第四章模拟电路基本单元和基本模块设计

第四章模拟电路基本单元和基本模块设计

单纯的数字电路远不能满足人们在进行ASIC 设计时所具有的全部需要, 数字电路、模

拟电路、以及数模混合集成电路都各自占据着专用集成电路总份额中的一个相当大的比重。

通常，把处理信号连续变化（包括输入和输出）的电路叫做模拟电路,这类电路是通过波形的瞬时值来传递信息的。模拟电路可分为两类：第一类是线性模拟电路, 其输出信号与输入信号成线性关系。各类放大器属于线性模拟电路。第二类是非线性模拟电路, 其输出与输入信号之间满足某种特定的非线性关系。例如，滤波器、调制解调器等属于非线性模拟电路。模拟集成电路, 是指具有对模拟量进行各种处理功能的集成电路, 而模拟量指的是连续变化着的物理量, 如电路系统中的电压、电流等。一般早期的所谓模拟集成电路指的就是线性模拟电路，因为它相对于非线性模拟集成电路来说实现起来比较简单。但是由于通信业的迅速发展对非线性模拟集成电路的需求越来越大，各种高频的非线性模拟集成电路成了发展的热点。

由于模拟集成电路品种繁多, 线路复杂, 而且同数字电路相比, 电源电压高、电路中的电路重复率低, 加之工艺的限制, 制造电感、大电容等都比较困难, 因此模拟集成电路的发展相对落后于数字集成电路。然而, 由于近年来集成工艺水平的提高, 电路设计技术的不断改进, 模拟集成电路技术也已获得了较大的进展。

模拟集成电路中，由于MOS晶体管在失调、跨导、噪声、负载能力等方面的固有弱点

，

长期以来始终占据着绝对领导地位的是双极型模拟集成电路。随着电路规模的不断增大和系统集成（SOC）的要求，MOS器件面积小、功耗低的优点显得越来越重要。另一方面，数字电路以MOS为主，数模混合技术的问世也对MOS莫拟电路提出了需求。因此目前全MOS莫拟集成电路技术正引人注目地发展着，模拟集成电路制作工艺方面的弱点逐步得到克服。电路品种日趋繁多，例如A/D 转换器、开关电容滤波器、通信系统中的编译码器、振荡器等等。与双极型（三极管或二极管）电路相比，MOS莫拟集成电路有如下一些优点：

1. 占用管芯面积小。

2. 电路功耗低。

3. MOS 管具有高的输入阻抗。

4. 便于将数字和模拟电路做在同一芯片上。

5. 便于和MOS微处理器及存贮器接口。

6. 便于制作高集成度的系统或子系统。

本章在给出MOS莫拟集成电路若干基本单元的基础上,介绍一些MOS运放、D/A、A/D

等常用电路及其设计方法。

4-1 模拟集成电路的基本单元

在开始讨论各种单元之前，我们简单地介绍一下 电路中，一般MOSFE 均工作于饱和区。 因为饱和区的跨

导比非饱和区的跨导大得多。 和区MOSFE 的伏安特性方程（以N 沟管为例）为 ：

考虑到沟道调制效应对伏安特性的影响，方程修正为

(4-2)

其中入为修正因子。

在MOS 莫拟电路中 跨导是一个很重要的参数。 由（4 — 1）式可以得到 MOSFE 管在饱 和区的跨导

或写成

(4-4)

在MOS 莫拟集成电路中，由于 MOSFE 管的物理效应对集成电路有一定的影响，因此 在设计中要考虑到这些因素。比如体效应、亚阈值特性、短沟道效应、噪声性能、静电反 馈效应、电荷限制效应等等。想了解这方面详情的读者请参阅相关专业书籍，在这里我们 不做进一步讨论。

本节主要介绍 MOS 差分放大器、恒流源、基准源、有源负载

等。

§ 4-1-1 MOS 差分放大器

图4-1表示了 n 沟MOS 差分放大器。差分对管 T1、T2的源极相连，且接恒流源I 。。 放大器的跨导可定义为单位输入电压的变化所引起的输出电流的变化。可以推导出图 4-1

所示差分放大器的跨导为

g m 「2Kl o

（4-5）

其中K 为一与T 1、T 2几何尺寸和工艺参数有关的常数

MOSFE ■的小信号性能。在MOS 模拟

在饱

1 DS

二挣 ¥VGS "

(4-1)

g 卄护

cV GS

r

W CL

V GS 一 V T

(4-3)

''V DS

g^ 2-C OX

21 DS

V GS -V T

还可直接写出 MOS 差分放大器的电压增益 为:

K v = -g m R C = -、2KI O R c

R C = R C ||r DS

§ 4-1-2 MOS 恒流源

MOS 晶体管可以组成具有参考电流且电流值大小可调的恒流源电路。其基本形式与双 极型基本恒流源一样，如图4-2所示。

图中T i 、T 2管为n 沟增强型MOS 管。可列出T i 管的偏置方程为：

V GS (4-7)

由于「管的栅漏短接，因此总满足 V bS1> V GS1 - V T1,故T 1管始终工作在饱和区:

I D 二K(V GS “)2

(4-8)

因I r = I D I G ,而I G 很小，故可表示为：

I D : I r

K =2」C OX 罟

V+

1

Rc Rc

I Q 3

1

«. 1

1

12 [

I ---- ■

"J

T2

I )Io*

图4-1 MOS 差分放大器

图4-2 MOS 恒流源

联立上面(4-7),(4-8) 两式，就可求出I r 。

若「、T 2两管特性完全一致,则该电流源的输出电流

I O 为:

l r

若「、T 2两管特性不一致，则该电流源的输出电流

I O 为:

l r

输出电阻为

l r 工l o 的影响比起双极型中基极电流的影响要小很多。但当电路要求有多个恒流源时，若 仍用基本恒流源

电路，则参考电流与恒流电流之间的差值会较大。此时参考电流为：

l r =l o ・(n 1)I G 。当然在实际电路中，希望

输出电阻越高越好，以便得到更好的恒流特 性。这可

以通过选取 较小“入”的管子来实现。当“入”很小，且保证 入V Ds 《1时，则可

1

有r o

。实验表明，入和沟道长度L 近似成反比。这就是说使 MOS 管的沟道尽可能长

l o 九

些，以便获得较大的输出电阻，从而得到更好的恒流特性

。

由于「,丁2管漏极电平的差异，即V )S1^ V )S2,这将是造成参考电流 l r 与输出电流l O 不 等的另一个原因。不过这个不利因素，可以用在 MOS f 的源极加一个电阻来调整 MOS f 的 漏源电压的方法加以缓解。但是不能从根本上解决这个问题。

还有一种恒流源叫威尔逊恒流 源(补偿恒流源)，其基本的电路 结构如图4-3(a)所示。对于基本威 尔逊恒流源其优点是输出电阻

r 。的

提咼。而由 V D S1和V)S2不等所引起两 管沟道调制效应程度不同的影响 (l r 和l o 不等)却没有缓和，因此又有 了威尔逊恒流源改进型，如图4-3(b) 所示。改进型威尔逊恒流源中的 T 3 和T 4管维持V)S1和V D S 2之值

r o =(

-:l o

-'V OUT

)」

1

C ox W

2 ]

[小,(V GS -V T )]' 2 L

对于MOS t ,栅电流是极小的，可以忽略。因此由于

(4—9)

T i 、T 2管输入偏流I G 的存在而使

基本型威尔逊电流源

(b)改进型威尔逊电流源