第12章 模拟集成电路中的基本单元电路

1 4 VR Vt ln 2 3
2．CMOS基准电压源的工作原理
VREF由两部分组成，一部分(I5R2)是随温度上升而增加的；另 一部分(VBE)则是随温度上升而减小的。这就使VREF随温度的变化 得到了补偿。
作业
12.2、12.3、12.10、12.13
ห้องสมุดไป่ตู้
第二级增益电路由M5～ M8以及M14组成，它们的 作用是保证M3、M4的源极 电压相等，同时完成双端 到单端的转换。 M7、M8 是匹配的耗尽型MOS对管， 当它们的电流相等时，应 有VGS7＝VGS8＝0。 即使当M9的负载电流发生变化时，M7和M8的源极电压 (即M5与M6的漏极电压)始终相等。由于M5和M6的电流和 Vds都各自严格匹配，这就保证了M5与M6有相等的栅极电 压，从而使M3与M4的衬源和漏源电压相等。 第二级差放采用单端输出，输出送至M9和M10组成 的源跟随器，再由源跟随器输出基准电压VREF。
第12章 模拟集成电路中的基本单元电路
12.1 单管、复合器件及双管放大级 12.2 恒流源电路 12.3 偏臵电压源和基准电压源电路
作业
12.1 单管、复合器件及双管放大级
一、双极晶体管复合器件及双管放大级 在双极模拟集成电路中，经常把两个或两个以上的有 源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合 三端器件和单元电路，如达林顿管、复合PNP管、射耦 对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。 1、达 林顿管 上标C 代表复 合管。
三、E／D NMOS基准电压源 E/D NMOS基准电压源是利用增强型与耗尽型MOSFET的 开启电压之差形成温度稳定的基准电压源。
在工作过程中，若由于某种 原因引起VDl上升，将会引起 VREF的上升，从而使IDE上升， 最终导致VDl下降，这样保证了 VREF的稳定性。 此电路要求M1、M2工作于饱和区(这可以通过参数 的合理选择做到)。
12.3 偏臵电压源和基准电压源电路
在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的 偏臵电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平 较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。 在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有以下三类：
(1)BE结二极管的正向压降VBE，VBE=0.6～0.8V，它 的温度系数-2mV／℃； (2)由NPN管反向击穿BE结构成的齐纳二极管的击穿 电压Vz，Vz＝6～9V，它的温度系数+2mV／℃ ； (3)等效热电压Vt＝26mV，温度系数+0.086mV／℃。 这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用VBE和 Vz，Vt的温度系数符号相反以及集成电路中元器件间 匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标准电压加以 不同的组合，可望得到不同的对电源电压和温度不敏 感的电压源和基准电压。
其源漏电阻rds2 变化很小，基本 上可以看作常数
其源漏电阻rds2 是一个变化的 非线性电阻
MOS管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器 类似，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于 (近于1)的特点，它在MOS集成运放中得到广泛应用。
2．MOS共栅放大器
3．共源共栅放大器
4．CMOS放大器 以上介绍的MOS放大器均为单沟道MOS放大器，它们 的缺点是都存在衬偏调制效应，影响了放大倍数的提 高，而且衬底偏臵效应与掺杂浓度有关。采用CMOS放 大器可以克服这种效应。 (1)固定栅式CMOS放大器 由于阱的隔离作用，两 个MOS管的衬底可以分别 接到各自的源上，因而基 本上消除了因衬底偏臵效 应而导致的性能的退化。
12.2 恒流源电路
二、PNP恒流源
在双极模拟集成电路中，一般选用NPN管作为放大器件，它需 要互补的PNP管作为有源负载以增加增益，所以PNP恒流源在双 极模拟电路中得到广泛的应用。各种NPN恒流源都可化为PNP恒 流源，只要以PNP管代替NPN管并改变电源接法和电流的方向。
由于横向PNP管容易做成共基极多发射极多集电极结 构，而且各集电极的电流比，精确地决定于各集电极对 应的有效发射区周长之比。这正符合恒流源设计的要求， 给电路设计带来很多方便，且可节省隔离岛的数目，减 小管芯的面积。
Q1、Q2管的集电极短接在一起，Q1的发射极与Q2的 基极连接在一起，用恒流源I0(或用偏臵电阻)来设定 管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的 集电极是短接的，所以可以共用一个隔离岛。
复合管的输入电阻 复合管的等效直流电流增益 复合管的低频小信号电流 增益 复合管的等效跨导
复合管的等效输出电阻 达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大， 所以在集成电路中得到广泛的应用，但它的跨导和输 出电阻比单管小，且芯片面积增大。
四、CMOS基准电压源 利用MOSFET在次开启区的饱和漏电流随电压呈指数关 系的特性，可以制作温度系数较小的CMOS基准电压源。 根据MOS晶体管次开启区电特性的理论分析，当N沟 MOSFET工作在次开启区时，若其源极电压不为零，则其 漏电流可表示为
