原理第10章MOS模拟集成电路课件.ppt

1,第10章 MOS模拟集成电路,1. MOS模拟集成电路基础 2. MOS模拟IC子电路 3. CMOS集成运算放大器 4. CMOS集成运放电路分析与设计,2,1. MOS模拟集成电路基础 1.1 MOS模拟IC中的元件 1、MOS电容 铝薄氧化层n+扩散区电容 多晶硅氧化层重掺杂衬底间的电容 铝氧化层多晶硅电容（寄生电容小） 双层多晶硅电容（寄生电容小） 2、集成电阻器 硼扩电阻高阻 R=100200/ 可作5050K 磷扩电阻低阻 R=25/ 几十 埋层电阻低值电阻 R20/ 几十几百 基区沟道电阻R=510K/， 几十KM 可作大电阻，精度较差,3,外延层体电阻R=2K/，几十K，可承受高工作电压，温度系数大 离子注入电阻 R=500200K/ 几十K 高精度 多晶硅电阻 R=十几100/ 薄膜电阻（Ni-Cr、 Cr-Si）R=几百几K/ 高精度、 可激光修条 3、MOSFET 与BJT相比，MOS器件主要的缺点在于： 参数离散性大，跨导低，失调电压较大 噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为1/f噪声） gm，ron 热噪声 Si-SiO2界面态影响闪烁噪声，在低频时，1/f噪声显著。

如将沟道面积，受界面态影响，闪烁噪声4,4、JFET 参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制 沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰能力强，常用于微小电量取样电路2. MOS模拟IC子电路 复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构造而成本章主要从模拟IC基本单元分析入手，说明如何根据电路设计要求，选取适当搭配方案，最终实现设计目的 具体内容：通过对电流源，差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路单元分别分析讨论结构特性、特点，最后，以模拟运算放大器设计加以应用，从而掌握基本的模拟电路设计方法5,模拟集成运算放大器电路分层说明,6,10Bits 105MSPS 3V ADC 原理图,7,,无缓冲二级CMOS运放电路,8,图 各类MOSFET符号与特性比较,四端口器件,三端口器件,9,,图 各类MOSFET符号与特性比较,四端口器件,三端口器件,10,图 各类MOSFET符号与特性比较,四端口器件,三端口器件,11,图 各类MOSFET符号与特性比较,四端口器件,三端口器件,12,2.1 电流源与电流沉（Current Source and Sink） 所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值和加在两端的电压无关的两端元件。

通常负端接VSS的称为电流沉（Sink），正端接VDD的则称为电流源（Source）一般MOS器件做电流源/沉时，工作在饱和区1、基本的电流源、电流沉 （1）电流源,图1 基本的电流源结构与V-I特性示意,13,可见，要使电流源正常工作，应使T管工作在饱和区，即：,,,,,其输出电阻：,（1）,（2）,,（3）,14,（2）电流沉,图2 基本的电流沉结构与V-I特性示意,同理，电流沉正常工作，应使：,,（4）,15,输出电阻：,,（5）,2、改进的电流沉/源 基本的电流沉/源的优点是结构简单，但性能需加以改善： 增加小信号输出电阻确保整个vout范围内电流稳定 减小Vmin值，使其在较宽的vout范围内都能很好工作 （1）接电阻增加输出电阻的技术,,其中， VGG为固定偏置， vg2=0,,,,,图3 接电阻增加输出电阻 的结构与等效电路,16,而饱和区衬底跨导：,,（7）,,线性区：,分析小信号模型等效电路，由（6）、（7）得：,,（8）,可见，最终输出电阻增大为r的gm2rds2倍17,（2）实际电路 在实际的集成电路设计中，电阻r是由有源电阻实现的，如图4所示a）电路图 （b）等效电路,图4 共栅共源电流沉结构,18,由电路结构可以看出这是一种共栅共源电流沉，分析其等效电路可得其输出电阻为：,,（9）,2.2 电流镜和电流放大器(Current Mirror & Current Amplifier),1、基本的电流镜（恒流源）,,,,由图5可见：,图5 基本的电流镜电路,19,,,（10）,,若T1、T2的工艺参数相同，且vDS1=vDS2，则,,（11）,20,其输出电阻：,,（12）,由式（11）可见：,,电流镜。

可根据需要，对Ir放大，实现电流放大且由于正常工作时，T1、T2均处于饱和区恒流21,但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况： 沟道长度调制效应较显著时，不能忽略（vDS1vDS2） 由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两 管之间VT 偏差 由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配2、威尔逊电流镜Wilson Current Mirror,图6 威尔逊电流镜,威尔逊电流镜是一种改进型电流镜，通过电流负反馈提高输出电阻由图6可见：,,,,,,,,22,vGS3i0并趋于原稳定值，即i0受vout影响减弱，输出电阻提高，分析等效电路得输出电阻：,,（13）,在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和区，gds远小于gm，gmrds123,电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作在T3饱和的前提下，为使vi时Ir一定，只有相应地使W3/L3、W2/L2增大一般v(min)2vT另一方面，要保证T3饱和，对输出端电压也有要求：,,由,，得,,,（14）,（15）,24,3、共栅共源电流镜Cascode Current Mirror,（a）电路图 （b）等效电路,图7 共栅共源电流镜,25,ids4i0回复原值，r0提高。

