经典模拟集成电路设计基础

v0
1 : 1
v1
: A
v2
• 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：
W2 / L2 A W0 / L0
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
共源—共栅电流源
工作原理 ——该电路相当于两个镜 像电流源的串联。如果保 证：
I0
W2 / L2 W3 / L3 W0 / L0 W1 / L1
则有： UGS 0 UGS 2 ， 于是： U y U x ，可以忽略 沟道调制效应。
I0 (W3 / L3 ) 1 U DS 3 (W3 / L3 ) I ref (W1 / L1 ) 1 U DS 1 (W1 / L1 )
基本电流镜及比例电流源
工作原理 根据MOS管的电流方程：
ID
nCox W
2
2 ( U U ) (1 U DS ) GS TH 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：
I1 I D1 W1 / L1 1 Ir I r W0 / L0
应，增大管子的输出电组。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS运算放大器
V9 V3 ID3 ID1 Ur V1 ISS V8 V7 V6 USS ID2 V2 Ui UDD V4 ID4 A Cc Uo V5
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。
6.1 模拟集成电路的重要性
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；
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。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
V3 Rr VG1 V4 ID4 IL ID1 V1 ISS V6 1 : V5 A USS ID2 V2 VG2 UDD
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS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
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMБайду номын сангаасS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
6.3 数/模（D/A）转换器

Aud
Uo Ui1 Ui 2

gm1 rds 4 rds 2 RL
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
工作特性
rds4||rds2<<R >>RL时：
W 1 2 1 N N Aud Aud 2 I DQ N 1 RL 2 nCox I DQ RL 2 4 I DQ 2 I DQ L 即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的 即在沟道调制效应显著的情况下，差动放大器的 增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。 增益受到很大的影响，所以必须减弱沟道调制效
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
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。
6.1 模拟集成电路的重要性
模拟信号输入
预处理 （滤波、模\ 数转换） 模拟
数字处理器
（微处理器）
后处理 （数\模转换 和滤波） 模拟
模拟信号输出
控制数字
典型的信号处理系统的构成框图
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
基本电流镜及比例电流源
UDD Ir Io1 Io2
Uo RL
Ir
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。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
工作特性 • 静态输出电流ILQ为0; • 差模增益Aud:
I 2 I D 2 W2 / L2 A Ir I r W0 / L0
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
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。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
6.1 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；
——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的 作用是将数字量转换成模拟量。
6.3.1 D/A转换器的电路结构
6.3 数/模（D/A）转换器 6.3.1 D/A转换器的电路结构