模擬集成電路中常用的單元電路

第八章模擬集成電路中

常用單元電路

§8-1恒流源電路

恒流源電路的基本工作原理是基于一定的參考電流，提供一個(gè)與參考電流成一定比例關(guān)系的恒定電流。恒流源電路是模擬集成電路中非常重要、廣泛應(yīng)用的單元電路之一。由于它能提供恒定的工作電流和很高的動(dòng)態(tài)電阻，常常用于提供穩(wěn)定的偏置電流和放大器的負(fù)載電阻，以便獲得穩(wěn)定的電路性能和大的增益。

思考題

1.恒流源單元電路有哪些種類(lèi)？各自的特點(diǎn)有哪些？

2.

恒流源作為有源負(fù)載有哪些特點(diǎn)？

3.設(shè)計(jì)恒流源時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？8.1.1npn恒流源電路

1.基本型電流鏡恒流源設(shè)T1和T2完全相同則：Ib1/Ib2=Ic1/

Ic2因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2=Io+

2Ib2=Io(+2)/VRrIrIoT1T2Ib1Ib2因?yàn)椋?/p>

>>1所以：IrIo8.1.1npn恒流源電路

2.面積比恒流源設(shè)T1和T2發(fā)射結(jié)面積為AE1和AE2

則：Ib1/Ib2=Ic1/

Io=

AE1/AE2

因?yàn)椋篒r=Ic1+

Ib1+Ib2則:Ir=Io(AE1/AE2+AE1/AE2+1)/因?yàn)椋?/p>

>>1，AE1/AE2值較小所以：IrIoAE1/AE2即：

Io/

Ir=AE2/AE1VRrIrIoT1T2Ib1Ib28.1.1npn恒流源電路

3.電阻比恒流源Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R1R2

IE1R1

+VBE1=IE2R2

+VBE2

則：IE1R1

=IE2R2

+VBE2

-

VBE1IE1R1

IE2R2因此：Ir=IE1+IE2/(+1)=IE2[R2/R1+1/(+1)]所以:IrIoR2/R1

即:Io/Ir=R1/R28.1.1npn恒流源電路

4.小電流恒流源Ib1Ib2VRrIrIoT1T2R2

VBE1=IE2R2

+VBE2

則：IE2R2

=VBE1

–

VBE2

=VTln(IE1/IE2)因此近似有：

Io≈(VT/R2

)ln(Ir/Io)

根據(jù)已知的Ir

和需要的Io，就可以求出要設(shè)計(jì)的R2。其中：

VT=KT/q(熱電壓)

8.1.1npn恒流源電路

5.多支路恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1設(shè)晶體管均相同，則：

Ir=Ic1+(1+N)Ib

=Io+(1+N)Io/即：Io/

Ir=/[

+(1+N)]

可見(jiàn)，支路數(shù)增加，會(huì)使Io與

Ir的差值增大。

8.1.1npn恒流源電路

6.帶有緩沖級(jí)的恒流源VRrIrIo1T1T2Io2T3IoNTN+1V’T0設(shè)晶體管均相同，則：

Ir=Ic1+Ib0

=Io+IE0/(+1)而：IE0=(1+N)Io/

可見(jiàn)，Io與

Ir的差值明顯減小。

則：IoIr

=2+2++N+18.1.1npn恒流源電路

7.具有補(bǔ)償作用的恒流源VRrIrIoT1T2T3IbIb2IbIb3Ie3Ic1Ic2設(shè)晶體管均相同,則：IoIr

=2+

22+2+2

這種電流源不僅使Io與

Ir的差值非常小，而且還具有負(fù)反饋補(bǔ)償特性，更有利于工作點(diǎn)的穩(wěn)定。補(bǔ)償過(guò)程:

