模擬集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-課件

6.1模擬集成電路的重要性

自然界中幾乎所有的物理量在時間和強(qiáng)度上均具有“連續(xù)”的特性，都屬于模擬量；被處理的物理量在進(jìn)行數(shù)字處理之前，需要進(jìn)行放大、預(yù)濾波、采樣和離散化處理，將模擬信號數(shù)字化；經(jīng)過數(shù)字處理后的數(shù)字信號需要還原成模擬信號，并且經(jīng)過進(jìn)一步放大才能成為能夠被人接受的形式；1PPT課件6.1模擬集成電路的重要性在寬帶、高頻信號（光信號、射頻信號等)的處理中，數(shù)字化的難度極大，仍然需要采用模擬信號的處理方法（低噪聲放大、模擬濾波等）；工作頻率很高的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，必須象模擬電路一樣考慮電路分布參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原則與模擬電路的設(shè)計(jì)一致；數(shù)模混合的片上系統(tǒng)（SOC）的大量出現(xiàn)；2PPT課件典型的信號處理系統(tǒng)的構(gòu)成框圖6.1模擬集成電路的重要性3PPT課件基本電流鏡及比例電流源

V0支路為參考支路，為整個電路提供UGS1和參考電流Ir；

V1支路為鏡像支路，V1管與V0管的溝道寬長比相同；

V2支路為比例電流支路，V2管與V0管得溝道寬長比為A，即：6.2.1MOS電流源6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器4PPT課件工作原理根據(jù)MOS管的電流方程：由于個MOS管的工藝參數(shù)相同，柵源電壓也相同。所以，在溝道調(diào)制效應(yīng)很小的情況下，有：6.2.1MOS電流源6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器基本電流鏡及比例電流源5PPT課件特點(diǎn)：增大了電流源的輸出電阻，減小了溝道調(diào)制效應(yīng)。6.2.1MOS電流源6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器共源—共柵電流源6PPT課件6.2.1MOS電流源6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器I0工作原理——該電路相當(dāng)于兩個鏡像電流源的串聯(lián)。如果保證：共源—共柵電流源則有：，于是：，可以忽略溝道調(diào)制效應(yīng)。7PPT課件互補(bǔ)性CMOS放大器中負(fù)載管V2由PMOS管構(gòu)成，UBS2、UGS2=0，故RO2=rds2。由于rds2很大，所以該電路具有很高的電壓增益。為了增大增益又能避免在IC中制造大的電阻，一般在放大電路中采用有源負(fù)載。由于NMOS管的各項(xiàng)性能均優(yōu)于PMOS管，所以放大管多采用NMOS管，負(fù)載管則可以使用PMOS管，從而構(gòu)成互補(bǔ)性CMOS放大器。6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器有源負(fù)載CMOS放大器8PPT課件差動放大對管電路構(gòu)成上面電路中，V1、V2管組成差動放大對管，V3、V4組成鏡像電流源作為差動對管的有源負(fù)載，V5、V6管組成比例電流源提供偏置電流。6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS差動放大器9PPT課件工作特性靜態(tài)輸出電流ILQ為0;

差模增益Aud:

6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS差動放大器10PPT課件6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS差動放大器工作特性rds4||rds2>>RL時：即在溝道調(diào)制效應(yīng)可以忽略的情況下，差動放大器的增益取決于管子的靜態(tài)工作電流和管子的尺寸。rds4||rds2<<RL時：即在溝道調(diào)制效應(yīng)顯著的情況下，差動放大器的增益受到很大的影響，所以必須減弱溝道調(diào)制效應(yīng)，增大管子的輸出電組。11PPT課件電路構(gòu)成該電路由兩級放大電路組成。第一級為差動放大器，由V1~V4管構(gòu)成，第二級放大電路由V5、V6管組成，V5（PMOS）管為放大管，V6管為有源負(fù)載，輸出阻抗很高。V7、V8、V9管時恒流源，為電路提供偏置電流。Cc為密勒相位補(bǔ)償電容，用以防止電路產(chǎn)生自激。6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS運(yùn)算放大器12PPT課件共源—共柵兩級運(yùn)算放大器放大管負(fù)載管有源負(fù)載管6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS運(yùn)算放大器13PPT課件互補(bǔ)跟隨輸出級低阻輸出型運(yùn)算放大器——帶負(fù)載能力強(qiáng)6.2.2CMOS運(yùn)算放大器6.2MOS電流源和CMOS運(yùn)算放大器

CMOS運(yùn)算放大器14PPT課件——數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（Digital-to-AnalogConverter）的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。6.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器15PPT課件6.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器適合于單片集成電路的基本D/A變換電路，根據(jù)其工作原理可以分為三類：電流定標(biāo)電路電壓定標(biāo)電路電荷定標(biāo)電路電流定標(biāo)是雙極型D/A變換器設(shè)計(jì)中最常用的，電壓和電荷定標(biāo)D/A變換器電路特別適用于MOS電路。16PPT課件N位輸入數(shù)字量輸出比例因子6.3.2D/A轉(zhuǎn)換器原理6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器17PPT課件精度指標(biāo)—位數(shù)—分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，輸出電壓分辨率越高，轉(zhuǎn)換誤差越小。速度指標(biāo)—轉(zhuǎn)換速率建立時間：從數(shù)字信號輸入D/A轉(zhuǎn)換器到輸出電壓穩(wěn)定所需要的時間。靜態(tài)誤差主要有三種：失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差。6.3.3D/A轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器18PPT課件權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器（電流比例D/A轉(zhuǎn)換器）6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器－＋模擬開關(guān)S梯形權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器19PPT課件權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器（電流比例D/A轉(zhuǎn)換器）6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器電路特點(diǎn)該轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是每個權(quán)電阻的阻值會隨溫度變化，而且權(quán)電阻的阻值范圍太寬，集成電路工藝實(shí)現(xiàn)非常困難。倒置R-2RD/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于整個網(wǎng)絡(luò)只有R和2R兩種阻值的電阻。20PPT課件每經(jīng)過一級輸出電壓衰減1/2倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器21PPT課件工作原理輸出電壓：

