购买

¥ 30.0

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章――考研专业课科目

电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章――考研专业课科目.ppt

电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章――考研专业…

精品课件库
2019-06-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章――考研专业课科目ppt》,可适用于综合领域

集成电路原理与设计**王向展第六章MOS模拟集成电路§MOS模拟集成电路基础MOS模拟集成电路中的元件§MOS模拟IC子电路电流源与电流沉电流镜和电流放大器基准源MOS差分放大器反相放大器输出级§MOS集成运算放大器集成运放设计的边界条件和主要指标王向展集成电路原理与设计**王向展AnalogDesignOctagon王向展集成电路原理与设计**王向展§MOS模拟集成电路基础MOS模拟IC中的元件、MOS电容(P)铝–薄氧化层–n扩散区电容多晶硅–氧化层–重掺杂衬底间的电容铝–氧化层–多晶硅电容(寄生电容小)双层多晶硅电容(寄生电容小)、集成电阻器(P)硼扩电阻–高阻(R=可作K。)磷扩电阻–低阻(R=几十。)埋层电阻–低值电阻(R几十几百。)基区沟道电阻(R=K几十KM大电阻精度较差。)王向展集成电路原理与设计**王向展外延层体电阻(R=K几十K可承受高工作电压温度系数大。)离子注入电阻(R=K几十K高精度。)多晶硅电阻(R=十几。)薄膜电阻(NiCr、CrSiR=几百几K高精度、可激光修调。)、MOSFET与BJT相比MOS器件主要的缺点在于:参数离散性大跨导低失调电压较大。噪声大(热噪声闪烁噪声或称为f噪声)gmron热噪声。(KTR)SiSiO界面态影响闪烁噪声在低频时f噪声显著。如将沟道面积受界面态影响闪烁噪声。王向展集成电路原理与设计**王向展、JFET参数一致性差工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。沟道形成于体内不受表界面效应影响(低噪声)速度较快抗干扰能力强常用于微小电量取样电路。王向展集成电路原理与设计**王向展§MOS模拟IC单元电路复杂的模拟电路系统都是由若干基本单元组成的子电路构造而成。本章主要从模拟IC基本单元分析入手说明如何根据电路设计要求选取适当搭配方案最终实现设计目的。具体内容:通过对电流源差分放大器、电流镜、源跟随器等子电路单元分别分析讨论结构特性、特点最后以模拟运算放大器设计加以应用从而掌握基本的模拟电路设计方法。王向展集成电路原理与设计**王向展模拟集成运算放大器电路分层说明图模拟集成运放系统框架图王向展集成电路原理与设计**王向展FunctionalBlockDiagram王向展*集成电路原理与设计**王向展王向展集成电路原理与设计**王向展电流源与电流沉(CurrentSourceandSink)所谓电流源或电流沉是指一种在任何时间内其电流值和加在两端的电压无关的两端元件(恒流特性)。通常负端接VSS的称为电流沉(Sink)正端接VDD的则称为电流源(Source)。一般MOS器件做电流源沉时工作在饱和区。、基本的电流源、电流沉()电流源图基本的电流源结构与IV特性示意显然要使电流源正常工作应使T管工作在饱和区即:王向展集成电路原理与设计**王向展其输出电阻:()()()王向展*Vmin属于直流特性而Rout属于交流小信号特性。集成电路原理与设计**王向展()电流沉图基本的电流沉结构与VI特性示意同理电流沉正常工作T管应满足:()输出电阻:()王向展集成电路原理与设计**王向展基本的电流沉源的优点是结构简单但性能需加以改善:增加小信号输出电阻确保整个Vout范围内电流稳定。