第六章模擬集成電路設計-1..ppt

2020 3 31 模擬集成電路 2020 3 31 集成電路概述 模擬IC就是能對模擬量進行運算和處理的一種IC 直接對連續(xù)可變的模擬量進行計算與處理模擬集成電路的種類根據(jù)輸入 輸出電壓的變化關系分類線性IC 輸出信號隨輸入信號的變化成線性關系非線性IC 具有非線性的傳輸特點接口電路 AD DA轉換器按工作頻率分類低頻 高頻 射頻 微波 毫米波按功率分類功率集成電路按器件分類雙極 MOS BICMOS按應用領域分類通信用IC 2020 3 31 模擬集成電路的特點應用的多樣性電路結構的多樣性 復合性微小信號電源變化較大發(fā)展模擬電路數(shù)字化高頻 低噪聲 低功耗 寬頻帶MOS模擬集成電路 2020 3 31 本章主要內容 CMOS工藝技術模擬集成電路版圖技術參考電壓源和參考電流源CMOS單極放大器CMOS運算放大器負反饋D A A D轉換器 2020 3 31 一 CMOS工藝技術 晶片工藝光刻氧化離子注入淀積與刻蝕器件制造 2020 3 31 1 有源器件 基本晶體管制造后端工藝 2020 3 31 2 無源器件 電阻電容器電感 2020 3 31 3 互連 金屬多晶硅擴散層 2020 3 31 二 模擬集成電路版圖技術 設計規(guī)則天線效應模擬集成電路版圖 2020 3 31 設計規(guī)則 最小寬度最小間距最小包圍最小延伸 2020 3 31 天線效應 問題小尺寸的柵極與大面積金屬一層相連在刻蝕時 大面積的金屬一層會收集離子 使其電位升高 造成擊穿 2020 3 31 模擬電路的版圖 叉指晶體管對稱性參考源的分布無源器件連線焊盤與靜電放電保護 2020 3 31 模擬電路設計 襯底耦合封裝 2020 3 31 本章主要內容 CMOS工藝技術模擬集成電路版圖技術參考電壓源和參考電流源CMOS單極放大器CMOS運算放大器負反饋D A A D轉換器 2020 3 31 恒流源電路和有源負載 參考電壓源和參考電流源偏置電路 把一個支路中的參考電流比較精確地反射到另一個支路上去 以獲得較穩(wěn)定的工作電流有源負載 設計得到大的動態(tài)電阻 從而提高電壓增益 2020 3 31 基本型恒流源 2020 3 31 討論 恒定電流由Rr決定溫度補償 跟蹤性好不足 比較小則電流匹配性差對電源變化無抑制作用Ir的溫度系數(shù)晶體管的對稱性電阻的溫漂輸出電阻 2020 3 31 2 電阻比例恒流源 基準電流Ir電路特點 得到不同的電流輸出值 減少芯片面積 注意 設計中要求微小工作電流減小R0 以使芯片面積小無法抑制電源變化的影響 2020 3 31 例題 一多路輸出電流源電路如圖所示 T1 T6管發(fā)射結電壓VBE 0 7伏 試求T3 T6管的集電極電流 IO 并說明T1的作用 解 T1電流放大 以減少從參考電流中分出的基極電流 使一個參考電流較準確地控制多個電流源 2020 3 31 3 微電流恒流源 Widlar源 討論 1 用中等電阻 可獲得較小的恒定電流例題 若VCC 30V Ir 1mA IO 10微安 求R和Re2 若用基本恒流源 Rr的值應為多少 若VCC由30V下降至15V 求兩種恒流源的IO值 2 對電源電壓變化的抑制作用由上題可見 微電流恒流源有較好的電流穩(wěn)定性 2020 3 31 4 基極電流補償恒流源 Wilson源 圖6 32 應用于較大電流的情況消除基極電流的影響工作原理流過基極的電流經過T3管放大此電流提供了T1 T2管的基極電流和T3管的集電極電流通過公式 6 33 35 得 輸出電流與參考電流十分接近了反饋補償作用穩(wěn)定工作點 2020 3 31 5 Pnp恒流源 PNP管恒流源在雙極型模擬電路中廣泛使用根據(jù)電流源電路的特點 基極短接 發(fā)射極接同樣電位 因此采用多集電極橫向PNP管就可等效出多個恒流源優(yōu)點 可把偏置和恒流的幾個晶體管都作在一個隔離島內 而且共用一個發(fā)射極 一個基極 從而節(jié)省了面積缺點 誤差大 頻率特性差電路如圖6 33 2020 3 31 6 MOS恒流源 1 基本恒流源 如圖6 34 T1 T2管為n溝道增強型MOS管工作原理T1管柵漏短接 始終工作在飽和區(qū)T2管與T1管工藝參數(shù)相同 討論 I 考慮溝道長度調制效應 造成偏差II 交流輸出電阻較高III 輸出電壓擺幅 VCC VGS VT R電阻值比較大 2020 3 31 2 Wilson恒流源 電路圖與雙極型的相同 如圖6 36引入負反饋 提高輸出電流的穩(wěn)定性 提高輸出阻抗例 已知Wilson源的基準電流Ir 50微安 MOS管的參數(shù) n 400cm2 S V Cox 3 8 10 8F cm2 W1 L1 W2 L2 W3 L3 2 ro1 ro3 3 3 105歐姆 求電路的輸出電流及輸出電阻 公式6 42 2020 3 31 襯底調制效應 若Ir 50微安 VGS2 1V n2Cox2 n3Cox3 2 10 5A V2 襯底調制系數(shù)r 0 27V1 2 2 F 0 8V 參考電壓 5V VTH 1伏 求T2 T3管的寬長比 