I0視開關(guān)S1~SN的狀態(tài)而定，各處電流關(guān)系為：輸出的模擬量為：倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器22PPT課件倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電阻種類少，各支路電流間不存在傳輸延遲，提高了轉(zhuǎn)換速率。缺點(diǎn)：電阻的數(shù)量較多。23PPT課件倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器開關(guān)電路數(shù)字字b1~bN通過兩級非門構(gòu)成的分相電路變成和，然后分別去控制兩個傳輸門構(gòu)成的開關(guān)。24PPT課件倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器開關(guān)電路ⅠⅡ當(dāng)＝“1”，＝“0”時，傳輸門Ⅱ?qū)?，將Si接到虛地點(diǎn)Q；當(dāng)＝“0”，＝“1”時，傳輸門Ⅰ導(dǎo)通，將Si接到地；25PPT課件6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器開關(guān)樹D/A轉(zhuǎn)換器—形式一26PPT課件

電路組成用2^N個電阻串組成分壓網(wǎng)絡(luò)，輸入數(shù)字量控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)從分壓網(wǎng)絡(luò)中取出相應(yīng)的分割點(diǎn)處的電壓。開關(guān)樹D/A轉(zhuǎn)換器—形式二6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器第i個電阻分割點(diǎn)處的電壓為:27PPT課件開關(guān)樹D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電阻單一，容易保證一致性，而且不論輸入碼如何變化，參考電源的負(fù)載不變。缺點(diǎn)：需要2^N個電阻，且開關(guān)數(shù)量大，因此占芯片面積大；而且轉(zhuǎn)換器對寄生電容敏感，導(dǎo)致信號延遲。28PPT課件權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器參考電壓模擬開關(guān)組權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)_+電路29PPT課件權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器等效電路Ceq是接到Vref的等效電容，2C是全部電容之和，那么，2C－Ceq是接地電容。30PPT課件權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器6.3.4D/A轉(zhuǎn)換器電路6.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器開關(guān)電路的設(shè)計(jì)CⅠⅡ＋－bibiφ2φ2A31PPT課件——A/D轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter）的功能是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，是數(shù)字信號處理的第一步。數(shù)字化過程一般有三步：采樣與保持（Sample/Hold）量化編碼

A/D轉(zhuǎn)換器的原理及特性6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的原理、指標(biāo)和特性6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器32PPT課件

A/D轉(zhuǎn)換器的原理及特性6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的原理、指標(biāo)和特性6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器33PPT課件分辨率——表示精度的指標(biāo)若A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入為UFSR，位數(shù)為N，則有：量化電平：量化誤差：采樣率——表示速度的指標(biāo)誤差指標(biāo)：失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差 量化信噪比：分辨率每提高一位，量化信噪必將提高6.02dB

A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的原理、指標(biāo)和特性6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器34PPT課件分類應(yīng)用6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的分類及應(yīng)用6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器35PPT課件逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)36PPT課件6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨率和轉(zhuǎn)換速度均較高的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用廣泛。一個N位二進(jìn)制的A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換，僅需要N個時鐘周期。電路特點(diǎn)37PPT課件工作過程從最高位起逐次逼近寄存器SAR各個位逐次置“1”，經(jīng)內(nèi)部D/A變換位模擬電壓后與輸入模擬量Ui比較，若大于Ui，改位置“1”，否則為“0”。整個過程重復(fù)至最低位比較完成為止。6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器38PPT課件此種結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器是目前速度最快的一種，最高采樣率可達(dá)幾十MHz至GHz數(shù)量級。電路結(jié)構(gòu)FlashA/D采用并行處理結(jié)構(gòu)，由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、量化比較器和數(shù)據(jù)編碼器組成。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由于FlashA/D采用并行工作方式，所以速度很快，缺點(diǎn)是需要使用大量的電壓比較器，N位的A/D需要使用2^(N-1)個比較器，實(shí)現(xiàn)難度很大。6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器快閃（Flash）型A/D轉(zhuǎn)換器39PPT課件工作原理先將輸入信號Ui放大兩倍，然后與參考電壓Uref相比較；若2Ui>Uref，最高位數(shù)字輸出為“1”，并以2Ui與Uref之差作為次高位的模擬輸入電壓；若2Ui<Uref，則最高位輸出為“0”，并以2Ui作為次高位的模擬輸入電壓；重復(fù)上述過程直至所有位比較完畢；6.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)6.4模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器算法A/D轉(zhuǎn)換器40PPT課件DIi’電流模算法A/D轉(zhuǎn)換器電路鏡像電流源鏡像電流源若D=1，V9導(dǎo)通，Ii’=2Ii-Iref若D=0，V9截