减小Vmin值使其在较宽的Vout范围内都能很好工作。、改进的电流沉源()接电阻增加输出电阻的技术()王向展*集成电路原理与设计**王向展而饱和区衬底跨导:()线性区:分析小信号模型等效电路由()、()得:()可见最终输出电阻增大为r的gmro倍。王向展*gmb除了式给出的推导方法外还可由IDS公式直接导出。集成电路原理与设计**王向展()实际电路在实际的集成电路设计中电阻r是由有源电阻实现的如图所示。王向展集成电路原理与设计**王向展电流镜和电流放大器(CurrentMirrorCurrentAmplifier)()、基本的电流镜(恒流源)王向展*基本电流镜Rout约几十KΩ~几百KΩ。集成电路原理与设计**王向展()若T、T的工艺参数相同且VDS=VDS则()其输出电阻:()王向展*集成电路原理与设计**王向展由式()可见:电流镜。可根据需要对Ir放大实现电流放大。且由于正常工作时T、T均处于饱和区恒流。但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况:沟道长度调制效应较显著时不能忽略(VDSVDS)由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两管之间Vth偏差。由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。王向展集成电路原理与设计**王向展、威尔逊电流镜–WilsonCurrentMirror通过电流负反馈提高输出电阻是一种改进型电流镜。VGSIout并趋于原稳定值即Iout受Vout影响减弱输出电阻提高。参考电流Ir恒定王向展*Wilson电流镜Rout约几十MΩ。集成电路原理与设计**王向展()在近似处理时应注意此电流镜正常工作时各管均处于饱和区gds远小于gmgmro>>。电路实际工作时要在输入端、输出端加一定电压才能工作。在T饱和的前提下为使Vi时Ir一定只有相应地使WL、WL增大。一般V(min)>Vth。另一方面要保证T饱和对输出端电压也有要求:王向展集成电路原理与设计**王向展由得()()王向展集成电路原理与设计**王向展、共栅共源电流镜–CascodeCurrentMirror(a)电路图(b)等效电路图共栅共源电流镜王向展*前面实际的五个管子的电流沉也可叫做Cascode电流沉。集成电路原理与设计**王向展IDSIout回复原值Rout提高。由交流小信号等效电路并结合Kirchhoff定律得如下方程组:()求解方程组可得:()王向展*与Wilson电流镜相比Cascode电流镜的Rout并未增加但是Cascode由四个对称MOS管实现其Vds要更易匹配些。集成电路原理与设计**王向展基准源(教材)理想得基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。“基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关可用缓冲放大器使其和负载隔开同时保持良好的性能。(a)电阻分压器(b)有源器件分压器图简单分压器、简单的电压分压器VREF对VDD的灵敏度:王向展*基准源电路主要用来产生模拟集成电路内部所需要的独立偏置电压。通常把主要是满足低阻抗条件而输出电平的稳定度并不很高的基准源称为电压源把高稳定度的基准源称为参考电压源。集成电路原理与设计**王向展、pn结基准电压源()简单的pn结基准源图简单的pn结基准源()其中:而:()则:()()王向展集成电路原理与设计**王向展一般I>>ISVREF受VDD的影响很小。若I=mAIS=A即当VDD变化VREF只变化。()改进的pn结基准源注意上式成立的条件为:IB很小(即很大)(RR)阻值要大。()图改进的pn结基准源王向展*(但此结构提供的VREF较低。如IS=AVDD=V则VREF=V。)