[信息与通信]第三章 集成电路基本模块设计1.ppt

第三章 集成电路基本模块设计 一、教学目的和要求：1、掌握集成电路的基本单元模块的基本组成；2、理解集成电路的基本单元模块的理想模型与 实际实现的主要非理想特性；3、了解实际电路的主要非理想特性对电路性能 的影响和常见的改进方法；4、理解集成电路设计过程中原理性和技术性的 关键概念 二、重点、难点：1、集成电路设计过程中原理性和技术性的关键 概念2、基本单元模块的基本组成；主要非理想特性 对电路性能的影响和常见的改进方法第三章 集成电路基本模块设计 第一节 开关 一、理想电压控制开关的模型： 1、模型图IoC VCVC=VC1接通时，VIO=VI－VO=0，II=IO可取任 意值，I、O两点间短路VC=VC2断开时，II=IO=0，VIO可能为任意值， I、O两点间开路二、实际电压控制开关的模型 模型图 IoffRoffRonVos - +VCCICICCocCoIo C失调电流、失调电压、寄生电容、开关非线性、电阻等三、开关电路的实现及主要非理想特性：1、用BJT实现开关： （1）电路： IVo VCVI++--oC+-IIIo（2）非理想特性：1）失调电压 VOS≈16mV；2）由三极管特性曲 线可知，VC（VBE）恒 定时，存在非线性，限 制开关的动态范围；3）2、用MOS管实现开关 （1）电路：（2）非理想特性：1）沟通电阻：a)在开关导通状 态下，其两端电压 很小，而VGS很大， 此时，沟道电阻为：IVo VCVI++--oC+-I1b)开关断开时，2）电容： 四、开关对电路的影响 ：1、开关的端 电压与控制端 电压相对值；2、导通时 沟道电阻Ron ；例、C1充电电路图（例：充电电路 ）在电路的充电变换过程中，开关的导 通电阻非常重要 ，要满足条件：ＲonC12WC。

2、浮地开关电容等效电阻： （1）电路原理及电路图 (a)原理图V2VI++--C1S1S2(b)电路图V2VI++--C1M1M2（2）工作原理：当驱动时钟φ为高电平时，开关S1闭合，S2断 开，这时电容器清零 当时钟φ为低电平时，S1断开，S2闭合，电容C1 充电到（V1-V2），故电容C1存储的电荷量为： Q=C1（V1-V2），则在时钟φ的一个周期内，从V1 端流到V2端的平均电流为： 相应的等效电阻Req为： 第三节 电流源和电流阱 一、理想的电流源 1、理想电流源的特性：是一个二端元件，它的电流在源的端电压为任何 值时都是常数电流源的端电压取决于外部电部 2、伏安特性和简化电路符号 ： 二、实际电流源和电流阱1、电流源使用的基本拓朴结构如下图：VP和 VN分别为最正和最负的直流电压 （1）当电流源 的一端与电路中最 正的直流电压接在 一起时，称为电流 源 （2）当电流源 的一端与电路中最 负的直流电压接在 一起时，称为电流 阱 2、实际电流源、电流阱的伏安特性电流源伏安特性 电流阱伏安特性 三、电流源、电流阱的基本实现电路 1、电流阱基本电路（a）BJT电流阱 （b）MOS电流阱 2、基本电路的特性：（1）BJT电流阱当V>VCE（饱和）： VMIN≈VEC（饱和） （从V=0到V=VMIN的区间， 对应于Q1的饱和区） 电流阱输出电阻R0为： 对于电流源上述特性方程也成立。