根据其交流小信号等效电路并结合Kirchhoff定律，得如下方程组：,,（16）,,求解方程组可得：,（17）,26,2.3 基准源 理想得基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高的精度和稳定性通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能1、简单的电压分压器,,（a）电阻分压器 （b）有源器件分压器,,VREF对VDD的灵敏度：,,27,2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源,图9 简单的pn结基准源,,,,（20）,其中：,而：,（21）,28,,,则,（22）,（23）,一般IIS，,，VREF受VDD的影响很小若I=1mA，,IS=10-15A，,当VDD变化10%，VREF只变化0.362%但此结构提供的VREF较低如IS=10-15A，VDD=5V，则VREF=0.93V29,(2) 改进的pn结基准源,,注意，上式成立的条件为：IB很小（即很大）；(R1+R2)阻值要大24）,图10 改进的pn结基准源,30,（3）以MOSFET代替BJT的基准源,,（a）基本结构 （b）改进结构 图11 以MOSFET代替BJT的基准源,对于图11（a）所示结构：,,31,,（25）,其灵敏度如下，不如BJT时的情况。

26）,图11（b）所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（a）结构相似27）,32,（4）齐纳Zenor二极管基准电压源,,图12 齐纳二极管基准源,如图12所示，其中的二极管为重掺杂p+n+结，工作于反向击穿状态，其电源电压灵敏度：,,（28）,假设：VDD=10V，VBV=6.5V，rz=100，R=35k，则此基准电压源的灵敏度为0.004433,3、CMOS带隙基准源,,图13 CMOS带隙基准源,CMOS带隙基准源电路见图13，此结构实现了一种较为精确的基准电压源主要利用了MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的BE结导通电压VBE的负温度特性相互补偿，达到恒定的基准电压输出34,MOSFET亚阈区电流：,,,（29）,（30）,和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压VT的温度系数也为负的，其亚阈区电流主要受VT的影响，随温度的增加而增加，即温度系数为正BE结导通电压VBE与温度的关系：,,（32）,可见，亚阈区电流为正温度系数Why?,35,根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有的能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度ni增大，由PN结接触电势差 ， 将随之降低，即BE结导通电压随温度升高而降低，因此，VBE是负温度系数。

由图13可得：,（33）,而BE结导通电压为负温度系数，Why?,36,求得：,,（34）,,又,,,（35）,VREF的温度系数：,,（36）,得，基准电压为,37,,令,，则,,（37）,以上式中： S MOS管的宽长比W/L Vg0 Si禁带宽度电压 VBEO T=T0时，接成二极管形式的VBE值 n 亚阈值倾斜因子，由实验数据提取获得 n 与双极晶体管工艺有关，一般为1.52.2 ID0 与工艺有关的参量，受VSB、VT的影响 如电路设计使各MOS管尺寸满足此条件，即可实现基准源输出不受温度影响：,,（38）,38,2.4 MOS差分放大器,1、NMOS差分放大器,（1）工作原理与小信号特性,对于差分对结构，T1、T2应是对称的，即：1=2，VT1=VT2其差分输入信号：,,（39）,图14 NMOS差分放大器,39,偏置电流：,,（40）,,（41）,如采用单端输出，此放大器跨导为：,,（42）,联立（39）、（40），可得,（忽略高次项）,40,如采用差分双端输出，其跨导为：,,（43）,可见，差分放大器双端输出时，其跨导相当于单管gm 由T1一侧支路的等效电路，可得：,,（44）,如双端输出，其电压增益为：,,（45）,41,（2）差分放大器的输入失调电压VIO,,VIO包括三个因素：,则：,,（46）,而：,,（47）,42,（3）共模抑制比CMRR,,（48）,因为与BJT相比，MOSFET的gm较小，r0较小，所以AVD较小，MOS差分放大器的CMRR

但MOS差分放大器高输入阻抗，使其以较小的输入电流便可驱动，优于BJT电路43,,2、CMOS差分放大器,（1）NMOS输入的CMOS差分放大器,图15 NMOS输入的CMOS差分放大器,如15图所示，M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜作M1、M2的有源负载；M5、M6构成电流镜提供恒流源；M6、M7为偏置电路提供偏置另外，此电路还实现了差分输出信号的单端转换44,,,由以上分析可以看出，单端信号输出时，V0是以交流地为参考的同时，由于是差分输出，此放大器跨导和电压增益分别为：,,(gm=gm1=gm2) （49）,,（50）,45,（2）PMOS输入的CMOS差分放大器,,图16 PMOS输入差分放大器,PMOS输入的差分放大器工作原理与NMOS输入的相似，但应注意的是两种电路形式的性能与工艺选择有很大的关系 例如：对于n型衬底P阱工艺，应采用NMOS输入还是PMOS输入？ 如果是p型衬底N阱工艺呢？,46,2.5 反相放大器,1、有源电阻反相放大器 （1）小信号电压增益及输出电阻,,图17 有源电阻反相器及其等效电路,,,（51）,（52）,47,（2）小信号频率响应,,图18 考虑了寄生电容的反相器结构及其小信号等效模型,根据小信号模型，可得此放大器表征频率响应的传输函数：,,（53）,48,其中：,,S为复频率变量，此放大器的拐点频率或称为主极点频率：,,（54）,比较（51）、（54）可得： 欲使AV，应有gm21，放大器带宽变窄，可见，其增益与带宽相互制约，此结构多用于要求带宽较宽，增益不高的场合。

49,2、电流源作负载的反相放大器 由于有源电阻反相放大器输出电阻较小，、增益较低，采用电流源作负载可增大输出电阻，进而提高增益1）小信号电压增益及输出电阻,,图19 电流源负载反相放大器电路结构与等效电路,50,,,（55）,（56）,由此可得： ID，A。