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 GSrW CLV GS 一 V T(4-3)''V DSg^ 2-C OX21 DSV 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 cR 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 rK =2」C OX 罟V+1Rc RcI Q 31«. 1112 [I ---- ■"JT2I )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)」1C ox W2 ][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接近相等，有效地去掉了沟道调制效图4-3应的影响。

T3管使镜恒流源的输出电阻增大。

而且威尔逊恒流源还有负反馈作用，使得输出电流I。

的变化得到补偿，从而获得更高的输出电阻，提高了恒流源输出电流的稳定程度。

§ 4-1-3 MOS基准电压源在MOS A/D等中，需要用到各种基准电压源。

与双极型基准电压源的要求一样，也希望它们稳定、内阻小、噪声低。

下面介绍CMO带隙基准电压源。

CMO带隙基准电压源利用MOS晶体管工作在亚阈值区（弱反型区）时的电流特性：, ' 1 1、、「' V DS、、'V GS—V t、怙飞怙0旳｛%包忑）｝｛1©吩才｝的（〒）其中n 斜率因子（品质因子）I D0特征电流V t二kT/q获得一个正温度系数的电压源，与双极型晶体管be结的负温度系数互相补偿，得到一个恒定的基准源。

这种电压基准只用于非常小的功率。

图4-4表示了一种CMOSr隙基准源电路。

所有的MOSf都工作在亚阈值区饱和状态。

n沟的T1，T2管与P沟的T3, T4管分别组成基本恒流源且构成一闭合回路。

电阻R的负反馈作用使I R1电流保持稳定。

T2，T5管也组成基本恒流源。

基准源电压V ef为具有负温度系数的T6管be结压降和具有正温度系数的R2上的压降V R2的迭加。

可以推导得出，当这种基准源调整到零温度系数时，其输出基准电压值为晶体管禁带带隙电压加上一温度的函数，即V ref =V G0■ mkT，其中m为常数，取决于二极管的制造和温度特性。

q为了保证所述电压基准的正常工作，必须注意以下三点：首先，器件必须工作在弱反型区，即使在最高工作温度下也是这样；其次，特别是在n沟器件中，泄漏电流必须最小，以防止这些电流成为高温误差的主要来源；最后，器件的输出电阻必须大到足以保证器件作为镜像电流源正常工作。

通过采用长型器件，或用不同类型的镜像电流源，就可以做到这些。

在这个基准源结构中,双极型T 6管与CMO 工艺的相容性问题即为通常所说的 Bi- CMOS工艺所要研究的问题。

§ 4-1-4 CMOS 有源负载增益级式中gD1, g °2为T l ,T 2管的漏极输出电导。

可见随着工作电流I D 的上升,电压增益以电流平方根的关系下降。

这是因为 MOS f 的 跨导仅与电流平方根成正比 ，而不象双极型那样，跨导与电流成正比。

因此 CMOS 曽益管在 饱和区范围内，减小漏极电流能增大电压增益 。

§ 4-2 MOS 模拟电路的基本模块设计利用上面所介绍的模拟单元电路和其它的相应电路，可以构成具有一定功能的模拟功 能块。

在设计模拟功能块时我们要从微电子系统的观点出发，考虑相应电路的实现。

模拟 功能块一般多用于信号处理，比如预处理（滤波、模数转换）和后处理（数模转换、滤波）本节主要介绍 CMOS!算放大器、D/A 、A/D 变换器、滤波器等。

当然，还有整形电路、乘 法器、调制器和振荡器等。

§ 4-2-1 CMOS 运算放大器在模拟电路的设计中，最重要的电路之一就是运算放大器（简称为OPA 。

它的主要作用是提供足够的增益。

利用外加的反馈电路，运算放大器可实现模拟信号的多种处理功 能，诸如放大、微分、积分、求和、对数等运算。

在本节中我们简单介绍一下CMOS 运算在集成的MOS 放大器中，从器件的性能、结构、工艺等方 面因素考虑，往往采用有源负载。

图 4-5是经常采用的CMOSt 源负载的形式。

n 沟T i 管作放大管，P 沟T 2管作负载管，信号 输出端为T i ,T 2管漏极相连之处。

由MOS t 的小信号模型， 可画 出图4-5的等效电路，故 电压增益为：K vg ml4Kocg D 1g D 24-5 CMOS 互补型有源负载Ti °—I放大器。