集成电路原理与设计**王向展()以MOSFET代替BJT的基准源(a)基本结构(b)改进结构图以MOSFET代替BJT的基准源对于图(a)所示结构:()其灵敏度为()王向展集成电路原理与设计**王向展图(b)所示结构提供的基准电压如下灵敏度与(a)结构相似。()()齐纳Zenor二极管基准电压源图齐纳二极管基准源如图所示其中的二极管为重掺杂pn结工作于反向击穿状态其电源电压灵敏度:()王向展*假设:VDD=VVBV=Vrz=R=k则此基准电压源的灵敏度为。集成电路原理与设计**王向展、CMOS带隙基准源图CMOS带隙基准源此结构实现了一种较为精确的基准电压源。主要利用了MOSFET的亚阈区工作时电流的正温度系数特性与BJT的BE结导通电压VBE的负温度特性相互补偿达到恒定的基准电压输出。MOSFET亚阈区电流:()()自偏置又称PTAT源王向展*可见亚阈区电流为正温度系数。Why集成电路原理与设计**王向展和工作在强反型时一样亚阈区阈值电压VT的温度系数也为负的其亚阈区电流主要受VT的影响随温度的增加而增加即温度系数为正。BE结导通电压VBE与温度的关系:()根据半导体能带理论温度升高半导体内载流子具有的能量增加本征激发增强本征载流子浓度ni增大pn结接触电势差随之降低即BE结导通电压随温度升高而降低因此VBE是负温度系数。由图可得:()王向展*而BE结导通电压为负温度系数Why集成电路原理与设计**王向展以上式中:S–MOS管的宽长比WL。Vg–Si禁带宽度电压。VBEO–T=T时接成二极管形式的VBE值。n–亚阈值倾斜因子由实验数据提取获得。n´–与双极晶体管工艺有关一般为。ID–与工艺有关的参量受VSB、VT的影响。()又∵∴()王向展集成电路原理与设计**王向展得基准电压为VREF的温度系数:()令则()()王向展*如电路设计使各MOS管尺寸满足此条件即可实现基准源输出不受温度影响集成电路原理与设计**王向展图NMOS差分放大器MOS差分放大器(教材)差分结构的优点:①对“环境”噪声具有很强的抑制作用。②提高了电压摆幅(约一倍)。③偏置简单线性度高。、nMOS差分放大器()工作原理与小信号特性对于差分对结构T、T应是对称的即:=VT=VT。其差分输入信号:()偏置电流:()王向展集成电路原理与设计**王向展()如采用单端输出此放大器跨导为:(忽略高次项)()联立()、()可得可见单端输出时放大器跨导只有单管gm的一半。王向展集成电路原理与设计**王向展如采用差分双端输出其跨导为:()可见差分放大器双端输出时其跨导相当于单管gm。由T一侧支路的等效电路可得:()双端输出(b)单端输出(a)王向展集成电路原理与设计**王向展()差分放大器的输入失调电压VosVos包括三个因素T、T的K因子不对称T、T的VT不对称R、R不对称()其中:()王向展集成电路原理与设计**王向展()共模抑制比CMRR()与BJT相比MOSFET的gm较小ro较小所以AVD较小MOS差分放大器的CMRR<BJT差分放大器的CMRR。但MOS差分放大器高输入阻抗使其以较小的输入电流便可驱动优于BJT电路。☆由双极晶体管跨导:gm=ICVT可得:室温下IC=mA时gm=mS而对于MOS器件如Cox=Fcmn=cmV·s相同偏置电流下要得到此大小的跨导需要的宽长比:WL=gm(n·Cox·IDS)王向展集成电路原理与设计**王向展差分放大器的特点:放大差模信号、抑制共模信号。理想差分放大器的共模输入信号完全抵消。因此有利于消除输入端共模干扰信号如偶次谐波。应注意如采用单端输出跨导只有单管的一半增益低如后级电路为单端输入须加双单转换电路确保较高的增益。王向展集成电路原理与设计**王向展、CMOS差分放大器()NMOS输入的CMOS差分放大器M、M构成源耦合对做差分输入M、M构成电流镜作M、M的有源负载M、M构成电流镜提供恒流源M、M为偏置电路提供偏置。另外此电路还实现了差分输出信号的单端转换。