第七章MOS管模拟集成电路设计基础ppt课件

威尔逊电流镜正是
这样的结构。
NMOS威尔逊电流
镜的电路如右图所示。
提高输出电阻的基本
原理是在M1的源极接 有M2而形成的电流 串联负反馈。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
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(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
参考电流就是一个恒流 (如右图所示) 那么，
整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。
图6-3-14
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右图给出了 一种自给基准电 流的结构形式。M1、 M2、M3组成了一个 两输出支路的 NMOS电流镜，M4、 M5和M6组成了两输 出 支 路 的 PMOS 电 流 镜 。 M7 、 M8 和 R 所构成的“启动” 电路 。
4) 参考支路电流Ir 形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对
电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。 (1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
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图6-3-18
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在工作过程中，若某种原因引起VD1上升，这将引 起VREF上升，并因此使IDE上升，迫使VD1下降，保证VRFE 的稳定。
（1） 通用电压源
通用电压源是一些简单的电路，它按电路要求产 生直流电压，并控制相关器件的工作状态，一般没有 特殊要求。
最简单的电压源是分压电路，它的输出既可以是 单点的，也可以是多点的。在电子线路中常采用电阻 分压电路作为电压偏置的发生电路，在模拟集成电路 中则常采用有源电阻作为分压电路的基本单元。图63-15给出了全NMOS的分压器电路图(a)和CMOS的分压 器电路图(b)。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
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2) NMOS威尔逊电流镜
NMOS基本电流镜因为沟道长度调制效应的作用，交 流输出电阻变小。从电路理论可知，采用电流串联负反馈也 可以提高电路的输出电阻。
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上面简单的分压电路有一个共同的缺点，那就是 它们的输出电压值随着电源电压的变化将发生变化。 究其原因是因为电漏电压的波动直接转变为MOS晶体 管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被某个器 件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响 就可以使输出电压不受电源电压波动的影响。
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利用稳压管构造电压偏置电路的基本结构非常简单，下 图给出了电阻和稳压管串联的电路结构和采用有源负载结构 的电路形式。
图6-3-17
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右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
PMOS电流镜的结构与工作原理与NMOS结构相同。下图给出 了PMOS的基本电流镜(a) 、威尔逊电流镜(b)和改进型的威尔 逊电流镜(c) 。
图6-3-10 PMOS电流镜
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（2）基准电压源
理想的基准电压源，要求它不仅有精确稳定的电 压输出值，而且具有低的温度系数。温度系数是指输 出电参量随温度的变化量，温度系数可以是正的。
要使输出电参量的温度系数小，自然会想到利用 具有正温度系数的器件和具有负温度系数的器件适当 地组合，实现温度补偿，得到低温度系数甚至零温度 系数的电路结构。
图6-3-16
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在MOS模拟集成电路中的稳压管可以采用pn+结 构 和 p+n+ 结 构 制 作 ， 其 中 ， pn+ 结 构 的 稳 压 值 VZ 在 6.5~7.5V，p+n+结构的稳压值VZ在4.5V左右。从稳 压管的输出特性曲线可以看出，当电流在一定的范 围内波动时，它的输出电压变化很小。从这一点我 们又得到了一个器件的电阻特性：稳压管具有直流 电阻大于交流电阻的特性。当然，当稳压管正向运 用的时候，它就是一个普通的二极管，它的正向特 性也表现为直流电阻大于交流电阻。
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1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
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• 工作在亚阈值区的CMOS基准电压源