當(dāng)由于某種原因使Io增大，則Ie3Ic2Ic1。而Ir=Ic1+Ib3不變，則Ic1Ib3Io。8.1.1npn恒流源電路

8.版圖舉例IrIoGNDGNDIrIoGNDIrIoIrIo8.1.2pnp恒流源電路

1.概述

在雙極型模擬集成電路中，經(jīng)常是npn管和pnp管互補(bǔ)應(yīng)用，因此pnp恒流源同樣得到廣泛的應(yīng)用。

pnp恒流源電路形式與npn恒流源相同，只是改變電源的接法和電流方向。值得注意的是PNP恒流源一般是由橫向PNP管組成，而橫向PNP管的增益（）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NPN管的增益（），因此，PNP恒流源中Io與

Ir的近似程度較大。8.1.2pnp恒流源電路

2.單元電路圖舉例IrIo1T1T2RrT3VDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDIrIo1T1T2RrVDDIrIo1T1T2RrIo2T3VDDVDDVDD8.1.2pnp恒流源電路

3.單元版圖舉例8.1.3MOS型恒流源電路

1.基本電流鏡恒流源M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc

只要使MOS管都工作在飽和區(qū)(忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制），由：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2Ir:Io1:Io2=::WL)1(WL)2(WL)3(得：

Ir一定，Io與輸出端電壓無(wú)關(guān)。如溝道長(zhǎng)度取一定值，則取決于溝道寬度之比。8.1.3MOS型恒流源電路

1.基本電流鏡恒流源（續(xù)1）M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc

若考慮溝道調(diào)制效應(yīng)，MOS管工作在飽和區(qū)電流公式為：nCox2IDS=WL(VGS-VT)2(1+VDS)其中溝道調(diào)制系數(shù)：=L1XdVDS

因此，輸出電壓對(duì)輸出電流產(chǎn)生一定的影響。為減小這一影響，溝道長(zhǎng)度應(yīng)選大一些。8.1.3MOS型恒流源電路

1.基本電流鏡恒流源（續(xù)2）電流源輸出電阻(MOS管飽和導(dǎo)通電阻)：

因此，溝道長(zhǎng)度選大一些，還有利于提高輸出電阻。另外，小電流工作時(shí)輸出阻抗更高。（

）LIdsXdVDSrds==

IDS1-1M1M2IrIo1Io2M3M1M2IrIo1Io2M3Vcc8.1.3MOS型恒流源電路

2.級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的恒流源M1M2IrIoM4M3M1M2IrIoM4M3VCC

由于M4屏蔽了輸出電壓的變化對(duì)M2的作用，使輸出電流不受輸出電壓的影響，減小了溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，同時(shí)也大幅度提高了輸出阻抗。

其缺點(diǎn)是為了使晶體管都工作在飽和區(qū)，輸出電壓變化范圍減小了。8.1.3MOS型恒流源電路

3.Wilson(威爾遜）恒流源M1M2IrIoM3M1M2IrIoM3Vcc

該電流源的輸出阻抗較高（與級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相似）。該電流源具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，使Io

的變化能得到補(bǔ)償，提高了輸出電流的穩(wěn)定性。增加M3的W/L可以增強(qiáng)對(duì)輸出電流變化的調(diào)節(jié)能力。8.1.3MOS型恒流源電路

4.改進(jìn)的Wilson(威爾遜）恒流源M1M2IrIoM3M4M1M2IrIoM3M4Vcc

該電流源是在Wilson恒流源基礎(chǔ)上增加了M4，使得M1和M2的漏端電壓相近，Io的誤差更小。8.1.4恒流源作有源負(fù)載

1.雙極型電路舉例放大器件RrIrIoT1T2R2T3VccViVo放大器件IrT1T2RrT2ViVccIoVo8.1.4恒流源作有源負(fù)載

2.CMOS電路舉例M1M2IrIo1VccViVoM3M4M1M2IrIo1VccViVoRr放大器件放大器件8.1.4恒流源作有源負(fù)載

3.特點(diǎn)VceIc0Ib1Ib2Ib3Ib4IdsVdsVgs4Vgs3Vgs2Vgs1a)

