，高的特征频率值,工艺技术的特点,隔离区划分,可放在同一个隔离区的条件 Npn管的集电极电位相等 Pnp管的基极电位相等 Npn管的集电极电位与pnp管的基极电位相等 电阻原则上可以都放在同一个隔离区中，按电阻值、最高电位的不同进行

7、分区隔离 对压降小的电阻可以单独隔离 Npn管的集电极电位和pnp管的基极电位高于电阻两端的电位时，可以把管子和电阻放在同一个隔离区内 例子中可以看到这些规则的应用,元件的设计,晶体管的横向尺寸的选择（光刻的最小尺寸、发射极电流容量综合考虑） 横向pnp管的纵向尺寸（基区宽度） 纵向pnp管的结构 电阻器的设计,A741运算放大器的版图设计,隔离区的划分 最小尺寸的晶体管 有源器件版图设计识别 无源器件版图设计识别 布局与布线,划分隔离区,电路中共有35个元件 T1、T2、T8、T9管 T12、T13管 T3、T4管 T18、T19管和R10 R5、T7管 T11管、R1、R2、R3、R4、R8、R9 T14管、R6、R7 其余晶体管各占一个隔离区 电容独占一个隔离区,元件的图形尺寸,以最小尺寸画出的晶体管 图7-3所示,MOS模拟集成电路版图,按照宽长比计算结构设计 Place&Route DRC LVS,例子,输入,输出,接地,输出,MOS电容,两个横向PNP管,纵向向PNP管,取样电阻,保护电路,基准电压源,热保护电路,调整管,稳压电源电路,启动电路和热保护电路,基准电压源和误差

8、放大器,取样电阻,过流和安全工作区保护电路,专用集成电路 （ASIC）,Application Specific Integrated Circuit IC的分类 通用IC ASIC HDL VHDL Verilog EDA_tools Modelsim、ISE、MAXII Cadence、Synplify、Synopsys,VLSI的设计方法 VLSI设计方法学旨在人工干预设计与CAD工具之间的交互过程中取得尽可能高的设计效率。 一、VLSI设计的一般形式 层次式设计是VLSI设计中最广泛使用的方法，它可以简化VLSI设计的复杂性。层次式设计方法分为自顶向下和自底向上两种方法。 层次化设计分为三个域：行为域、结构域和几何域。 二、IC层次式设计方法(自顶向下的设计方法例子) 系统级、功能级、寄存器传输级、门级、电路级、版图级（物理级）。,计算机描述语言：对于不同的设计层次，都需要用计算机来进行辅助设计。因此，需要有一套计算机能处理的语言来描述设计结果和设计要求。 HDL(Hardware Description Language) SPICE是一种用于电路分析的软件工具，它本身规定了一套电路描述方法 DEF、LEF、SKILL及YAL都是专门用于布图设计的电路描述语言 CIF是一种几何描述语言，它用来描述物理版图，该语言是工业界的标准格式，它与另外的两种版图描述语言GDS2、EDIF之间可以相互转换。,系统级设计,SOC,软件设计,硬件设计,ARM CCORE NOIS MCU MINI-RISC ,多思考、多动手,

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