（2）MOS管电流阱（设 = 0） 电流VMIN=VDS（饱和）=VGG-VT V>VMIN时：上述特性方程对MOS电流源也成立 四、改善性能的电路（R0、VMIN） 1、负反馈法：（1）电路图： (a) BJT (b) MOS（2）特性：（以BJT管为例） ①BJT管 ： 随着R变大， ，比R=0增加（1+βF） 倍 ②MOS管 ： 式中 ：（3）实际实现电路： BJT，Q1的输出电阻r0代替上述电路中的R得： 例若Q1和Q2完全相同， 则可算，gm2=8.456ms, r01=r02=913KΩ, r2=11.526 KΩ得R0=91.05MΩ,(比 0.913 MΩ简单BJT电流源 几乎增加了（1+βF）倍) 例若M1和M2与图4.3.4(b)中的M相同，则可算出：gm2=152.6μs和gds1=gds2=0.97μs, gmb2不计，得：R0=171.9MΩ(比图4.3.4(b)中的R0=1.07增大了102倍以上) ②VMIN 为使VMIN最小，关键选图(a)中的VBB2和图（b）中 的VGG2 对图4.3.6(a), VBB2=VCE1（饱和）+VBB，则可使 VMIN=2VCE（饱和） 对图4.3.6(b)，VGG2=VDS1（饱和）+VGS2，则可使 VMIN=2（VGG1-VT1） 2、正反馈法： （1）电路图： BJT管MOS管3、调节型共源共栅电流阱第四节 电压基准和电流基准 一、电压基准或电流基准：1、概念：指受电源电压波动和环境温度变 化影响很小的精密直流电压源或电流源电路。

2、灵敏度和分数温度系数：（1）VREF对电源VXX变化的灵敏度定义为： IREF对电源VXX变化的灵敏度 ： （2）用分数温度系数ICF定义基准对温度依赖关系 为： TCF的单位表示为每°C的百万分之一，即 ppm/°C，设VREF相对于温度的灵敏度等于1/100表 示一个好的电压基准，则在室温（T=300K）下， 其分数温度系数为（1/300）×（1/100） ×1000000=33.3ppm/°C一般，TCF低于50的基准被认为是很稳定的 3、举例： 简单电压基准解:（1）对 （a）图： 依灵敏度定义：1) VREF对于VXX的灵敏度为： 2）VREF的分数温度系数为：(设VXX与温度无关) （2）对（b）图： 1）求灵敏度 若VCC=5V，R=43KΩ，IS=0.4fA则即如果VCC变化10%，VREF将变化0.379% 2）求分数温度系数 在 中，Vt，R，IS是温度的函数 所以 ：而 带隙电压 ，它与温度无关 式中:VGO 为硅的（3）对图（c） 1）求灵敏度 2）求分数温度系数 要得到电流基准和电压基准，就是要尽量使电 源和温度对基准的影响最小。

二、几种常见的电流基准：1、采用一种利用正偏pn 结的发射结电压降VBE的技术 由图可得：2、自举偏置电路 （1）电路图：（2）工作原理 ：IC1=IC2，BE1=Vtln[IC1/IS1]=IC2R1用图解法解上述联立方程，得IC2有两个稳定的 工作点：A点：IC2=0 B点：IC2 0只要给此电 路一个适当的启 动电流，电路就 会自动进入B点 工作状态 三、几种常用的电压基准 （一）采用稳压二极管的电压基准1、稳压二极管的特性 2、利用稳压二极管和pn结二极管温度系数相反的关 系以期抵消温度对电源的影 响——减小电源基准TCF的 方法之一 假定I0设置得很好，足以 使VB=BV可以认为与VCC无 关又假设所有VBE都相等，且所有二极管都匹配， 则基准电压： 将上式对T求微分，然后改其等于零，得到： 若稳压二极管的温度变 化特性是+3mV/°C，则 ： 对于零温度变化特性来说，R1/R2之值为3.5此时 ， VREF= 也是一个与VCC无关的量 二、带隙电压基准1、概念：带隙电压基准电路是利用了VBE的负温 度系数来补偿热电压Vt的正温度系数，从而获得零 温度系数的基准电压。

由于VBE及Vt的温度系数的 大小不等（常温下，VBE的温度系数为-2mV/°C， Vt的温度系数为+0.085mV/°C）,为完全补偿，可引 进一个常数因子G，使得：VREF=VBE+GVt在保证VREF具有零温度系数时，这个电压基准的大 小大约为+1.25V，它与硅的带隙电压VGO≈1.205V接近，故称这种电路为带隙基准电压2、维德勒带隙基准： （1）电路：（2）分析：，，2、改进型的带隙电压基准这种改进型的带隙电压基准可以用运算放大器 组成 （1）电路图： （2）分析： 运算放大器的优点是消除了电源电压对电流的 影响，其方法是建立强制的关系I1R1=I2R2；从而 在对数的自变量中用R2/R1，代替I1/I2，因为R2/R1 是与电源电压无关的写出VBE1、VBE2和R3的回路 方程，可求出I2： 则基准电压可表示为 ： 可以用晶体管Q1和Q2的面 积标定对数项的自变量。