有較大的交流電阻（動(dòng)態(tài)電阻），有利于提高放大電路的增益;K=gmⅹrdsVceIcrce=VdsIdsrds=b)有較小的直流電阻（靜態(tài)電阻），不需要提高電源電壓來(lái)維持一定的工作電流;VceIcRce=VdsIdsRds=8.1.4恒流源作有源負(fù)載

3.特點(diǎn)VceIc0Ib1Ib2Ib3Ib4IdsVdsVgs4Vgs3Vgs2Vgs1c)電源電壓變化范圍寬，只要確保負(fù)載管處于放大區(qū)，輸出電壓的變化與工作電流幾乎無(wú)關(guān)。d)

面積小，易制作。e)

基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）影響交流電阻。Vce+VAIcrce=（

）LIdsXdVDSrds==

IDS1-1§8-2基準(zhǔn)電壓源電路

基準(zhǔn)電壓源是利用二極管的正向壓降、齊納二極管的擊穿電壓和熱電壓具有一定的固定值的特性，以及它們具有正的或負(fù)的溫度系數(shù)可以相互補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的。一般采用恒流源作偏置電流進(jìn)一步穩(wěn)定工作點(diǎn)。

基準(zhǔn)電壓源電路是模擬集成電路中非常重要、廣泛應(yīng)用的單元電路之一。其作用是提供穩(wěn)定的偏置電壓或作基準(zhǔn)電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定、內(nèi)阻小、對(duì)電源電壓和溫度不敏感。

思考題

1.

基準(zhǔn)電壓源的作用是什么？

2.

基準(zhǔn)電壓源有哪些類(lèi)型？各自的特點(diǎn)是什么？8.2.1正向二極管基準(zhǔn)源

1.基本原理及特點(diǎn)ViVrefN個(gè)RVref=NVF

一般用NPN管BC短接的BE結(jié)二極管。

溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)）和內(nèi)阻Rr都很大，與串聯(lián)個(gè)數(shù)成正比。

輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化：Vref=ViRr/(R+Rr)可采用恒流源供電，穩(wěn)定輸出。8.2.1正向二極管基準(zhǔn)源

2.電路及版圖VrefGNDVDDViVrefViVref8.2.2齊納二極管基準(zhǔn)源

1.基本原理及特點(diǎn)

一般用NPN管BC短接的BE結(jié)反向二極管。

正溫度系數(shù)和內(nèi)阻Rr都很大。

BE結(jié)面擊穿有先有后，隨著溫度增加擊穿電壓也增加。

輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化:Vref

=ViRr/(R+Rr)可采用恒流源供電穩(wěn)定輸出?？刹捎秒[埋齊納二極管。Vref=VRViVrefRVR8.2.2齊納二極管基準(zhǔn)源

2.電路及版圖ViVrefViVrefGNDVrefVDD8.2.3具有溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)源

1.基本原理及特點(diǎn)

一般用NPN管BC短接的BE結(jié)二極管（一正一反）。

溫度系數(shù)接近于零。內(nèi)阻Rr較大。Vref=ViRr/(R+Rr)

輸入電壓的變化將引起輸出電壓的變化?？刹捎煤懔髟垂╇姺€(wěn)定輸出。Vref=VF+VRViVrefRVFVR8.2.3具有溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)源

