专用集成电路设计基础教程(来新泉 西电版)第5章 模拟集成电路设计技术

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5.1.1 双极型电流源电路 在集成电路中，偏置电路和晶体管分立元件的偏置方法
不同，也就是说，晶体管分立元件通常采用的偏置电路在集 成电路中是不适用的。为了说明这个问题，我们先看一个例 子。
图5-1是晶体管共射放大电路。Rb1、Rb2是偏置电阻，通 过分压固定基极电位；Re是射极反馈电阻，起着直流反馈和 保证工作点稳定的作用。图5-1也是晶体管分立元件通常采用 的偏置电路，现在来估算一下这种偏置电路中的各个电阻的 阻值。
第5章 模拟集成电路设计技术
5.1 电流源 5.2 差分放大器 5.3 集成运算放大器电路 5.4 比较器 5.5 带隙基准 5.6 振荡器
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5.1 电 流 源
集成电路设计者的主要工作是设计电路，包括电流的设计。 为了给各电路提供设计所指定的电流，常使用电流镜电路，它 是集成电路的基本电路。其主要用途有：做有源负载；利用其 对电路中的工作点进行偏置，以使电路中的各个晶体管有稳定、 正确的工作点。下面我们来讨论模拟集成电路中各种类型的电 流源电路。
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其中：ie1为V1的发射极电流，ie2为V2的发射极电流。根据晶体
U BE1
KT q
ln ie1 is1
,U BE 2
KT q
ln ie2 is 2
则
(5-7)
U BE 2
U BE1
KT q
ln ie2is1 ie1is 2
(5-8)
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其中：is1和is2分别是V1、V2单位面积的反相漏电流。 设V1、V2两个管的发射区面积相同，在工艺上实现的单位
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在集成电路版图设计时，常把V1、V2两管靠得很近，加上 工艺相同，掺杂浓度相同，因此两个管子单位面积的反相漏电
流可以认为相同，即 is1 is2 。另外，由图5-2电路可知，V1、
V2两管的正向压降也相同，即UBE1=UBE2。这样由上面几个公 式可以得出
io Ae1 ir Ae2
(5-18)
(5-20)
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图5-4 微电流电流源
20
因为
U BE1
KT q
ln ie1 is1
U BE 2
KT q
ln ie2 is 2
(5-21) (5-22)
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设V1与V2管子完全对称，则有is1=is2，代入式(5-20)，有
ie1
KT R1q
ln ie2 ie1
(5-23)
当β≥1时，基极电流可以略而不计, 即ir≈ie2，io≈ie1, 最后得 出
(5-13) (5-14)
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io ic1 ir ie2
qUBE1
ie1 Ae1i's1 e KT
qUBE2
ie2 Ae2i's2 e KT
(5-15)
(5-16) (5-17)
i 式中，Ae1、Ae2分别为V1、V2两管的发射区面积， s1 、is2 为
V1、V2两管单位面积的反向漏电流。
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因为
io ic1 ic
(5-2)
所以
2
ir io (1 )
(5-3)
2
io
ir
(1
) 2
(5-4)
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图5-2 基本型电流源电路
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当β很大时，电流源输出电流约等于参考电流，因此这种 电流源也叫做“镜像电流源”。给定了参考电流ir，输出电流 也就恒定了。这种电流源电路简单，但误差大，当β较小时，io 与ir匹配较差，且灵活性差，适用于大电流偏置的场合。
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2. 电阻比例型电流源电路
图5-3所示是由双极型晶体管构成的电阻比例型电流源电 路的原理图。
通过改变R1与R2的比值，即可改变输出电流io和参考电流ir 之比。由图5-3
UBE1+ie1R1=UBE2+ie2R2 UBE2-UBE1=ie1R1-ie2R2
(5-5) (5-6)
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图5-3 电阻比例型电流源
io
KT qR1
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3. 面积比例型电流源
比例电流源除了用图5-3中V1、V2射极加R1、R2电阻来实 现外，还可以不加电阻，而通过改变V1、V2两管的发射区面积 比来实现，这种方法同样也可以改变输出电流io和参考电流ir的 比例关系。设V1、V2两管的β1、β2均大于等于1，在忽略基极 电流的情况下，则有
io=ic1≈ie1 ir≈ic2≈ie2
因此在版图设计时，只需根据io和ir比值的要求，设计出相 应的发射区面积Ae1和Ae2即可。
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4. 微电流电流源
一般而言，ir由主偏置电流提供，其值一般比较大。要想 获得较小的输出电流，可采用微电流电流源来实现。
由图5-4
UBE2=UBE1+ie1R1 则
(5-19)
1 ie1 R1 (U BE 2 U BE1)
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图5-1 晶体管共射放大电路
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例如：ic＝13 μA，β＝50，UDD＝15 V, 求Rb1、Rb2的阻值。 当ic＝13 μA时，ib＝0.26 μA，按晶体管电路原理中的 i1≥(5~10)ib的选择原则，取i1＝5ib＝1.3 μA，再按基极电位ub＝ (5~10)ube的选择原则，取ub＝4 V，这样Rb1约要3 MΩ，Rb2约 为7 MΩ。这样大的阻值在集成电路中所占有的面积是无法实 现的，因此这种偏置电路不适用于集成化的要求。在模拟集成 电路中常采用电流源电路作为偏置电路。
面积反相漏电流也相同，即is1=is2
U BE 2
U BE1
KT q
ln ie2 ie1
(5-9)
比较式(5-6)和式(5-9)
ie1
ie2 R2 R1
1 R1
KT q
ln ie2 ie1
(5-10)
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因为io=ic1≈ie1，在忽略基极电流的情况下，ir≈ic2≈ie2，则有
io
ir R2 R1
1 R1
KT q
ln ir io
(5-11)
当io≈ir或 irR2>>
KT ln ir时，得出 q io
io R2 ir R1
(5-12)
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可见，输出电流io和参考电流ir之间的关系可由R2和R1的 比值来决定，因此灵活性大。该电流源还有温度补偿作用，如 当温度升高时，UBE1下降，同时UBE2也下降，抑制了输出电流 io上升。
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1. 基本型电流源
图5-2是基本型电流源电路，它是由两个匹配晶体管V1、 V2构成的。设两个晶体管完全对称，前向压降ube1＝ube2，电流 放大系数β1＝β2。ir为参考电流，io为电流源输出电流。现在来 推导它们之间的关系。
ir ic2 ib1 ib2
ic
2ic
ic (12)来自(5-1)