王向展集成电路原理与设计**王向展由以上分析可以看出单端信号输出时Vout是以交流地为参考的。同时由于是差分输出此放大器跨导和电压增益分别为:()()(gm=gm=gm)王向展集成电路原理与设计**王向展()pMOS输入的CMOS差分放大器pMOS输入的差分放大器工作原理与nMOS输入的相似但应注意的是两种电路形式的性能与工艺选择有很大的关系。王向展*思考:对于n型衬底P阱工艺应采用NMOS输入还是PMOS输入?如果是p型衬底N阱工艺呢?集成电路原理与设计**王向展图有源电阻反相器及其等效电路反相放大器、有源电阻反相放大器()小信号电压增益及输出电阻()()王向展集成电路原理与设计**王向展()小信号频率响应()根据小信号模型可得此放大器表征频率响应的传输函数:王向展集成电路原理与设计**王向展其中:s为复频率变量此放大器的拐点频率或称为主极点频率:()比较()、()可得:欲使AV应有gm放大器带宽变窄可见其增益与带宽相互制约此结构多用于要求带宽较宽增益不高的场合。王向展集成电路原理与设计**王向展、电流源负载反相放大器由于有源电阻反相放大器输出电阻较小增益较低采用电流源作负载可增大输出电阻进而提高增益。()小信号电压增益及输出电阻()王向展集成电路原理与设计**王向展()由此可得:IDAV即控制直流偏置电流可调节小信号增益。此结构输出电阻Rout比有源电阻反相放大器的大(可知其带宽较窄)。()小信号频率响应类似于有源电阻反相器情况:由于一般gds<gm所以其带宽比有源电阻作负载的窄。()王向展集成电路原理与设计**王向展()电流沉负载反相放大器电流沉负载反相放大器工作原理及特性与电流源作负载的情况相似。电流源沉作负载的反相放大器缺点是需加一个直流偏置VGG。图电流沉负载反相放大器、推挽CMOS反相放大器图推挽CMOS反相放大器与小信号等效电路王向展*电流沉负载反相放大器工作原理及特性与电流源作负载的情况相似。电流源沉作负载的反相放大器缺点是需加一个直流偏置VGG。集成电路原理与设计**王向展根据小信号电路可推导出放大器的主要特性参数()采用同样尺寸的晶体管推挽反相放大器增益较高因为两个管子都为Vin所驱动且随ID增益其输出摆幅:VDDVSS。王向展集成电路原理与设计**王向展输出级()放大器输出级的基本作用是电流变换大部分输出级应具有高电流增益低电压增益。由于通常输出端驱动的负载多为小电阻或大电容需要较大的输出电流应使输出级Rout小一些。对输出级总的要求:王向展集成电路原理与设计**王向展、甲类电流源沉偏置的输出级其电路结构与工作原理与前面所述的电流源沉负载反相放大器相同此类结构的效率:如VDD=VSS则甲类放大器的效率最大为。()、共漏输出放大器(源极跟随器)电流增益大电压增益<输出阻抗低带宽较宽但M的源为输出节点有体效应VT最大输出电压<VDD。效率与甲类放大器一样。由于其固有的负反馈特性失真比甲类放大器小。王向展集成电路原理与设计**王向展小信号电压增益:其中–体跨导因子(<<<),所以源跟随器小信号增益略小于。()王向展集成电路原理与设计**王向展频率响应由得传输函数:其复平面上的主极点:主极点频率:()()()()王向展集成电路原理与设计**王向展其中:C由源跟随器输入到输出间的电容组成(Cgs)C由源跟随器输出到地之间的电容(CgdCbdCbsCL)输出电阻、互补推挽输出级–可工作于乙类甲乙类效率得以提高乙类。()简单的CMOS推挽输出结构及原理同CMOS推挽反相放大器(见图)作为输出级其特点如下:()王向展集成电路原理与设计**王向展优点:增益提高输出摆幅大VDDVSS。乙类放大效率较高。缺点:输出电阻大带宽较窄工作在高增益区(甲乙类应用)时静态电流较大效率降低。王向展集成电路原理与设计**王向展()改进型CMOS推挽输出王向展集成电路原理与设计**王向展如图(a)所示在p、n管栅极与Vin之间分别接入适当值的电压VTR可使电路的性能得到改善。