2.電路及版圖ViVrefViVrefGNDVrefVDD8.2.4雙極型能隙基準(zhǔn)源1

電路及原理VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2VrefT

=T0VT

R3R2

ln()+I2

I1

VBET

Vref=VBE+I2R2I2=(小電流源）R3VT

ln()I2

I1

Vref=VBE+VTR3R2

ln()I2

I1

則：8.2.4雙極型能隙基準(zhǔn)源1

電路及原理（續(xù)1）VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2VBET

=T01

(VBE-

Vg0)又：推導(dǎo)見(jiàn)后頁(yè)Vg0=Eg0/q(帶隙電壓)其中：再令：VrefT

=0VrefT

=T0VT

R3R2

ln()+I2

I1

VBET

Vg0=VBE+VT

R3R2

I2

I1

ln()則：8.2.4雙極型能隙基準(zhǔn)源1

電路及原理（續(xù)2）VR1I1T1T2T3VrefR2R3I2

只要適當(dāng)選取R2/R3和I1/I2，就能使Vref溫度系數(shù)為零，且此時(shí)的Vref值為帶隙電壓Vg0。

溫度系數(shù)可調(diào)為零的根本原因是VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，而VT具有正溫度系數(shù)。Vref=VBE+VTR3R2

ln()I2

I1

Vg0=VBE+VT

R3R2

I2

I1

ln()8.2.5雙極型能隙基準(zhǔn)源2

P244電路及原理T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2Vref=VBE+(I1+I2)R2I2=(小電流源）R1VT

ln()I2

I1

I1

Vref=VBE+(1+)VTI2

R1R2

ln()I2

I1

VrefT

=(1+)T0VT

R1R2

ln()+I2

I1

VBET

I2

I1

Io=(VT/R2

)ln(Ir/Io)8.2.5雙極型能隙基準(zhǔn)源2

電路及原理（續(xù)1）T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2VBET

=T01

(VBE-

Vg0)又：Vg0=Eg0/q(帶隙電壓)其中：再令：VrefT

=0VrefT

=(1+)T0VT

R1R2

ln()+I2

I1

VBET

I2

I1

Vg0=VBE+(1+)VT

R1R2

I2

I1

ln()I2

I1

8.2.5雙極型能隙基準(zhǔn)源2

電路及原理（續(xù)2）T1T2R1I2T3T4R2VrefVCCI1V2

只要適當(dāng)選取R2/R1和I1/I2，就能使Vref溫度系數(shù)為零，且此時(shí)的Vref值為帶隙電壓Vg0。

I1/I2還需通過(guò)調(diào)整T3和T4

管的面積比(AE3/AE4)來(lái)實(shí)現(xiàn)。I1

Vref=VBE+(1+)VTI2

R1R2

ln()I2

I1

Vg0=VBE+(1+)VT

R1R2

I2

I1

ln()I2

I1

8.2.6MOS型能隙基準(zhǔn)源

面對(duì)當(dāng)今低電壓大規(guī)模集成的需要，低電壓低功耗帶隙基準(zhǔn)源是目前研究的一個(gè)主要發(fā)展方向。

目前在N阱CMOS工藝下設(shè)計(jì)CMOS型帶隙基準(zhǔn)源多數(shù)都要利用“寄生PNP管”和MOS管的次開(kāi)啟特性。實(shí)質(zhì)上仍是利用VBE和VT的溫度特性。8.2.6MOS型基準(zhǔn)源

電路及原理M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I4MOS管工作于次開(kāi)啟時(shí)：IDS()ID0eVGB/mVT

eVSB/VTWL設(shè)M1、M2工作于次開(kāi)啟，令=W/L，則有：12e(VSB1-VSB2)/VT=12eVR1/VT

=34Io=(5/4)(VR1/R1)VR1=VTln3241Io≈(VT/R2

)ln(Ir/Io)8.2.6MOS型基準(zhǔn)源

電路及原理（續(xù)1）Io=ln5VT4R13241Vref

=VBE+IoR2

由于VT具有正的溫度系數(shù)，VBE具有負(fù)的溫度系數(shù)。因而，只要適當(dāng)調(diào)整各MOS管的W/L值及電阻值，即可得到零溫度系數(shù)的參考電壓，且其值恰為帶隙電壓。M1M2IoM3VCCVrefR1R2M4M5VR1I3I1I2I48.2.6MOS型基準(zhǔn)源

PNP晶體管P-subN-WellP+P+P+N+N+P-subN-WellP+P+N+N+P+§8-3差分放大器

差分放大器又稱(chēng)為差動(dòng)放大器，是模擬集成電路中的最常用的單元電路之一。

思考題

1.