当MOS器件在极小电流下工作时，栅极下方呈现的 沟道相当薄，并且包含的自由载流子非常少。器件的 这一工作区域被称为弱反型或亚阈值区。工作在亚阈 值 区 的 NMOS 晶 体 管 ， 当 漏 源 电 压 大 于 几 个 热 电 势 Vt(=kT/q) 时 ， 具 有 正 温 度 系 数 ， 约 为 +1500ppm ／C°。利用MOS器件在亚阈值区的电流、电压的指 数关系，采用图6-3-19(a)所示的结构，我们可以得 到具有正温度系数的ΔV这是一个正温漂源，如果有一 个负温源与它相抵消，则可以得到低温漂的电压基准。
(2)有源负载的参考支路
图6-3-12
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图6-3-13
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要使VGS不发生变化，对于栅漏短接的MOS管必须 满足两个条件：一是VGS不能被直接作用，二是MOS晶 体管的电流不能发生变化。
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利用稳压管的输出特性同样可以得到稳定的输出 电压。稳压管的符号和伏-安特性如下图所示。
但遗憾的是，在MOS电路的情况下，器件的选择 有限，而且基本器件参数与工艺参数和温度参数有强 烈的依从关系，使温度补偿较之双极型电路更困难。 在实践中已设计出全MOS的电压基准电路。
•
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VREF的温度系数决定于3个因素：M1、M2的阈值电 压之差的温度系数；M1、M2的漏极电流ID的温度系数； 沟道电子迁移率的温度系数。
近似计算的结果表明：在低温范围，影响温度 稳定性的主要因素是迁移率的温度系数，这时VRFE的 温度系数是正的；在高温范围内，影响VRFE的温度稳 定性的主要因素是阈值电压差的温度系数，VRFE的温 度系数是负的；在室温附近，VRFE的温度系数比较小。
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流 串联负反馈。M3的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某 种原因使输出电流Io增加，这个增加了的电流同时也将导致 M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而使电流 减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用 阻止电流变小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io 趋于恒流，提高了交流输出电阻。
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图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器 结构，它的分压原理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用 上式计算。
图6-3-15
在模拟集成电路中的电压偏置分为两种类型：通用电压偏 置电路和基准电压电路。通用电压偏置电路用于对电路中一些 精度要求较低的电路节点施以电压控制；基准电压电路则是作 为电压参考点对电路的某些节点施以控制。
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图6-3-9
NMOS 电 流 镜 所 能 提 供 的 电 流 偏 置 通 常 情 况 下 是 灌 电 流 ， 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 即电流是流入漏极的情况。如果需要的是拉电流，则可采用 PMOS电流镜。 3) PMOS电流镜
图
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2、电压偏置电路 前面虽然尚未介绍电压偏置电路，但实际上在上一段已
经用到了电压偏置，例如，电流镜中VGS1和有源负载的偏置电 压VB。在这一部分将重点介绍各种电压偏置电路的设计。
E/DNMOS基准电压源
增强型和耗尽型MOS晶体管的阈值电压有非常类似 的负温度系数，因此，它们的电压差对温度的变化不 敏感，可以利用这个特点制造温度稳定的电压基准。
图6-3-18所示的是以耗尽型/增强型阈值电压差为 基础的电压基准电路的原理图。假设电路中的增强型 NMOS管M1的阈值电压为VTNE，耗尽型NMOS管M2的阈值电 压为VTND，并假定R1、R2相匹配。作为M1、M2的负载。A 是一高增益放大器，构成负反馈工作方式。M1、M2的栅 源 电 压 之 差 作 为 基 准 输 出 电 压 ， 即 VREF=A(VD1VD2)=VGSE-VGSD。
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在这个结构中，如果M1利M2的宽长比相同(其他的器件 参数也相同)，因为在其中流过的电流相同，则它们的VGS必 然 相 同 ， 使 M3 的 VGS3=2VGS2 ， 而 M2 的 VDS2=VGS2 。 M1 、 M2的这种VDS上的差异也将导致参考电流与输出电流的误差， 这时的参考电流将大于输出电流。如果M1的宽长比大于M2的 宽长比，根据萨氏方程，在相同的电流条件下，导电因子K 大则所需的VGS就比较小。VGS1的减小使得M3的VDS3减小， 缩小了M2和M1的VDS差别，可以使误差减小。但即使M1的宽 长比再大，也不可能使VDS3=VDS2，所以，若要消除误差必 须 在 M3 的 漏 极 上 串 接 一 个 电 阻 消 耗 掉 多 余 的 电 压 ， 使 VDS3=VDS2。