其实用电路如图(b)分析工作过程如下:Vin增加M电流增加通过M、M镜像到M使其电流增大同时M电流减小(若工作于乙类则关断)镜像到M的电流减小(或关断)负载电流主要通过M即M为负载电流的沉。Vin减小则情况相反。具体电路工作在甲乙类还是乙类状态由VGG、VGG决定。王向展集成电路原理与设计**王向展()甲乙类乙类源跟随放大器工作过程与推挽反相放大器类似。输出幅度受限:王向展*电路原理图结构如图(a)所示注意M为PMOSM为NMOS。图(b)为其实际电路调整M的栅偏VGG和M、M器件尺寸实现M、M的VTR偏置使其工作于甲乙类或乙类。工作过程与推挽反相放大器类似。集成电路原理与设计**王向展§CMOS集成运算放大器集成运放设计的边界条件和主要指标、边界条件工艺要求(VT、K、COX)电源电压和范围电源电流和范围工作温度和范围、主要技术指标直流开环增益AV单位增益带宽GB建立时间(SettlingTime)转换速率(SlewRate)王向展*建立时间–当一个小信号激励运放时输出达到最终值(预定的精度内)所需的时间。这是一种小信号特性在模拟抽样数据电路中尤为重要。转换速率–输出端电压变换速率的极限一般取决于前一级所能提供的充放电电流能力决定是一种大信号现象。集成电路原理与设计**王向展共模输入范围CMR(CommonModeInputRange)共模抑制比CMRR(=|Avd||Avc|)电源抑制比PSRR输出电压摆幅输出电阻输入失调电压噪声版图面积王向展*共模输入范围–输入信号允许变化的电压范围一般约比VDD低几伏比VSS高几伏。集成电路原理与设计**王向展运放瞬态响应曲线示意图王向展集成电路原理与设计**王向展a小信号瞬态响应曲线b大信号瞬态响应曲线c建立时间曲线AD瞬态响应曲线王向展集成电路原理与设计**王向展AD共模输入范围输出结果参考图ADCMRR频率曲线王向展集成电路原理与设计**王向展ADPSRR频率曲线ADPSRR温度曲线王向展集成电路原理与设计**王向展AD幅频、相频曲线图多少个极点?王向展集成电路原理与设计**王向展、运放反馈系统的稳定性及其补偿()反馈系统稳定性要求运放实际应用时通常是通过反馈系统构成如图所示的闭环回路工作其闭环增益:L(s)=A(s)·F(s)式中:A(s)–运放开环电压增益。F(s)–输出通过反馈回到输入的传输函数(TransferFunction)。王向展集成电路原理与设计**王向展通过反馈回到输入端的信号应满足一定的幅值和相位条件使信号不会在环路内产生再生现象否则可能使放大器输出箝位在某一电源电位上(直流再生)或产生振荡(在某一交流频率下再生)。为保证系统稳定应有()或()其中o、dB分别由下列式子确定:王向展集成电路原理与设计**王向展而ArgL(jdB)称为相位裕度即开环相频特性曲线上与幅频特性曲线的单位增益带宽频率处对应的相位值一般至少取多数情况取。若满足条件①(式)或②(式),则该系统被认为是稳定的。波特图–根据系统零点和极点的大小来表示一个复变函数的幅值和相位的渐近特性。作图时应注意如下规则:()在每个零点频率处幅值曲线的斜率按dBdec变化而在极点频率处其斜率按dBdec变化。()对一个m的极点(零点)频率相位约在m的地方开始下降(上升)在m处经历()的变化在约m处达到()的变化。王向展集成电路原理与设计**王向展(a)高通(b)低通图波特图王向展集成电路原理与设计**王向展()运放的频率补偿Miller电容补偿技术王向展集成电路原理与设计**王向展由两级运放的二阶小信号等效电路传输函数得两个极点典型情况下两者极点频率较高且离得很近必须进行补偿将其拉开。频率补偿方法之一是引入Miller电容补偿即在两级的输出之间接一电容此时两级运放的小信号等效电路如图所示。王向展集成电路原理与设计**王向展图两极点两级运放的幅频相频曲线王向展集成电路原理与设计**王向展图加Miller电容补偿后的等效电路图Miller化简法变换图王向展集成电路原理与设计**王向展利用Miller化简法(图)对图进行变换得如下等效电路。