VGB、VSB、VDB分别表示栅极、源极和漏极对衬底的电 位；m是和衬偏调制系数有关的系数；ID0称为特征电 流，它表示MOSFET的宽长比W／L＝l和各电极对地(衬 底)电位为零时的漏极电流。
第一增益级由M1～M4和M15构成，M3、M4是有源负载。M1～M4 组成的源耦合对采用双端输出，其输出送至第二级差分放大器 的输入端(M5、M6)的栅极。设计有源负载M3、M4时，不仅要求 有较高的输出阻抗，而且要求其特性应严格匹配，以使M1、M2 中的电流相等。为了保证M3、M4有相同的开启电压，其源极的 电压(相对于衬底)必须相等。
(2)CMOS互补放大器
M1为NMOS管，M2为PMOS管，两管的衬底与它本身的 源短接，VBS＝0；另外，两管的栅短接，输入信号Vi同 时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电 流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。 在电路参数相同时，CMOS互补放大器的电压增益是固 定栅式CMOS放大器电压增益的两倍，而两者的输出电阻 相同；但固定栅式CMOS放大器的偏臵要求比较简单。
恒流源电路被广泛用于作偏臵电路和有源负载，其基 本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒 流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。 一、精密匹配电流镜 它能达到精密匹配，是由于 采用了以下几个措施： (1)增加了Q3射随器缓冲，改 善了IB引入的电流传输差； (2)利用R1=R2的负反馈，减小 △VBE(VBE1－VBE2)引入的电流差； (3)为抵消IB3的影响，在Q2的 集电极增加射随器Q4，利用Q4的 IB4抵消IB3，进一步提高Ir和Io的 对称性。
CMOS基准源的基本出发点是利用上述指数特性，产生 与绝对温度成正比的电压源(称为PTAT源)的正温度系数， 补偿双极型晶体管BE结压降的负温度系数，从而得到温 度系数较小的基准电压源。 1．PTAT源的工作原理
PTAT源中的M1、M3和M5组成第一组镜像恒流源，它 们的VGS均相等，但W/L不同；M2、M4组成第二组镜像恒 流源，并与第一组恒流源构成反馈式闭合环路。假定 M1～M5均工作于次开启区，它们的输出特性如图所示。 由图可见，当VDS>3Vt时，即处于饱和区。
2、共 集、共 射单元
3、复合PNP管 在双极模拟集成电路中有时要用到PNP管，但一般横 向PNP管的电流增益较小，在需要较大电流增益的PNP 管时，可用复合PNP管。它是由一个横向PNP管和NPN管 组合而成，I0为偏臵恒流源。
在电路版图中， 它需要两个独立 的隔离区。
二、MOS管放大级 1．MOS源跟随器
一、双极型三管能隙基准源
Vg0＝1.205V，是温度为0K时的 硅外推能隙电压；n为常数，其 值与晶体管的制作工艺有关。 在选定参考温度T0后，只 要适当设计R2/R3和J1/J2， 即可使在该温度下基准电压 的温度系数接近零。由于这 种温度系数为零的基准电压， 利用等效热电压Vt的正温度系数和 其值接近于材料的能隙电压 VBE的负温度系数相互补偿，可使输 V ，所以称为能隙基准源。 go 出基准电压的温度系数接近为零。
M11～Ml5为偏臵电路，提供 恒流偏臵，它使电路中各耗尽型 器件均工作在饱和区。M16偏臵 是两级放大电路的总电流(I1＋ I2)，由于此电路中各器件的电 压及电流仅决定于M16的电流及 各器件的几何尺寸，所以电路的 电源电压抑制比较高。
此电路的输出电压VREF≈VTE－VTD，通过 适当地控制离子注入工艺，可适当改变 VREF的值。 若要求基准电压能在较大范围内变化， 且有较精确的绝对值，可用图12.20所 示的电路，此时输出电压为
当需要较高的基准电压时，可在三管能隙基准源的输 出基准电压上再叠加VBE和增加电阻比值，以实现接近 5V的输出基准电压。
二、双极型二管能隙基准源 三管能隙基准源输出是Vg0整数倍的基准电压，若要求 输出电压不是Vg0的整数倍，可用二管能隙基准源。
改变R4/R5的比值，即可获得不同的 输出，而又不会影响获得零温度系数 的条件。适当选取R3的阻值，即可补 偿由于基极电流流经R4产生的影响。 采用这种电路可获得温漂小于0.0l％ /℃，电压精度高达0.1％,而输出不是 Vgo整数倍的基准电压。 在双极电路中，EB结压降是重要的 电参数，它随温度有明显的变化。能 隙基准源就是通过合理的电路设计， 设法补偿VBE随温度变化对输出电压的 影响，以获得接近零温度系数的基准 源。 在MOS电路中的重要电参数是MOSFET的开启电压，它也随温度 有明显的变化。我们同样可以通过合理的电路设计，来获得接 近零温度系数的基准电压源。
若将CMOS放大器的电压增益和输出电阻与E/E MOS放大器、E/D MOS放大器的电压增益和输出 电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下， gds比gm和gmb小一两个数量级，因而在相同的工 作电流条件下，CMOS放大器的电压增益远高于 E/E，E/D放大器，通常可达50～60dB，其输出 电阻也比E/E、E/D放大器的输出电阻高；而且 CMOS放大器有两种性能接近的互补管子，所以 可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点， 因此CMOS放大器被广泛地应用于MOS模拟大规模 集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面 积较大。