差分放大器的優(yōu)點(diǎn)是什么？

2.改進(jìn)差分放大器特性的措施有哪些？8.3.1雙極型差分放大器

1.小信號(hào)特性（1）輸入差模信號(hào)Ri1d=rbb+(1+)rereRid2reRo1d=Rc//rceRcRod2RcKv1d

=

==-=-o1dido1d2i1dro1d2ri1dRc2reKvd

=

==-

odid2o1d2i1dRcre8.3.1雙極型差分放大器

1.小信號(hào)特性（2）輸入共模信號(hào)Ri1c=rbb+(1+)(re+2RE)

(1+)(re+2RE)

Ric(1+)(re+2RE)/2Ro1c=Rc//rceRcRod2Rco1co1cKv1c

=

=

-

ici1cRc(1+)(re+2RE)Kvc

=

=0ocicIb共模單管的電壓增益8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

實(shí)際上的差分放大器不可能完全對(duì)稱(chēng)，具體表現(xiàn)為：

a)共模輸入電壓增益不為零，用共模抑制比表示；

b)零輸入時(shí)輸出不為零，用失調(diào)表示。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（1）共模抑制比

差模信號(hào)電壓增益與共模信號(hào)電壓增益之比定義為共模抑制比，記為：KCMRR=KvdKvc或：KCMRR=20lgKvdKvc(dB)VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（1）共模抑制比（續(xù)）Kc-2RERc22RERcRc++re不對(duì)稱(chēng)時(shí)：Kc=

Kvc2-Kvc1

因此有：KCMRR=2REre22RERcRc++re-1當(dāng)電路完全對(duì)稱(chēng)時(shí)：KCMRRVccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

（2）失調(diào)電壓失調(diào)電壓及其溫漂

當(dāng)差分放大器的輸入信號(hào)為零時(shí)，由于電路的不對(duì)稱(chēng)，輸出電壓并不為零。要使輸出電壓為零，在輸入端所必須加的一個(gè)補(bǔ)償電壓（內(nèi)阻Rs=0）稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓，記為VOS。也就是為保持輸出電壓為零，T1、T2管基射極偏置電壓應(yīng)有的差值。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE

2.不對(duì)稱(chēng)性失調(diào)電壓引起輸入失調(diào)電壓的因素：1，電流增益不對(duì)稱(chēng)；2，發(fā)射極反向飽和電流不對(duì)稱(chēng)；3，集電極負(fù)載電阻不對(duì)稱(chēng)；4，BE結(jié)正向電壓不對(duì)稱(chēng)。8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（2）失調(diào)電壓及其溫漂（續(xù)）

若忽略輸入回路中基區(qū)、發(fā)射區(qū)的歐姆電阻，VOS可表示為：

VOS=(VBE1-VBE2)|Vod=0VOS

VT++2RCRCIESIESVccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（2）失調(diào)電壓及其溫（續(xù)）VOST

固定的失調(diào)電壓可以設(shè)法用調(diào)零裝置預(yù)先調(diào)零。然而，當(dāng)溫度變化時(shí)，失調(diào)也隨之變化，通常難以追隨。單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電壓的變化稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓溫漂，記為：VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（2）失調(diào)電壓及其溫漂（續(xù)）襯底溫度均勻時(shí)有：VOSTVOST

如果襯底溫度不均勻，環(huán)境溫度變化時(shí)，電路兩邊的溫度變化也不一致，將引進(jìn)附加的溫漂，影響較大。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（3）失調(diào)電流及其溫漂

當(dāng)差分放大器的輸入信號(hào)為零時(shí)，由于電路的不對(duì)稱(chēng)，輸出電壓并不為零。要使輸出電壓為零，在輸入端所必須加的一個(gè)補(bǔ)償電流（內(nèi)阻Rs=）稱(chēng)為輸入失調(diào)電流，記為IOS。也就是為保持輸出電壓為零，T1、T2管基極偏置電流應(yīng)有的差值。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（3）失調(diào)電流及其溫漂（續(xù)）IOS可表示為：