由图得:()王向展集成电路原理与设计**王向展从而得到其传输函数:()通常CII>>CICC>CI经化简处理得:王向展集成电路原理与设计**王向展可见补偿的结果使P、P两极点发生分裂即PP但同时在复平面右半边产生了一个RHP(RightHalfPlane)零点Z它的存在将导致相移增大幅值增高。通常为了保证系统的稳定性一般取Z>GB若取相位裕度为则P>GB若取相位裕度为则P>GB由此可得出应选取的补偿电容CC值。图频率补偿后的极点分裂示意图王向展*零点处于正实轴上将产生负的相移集成电路原理与设计**王向展图极点分裂前后运放幅频相频变化王向展集成电路原理与设计**王向展()消除零点的Miller补偿技术(a)消除CC向前耦合的方案王向展*单向耦合集成电路原理与设计**王向展其传输函数:零点被消除补偿后的极点为:()王向展集成电路原理与设计**王向展(b)消除RHP零点的RC补偿王向展集成电路原理与设计**王向展根据节点方程列出传输函数并求解得:王向展集成电路原理与设计**王向展调整RZ可以控制零点位置一种消除零点的方案即:还可以通过极、零点抵消同时消除零点和一个极点令:求得:王向展集成电路原理与设计**王向展小结、模拟IC子单元电路结构工作原理和主要特性。、几种电流镜电路结构、工作原理和特点比较。、熟练运用小信号等效电路对几种放大组态特性分析(gm、AV、Rout、VIO等)。、CMOSOPAMP的主要技术指标及含义。、频率补偿与波特图。王向展**Vmin属于直流特性而Rout属于交流小信号特性。**gmb除了式给出的推导方法外还可由IDS公式直接导出。*基本电流镜Rout约几十KΩ~几百KΩ。**Wilson电流镜Rout约几十MΩ。*前面实际的五个管子的电流沉也可叫做Cascode电流沉。*与Wilson电流镜相比Cascode电流镜的Rout并未增加但是Cascode由四个对称MOS管实现其Vds要更易匹配些。*基准源电路主要用来产生模拟集成电路内部所需要的独立偏置电压。通常把主要是满足低阻抗条件而输出电平的稳定度并不很高的基准源称为电压源把高稳定度的基准源称为参考电压源。*(但此结构提供的VREF较低。如IS=AVDD=V则VREF=V。)*假设:VDD=VVBV=Vrz=R=k则此基准电压源的灵敏度为。*可见亚阈区电流为正温度系数。Why*而BE结导通电压为负温度系数Why*如电路设计使各MOS管尺寸满足此条件即可实现基准源输出不受温度影响*思考:对于n型衬底P阱工艺应采用NMOS输入还是PMOS输入?如果是p型衬底N阱工艺呢?*电流沉负载反相放大器工作原理及特性与电流源作负载的情况相似。电流源沉作负载的反相放大器缺点是需加一个直流偏置VGG。*电路原理图结构如图(a)所示注意M为PMOSM为NMOS。图(b)为其实际电路调整M的栅偏VGG和M、M器件尺寸实现M、M的VTR偏置使其工作于甲乙类或乙类。工作过程与推挽反相放大器类似。*建立时间–当一个小信号激励运放时输出达到最终值(预定的精度内)所需的时间。这是一种小信号特性在模拟抽样数据电路中尤为重要。转换速率–输出端电压变换速率的极限一般取决于前一级所能提供的充放电电流能力决定是一种大信号现象。*共模输入范围–输入信号允许变化的电压范围一般约比VDD低几伏比VSS高几伏。*零点处于正实轴上将产生负的相移*单向耦合

VIP尊享8折文档

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/82

电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章――考研专业课科目

¥30.0

会员价¥24.0

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利