IOS=(IB1-IB2)|Vod=0IOS

IiB+RCRC

其中IiB將為輸入偏置電流，通常取兩輸入端電流的平均值。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

2.不對(duì)稱(chēng)性

（3）失調(diào)電流及其溫漂（續(xù)）IOST

單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電流的變化稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓溫漂，記為：

為了直觀起見(jiàn)，忽略電阻的不對(duì)稱(chēng)性，即RC

=0，則：IOSIOST=-TVccRC1T2T1RC2o1o2i1i2RE8.3.1雙極型差分放大器

3.電路改善措施a)用恒流源代替射極耦合電阻RE

既增大了等效電阻，改善了共模抑制比，又穩(wěn)定了工作電流。

(單純?cè)黾幼柚担瑢⒂绊懝ぷ麟娏?。VccRC1T2T1RC2o1o2i1i2T4IrIeT38.3.1雙極型差分放大器

3.電路改善措施b)采用有源負(fù)載代替集電極負(fù)載電阻RC

有較高的動(dòng)態(tài)輸出阻抗，提高增益和共模抑制比；而又具有較低的直流電阻，不需要提高工作電壓即可維持正常工作電流。T2T1o2i1i2T3T4VCCIeT5T6IrT4o18.3.1雙極型差分放大器

3.電路改善措施c)改善差分輸入管特性

采用高增益晶體管、達(dá)林頓管、互補(bǔ)復(fù)合管、MOS管等，提高增益，提高輸入阻抗。T2T1o2i1i2T3T4VCCIeT5T6IrT4o18.3.1雙極型差分放大器

4.單端化結(jié)構(gòu)T2T1oi1i2T3T4VCCT5IeT6IrI3I2I1Io當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)：I1=-

I2T3、T4組成鏡像電流源，使：I3=

I1因此：Io=

I3-

I2

=

I1-

I2=

-

2I2

當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，同理可得Io=0。

可見(jiàn)，與雙端輸出信號(hào)相同。8.3.2MOS型差分放大器

1.E/ENMOS結(jié)構(gòu)VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M78.3.2MOS型差分放大器

2.E/DNMOS結(jié)構(gòu)VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M78.3.2MOS型差分放大器

3.NMOS管作為輸入管的CMOS結(jié)構(gòu)1VccVi1Vi2Vo1Vo2M1M2M3M4M5IsM6M78.3.2MOS型差分放大器

4.NMOS管作為輸入管的CMOS結(jié)構(gòu)2VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M78.3.2MOS型差分放大器

5.PMOS管作為輸入管的CMOS結(jié)構(gòu)1VccVi1Vi2Vo2M1M2M3M4M5IsM6M7Vo18.3.2MOS型差分放大器

6.PMOS管作為輸入管的CMOS結(jié)構(gòu)2VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M78.3.3集成差分放大器的特點(diǎn)

影響差分放大器性能的關(guān)鍵因素就是不對(duì)稱(chēng)性，包括電阻、晶體管等器件參數(shù)的差異，由此引起放大器的輸入失調(diào)及其溫漂。而集成電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是相關(guān)器件的匹配性能好，原因是所有器件都在同一芯片中，可以做到工藝離散性小，環(huán)境差異小。因而集成差分放大器的對(duì)稱(chēng)性好。§8-4模擬開(kāi)關(guān)電路

模擬開(kāi)關(guān)在模擬集成電路中應(yīng)用很廣，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、取樣保持電路、電容開(kāi)關(guān)濾波器、多路開(kāi)關(guān)電路等。

思考題

1.

模擬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是什么？

2.模擬開(kāi)關(guān)有哪些種類(lèi)？

3.什么叫“電容饋通效應(yīng)”？？8.4.1模擬開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)

模擬開(kāi)關(guān)是用來(lái)控制模擬信號(hào)傳輸?shù)囊环N電子開(kāi)關(guān)，其本身是由數(shù)字信號(hào)控制而呈現(xiàn)“接通”或“斷開(kāi)”兩種狀態(tài)，以使信號(hào)“通過(guò)”或“阻斷”。通常要求其導(dǎo)通電阻小、截止電阻大、速度快、精度高、穩(wěn)定性好。這種電子開(kāi)關(guān)比機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)壽命長(zhǎng)、速度快、使用方便。8.4.2模擬開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

組成模擬開(kāi)關(guān)的器件可以是雙極晶體管或MOS管。

根據(jù)開(kāi)關(guān)接換的對(duì)象是電流還是電壓，可以把模擬開(kāi)關(guān)分為電流開(kāi)關(guān)型和電壓開(kāi)關(guān)型。在電流開(kāi)關(guān)中，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流總是和被接換的電流相等；在電壓開(kāi)關(guān)中，輸出的電壓總是和被接換的電壓有關(guān)。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

1.基本型電流開(kāi)關(guān)VrefRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）V-AV控RfD2D1TicVA

當(dāng)V控為低電平時(shí)，D2截止，則經(jīng)T管及網(wǎng)絡(luò)電阻RE的電流ic由下一級(jí)電路通過(guò)Rf

和導(dǎo)通的D1提供，流經(jīng)運(yùn)放，參與運(yùn)算，此時(shí)為“接通”狀態(tài)。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

1.基本型電流開(kāi)關(guān)（續(xù)）

當(dāng)V控為高電平時(shí)，D2導(dǎo)通，使VA抬高，D1截止。則經(jīng)T管及網(wǎng)絡(luò)電阻RE的電流ic由V控提供，而不流經(jīng)運(yùn)放，此時(shí)為“斷開(kāi)”狀態(tài)。VrefRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）V-AV控RfD2D1TicVA8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

1.基本型電流開(kāi)關(guān)（續(xù)）ic

=1+Vref－

VBE－VRE

可以在T管的發(fā)射極直接進(jìn)行控制。Vref（網(wǎng)絡(luò)電阻）

REV-V控D2D1TicVA

被切換電流：VrefVV控D2Tic（網(wǎng)絡(luò)電阻）

RE8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVAV控為低電平時(shí)，T2導(dǎo)通，VA升高，T5導(dǎo)通，T6截止，ic=0，網(wǎng)絡(luò)電阻RE的電流由T5提供，不參與運(yùn)算。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVAV控為高電平時(shí)，T2截止，VA下降，T5截止，T6導(dǎo)通，ic流經(jīng)運(yùn)放參與運(yùn)算。ic

=1+Vref2－

VBE－VRE8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特點(diǎn)一：

T1

、T2為橫向PNP管，BE結(jié)擊穿電壓較高，允許輸入較大幅度的數(shù)字控制信號(hào)。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特點(diǎn)二：控制信號(hào)V控與流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電阻RE的電流（權(quán)電流）是相互隔離的，使V控的變化對(duì)權(quán)電流幾乎沒(méi)有影響。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特點(diǎn)三：肖特基二極管的箝位作用限制了VA變化幅度，提高了開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

2.差分控制ECL電流開(kāi)關(guān)icARfRE（網(wǎng)絡(luò)電阻）T2T1V+T3T4V-V控Vref1Vref2V-T5T6IoVA特點(diǎn)四：T3、T4組成的電流鏡完成了單端化作用，從而縮短了瞬態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

3.互補(bǔ)型電壓開(kāi)關(guān)V控-VrefV+VST1T2T3V-VBVA

當(dāng)V控為高電平時(shí)，T1截止，VA、

VB降低，使T3

管飽和導(dǎo)通，

T2截止，輸出電壓VS約為-Vref。

當(dāng)V控為低電平時(shí)，T1導(dǎo)通，VA、

VB升高，使T2

管飽和導(dǎo)通，T3截止，輸出電壓VS約為0V

。8.4.3雙極型模擬開(kāi)關(guān)

3.互補(bǔ)型電壓開(kāi)關(guān)V控-VrefV+VST1T2T3V-VBVA正接IC=0時(shí)：Vces0VTlnR1反接IE=0時(shí)：Vces0VTlnF1

特點(diǎn)：T2、T3是接成共集電極狀態(tài)，稱(chēng)為反接狀態(tài)，其飽和壓降比正接狀態(tài)的小得多，有利于提高開(kāi)關(guān)精度。8.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

1.MOS型開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)a)是理想的電壓開(kāi)關(guān):當(dāng)MOS管非飽和導(dǎo)通時(shí)，源極與漏極間不存在固有的直流失調(diào)電壓，這是因?yàn)樗鼪](méi)有象雙極器件那樣的結(jié)電壓，其漏極伏安特性都精確地經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。

b)是理想的電流開(kāi)關(guān):MOS作為開(kāi)關(guān)控制的柵極與信號(hào)回路是電隔離的，它們之間無(wú)直流通過(guò)。c)是理想的雙向開(kāi)關(guān):MOS正向和反向工作具有相同的性能，漏特性相對(duì)原點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)的。

8.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

2.導(dǎo)通電阻a)NMOS單溝模擬開(kāi)關(guān):IDS=Kn[2(VGS-VTn)VDS-VDS2]GDSViVoV控ron==VDSIDS2Kn(VGS-VTn–VDS)1Kn=noxo2(WL)n其中：VDS0

VGS=V控-VironVGSVTn0V控-Vi8.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

2.導(dǎo)通電阻b)PMOS單溝模擬開(kāi)關(guān):IDS=Kp[2(|VGS|-|VTp|)|VDS|-VDS2]GDSViVoV控ron==VDSIDS2Kp(|VGS|

-|VTp|

–|VDS|)1Kp=noxo2(WL)n其中：VDS0VGS=V控-VironVGSVTp0V控-Vi8.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

2.導(dǎo)通電阻c)CMOS雙溝模擬開(kāi)關(guān):

取：Kn=Kp=KGnDSViVoV控GpV控-ronVironnronpron=2K(V控-VTn-|VTp|

–2VDS)1

可見(jiàn)，CMOS模擬開(kāi)關(guān)在一定條件下，ron近似為常數(shù)。VDS08.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

3.寄生電容（1）電容饋通效應(yīng)模擬開(kāi)關(guān)的柵是受脈沖信號(hào)控制的，由于存在寄生電容（Cgs，Cgd），柵控脈沖信號(hào)會(huì)耦合到模擬開(kāi)關(guān)的輸入和輸出端，從而造成對(duì)模擬信號(hào)的干擾，稱(chēng)為“電容饋通效應(yīng)”。GDSViVoV控8.4.4MOS型模擬開(kāi)關(guān)

3.寄生電容

減小器件尺寸可以減小寄生電容，減小干擾，但是，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也隨之增加。（2）電荷抵消技術(shù)

MB

為“虛開(kāi)關(guān)”，其尺寸與開(kāi)關(guān)管MA相當(dāng)。

MB柵上加的脈沖信號(hào)與MA柵上加的脈沖信號(hào)反相，因此，兩個(gè)脈沖信號(hào)所引起的干擾得到平衡，減小了干擾。GDSViVoV控G-V控-MAMB§8-5開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路

在模擬集成電路中經(jīng)常需要大阻值的電阻，而且對(duì)阻值的精度要求較高，若采用常規(guī)方法制作，不但占用面積大，精度也難以保證。一般可采用MOS開(kāi)關(guān)和MOS電容組成的開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

思考題

1.

開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路的結(jié)構(gòu)有哪幾種？

2.開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路的特點(diǎn)是什么？有哪些典型應(yīng)用？

8.5.1并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路

1.電路結(jié)構(gòu)

G1V1G2V2M1M2