在加上溝道長度調制效應 計算較為復雜 2020 3 31 有源負載 1 電源電壓 2 集電極的負載電阻 交流阻抗很大而直流電阻很小的負載原件作為放大器的負載 一般電阻負載共射放大器和射耦對中的電壓增益 結論 在一般高增益集成放大器中 常用極性相反的恒流源輸出管來做負載 如圖6 38 6 39所示 其主要特點由于其較大的交流電阻 從而提高了共射放大器的電壓增益直流電阻并不大 電源電壓要求不高電源電壓變化的范圍可以較寬有源負載在集成工藝中容易實現(xiàn) 2020 3 31 課堂練習題 T1 T2為橫向pnp晶體管 電流增益為10 T3 T4管為縱向NPN晶體管 電流增益為150 兩種晶體管的發(fā)射結正向壓將均為1V 已知 Rr 28千歐 Vt 0 026伏 IC4 0 1毫安計算電阻Re的值電流IC2的值 電路圖 微電流恒流源 widlar源 Pnp恒流源電路 2020 3 31 MOS恒流源 電源電壓 5V 節(jié)點1的電壓 3V 電子遷移率 500 2 VS MOS柵氧化層厚度Tox 800埃 0 SiO2 3 3X10 13F MOS管的閾值電壓 0 7V 其中M1管的寬長比 5其它PMOS管的寬長比的比例 1 4 8其它NMOS管的寬長比的比例 1 3 6 2020 3 31 穩(wěn)壓電路 2020 3 31 基準源電路 原理高質量的IC內部穩(wěn)壓電源 提供穩(wěn)定的偏置電壓或基準電壓要求 輸出直流電平穩(wěn)定 且對電源電壓和溫度變化不敏感常用的標準電壓 BE結的正向壓降VBE 0 6 0 8V 溫度系數(shù) 2mV BE結構成的齊納二極管 反向電壓 VBER 6 9V 溫度系數(shù) 2mV 等效熱電壓 Vt 0 026V 溫度系數(shù) 0 086mV 組合得到對電源電壓和溫度不敏感的電壓源和基準電壓源 2020 3 31 正向二極管基準源電路 如圖6 41 利用晶體管的be結正偏特性 Vref nVF n 0 7V 電路的內阻等于各個正向二級管的n倍 集電極電位相同的晶體管 可以放在同一隔離區(qū) 而此電路路be結首尾相接 bc結短接所以需要單獨隔離 占用了芯片面積 改進 如圖6 42 利用電阻的分壓作用實現(xiàn)大的Vref 2020 3 31 齊納二極管基準源電路 圖6 43 穩(wěn)壓原理 利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性 采用bc結短接的晶體管 由于反向特性陡直 較大的電流變化 只會引起較小的電壓變化 VI VO VZ IZ IR VR VO 討論 1 二極管PN結分布不一致性及其缺陷 雜質 不均勻等因素 2 體電阻和接觸電阻 3 溫度系數(shù) 2020 3 31 具有溫度補償?shù)凝R納基準源電路 二極管具有負溫度系數(shù) 齊納二極管的穩(wěn)定電壓具有正溫度系數(shù) 形成圖6 44 a 實現(xiàn)溫度的補償 由表可以看出2CW7C的性能比較好 溫度系數(shù)小 其結構如下 圖6 44版圖和剖面圖 2020 3 31 負反饋基準源電路 圖6 45 改進后的優(yōu)點 實現(xiàn)溫度補償T1 T2 DZ和電阻R組成反饋電路 從而保持穩(wěn)定由T1射隨器輸出電壓 因此基準源的內阻小 2020 3 31 參考電壓源 齊納二極管基準電壓源圖6 46利用電阻 二極管 齊納二極管的溫度系數(shù)來求得一平衡點帶隙參考電壓源圖6 47利用BJT在不同的工作電流密度下 三極管的be結電壓溫度系數(shù)之差 be結本身的負溫度系數(shù)來調節(jié)基準電壓Vref的數(shù)值與硅的禁帶寬度相近通過疊加VBE和增加電阻比值的方法實現(xiàn)較高的參考電壓源 2020 3 31 應用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成 VO VI VR 當VI R VR 在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響 若負載電流IL R VR 在一定程度上抵消了因IL增加 使VI減小 對輸出電壓減小的影響 2020 3 31 串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準電壓 比較放大 取樣電路和調整元件四部分組成 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 2020 3 31 實例L7805Layout 2020 3 31 L7805電路圖 2020 3 31 常用的集成三端穩(wěn)壓器的類型 類型 L7800系列 穩(wěn)定正電壓L7805輸出 5VL7809輸出 9VL7812輸出 12VL7815輸出 15VL7900系列 穩(wěn)定負電壓L7905輸出 5VL7909輸出 9VL7912輸出 12VL7915輸出 15V 2020 3 31 MOS基準源電路 用MOS管代替三極管單元 飽和區(qū) 利用兩個溝道類型相同 而閾值電壓不同的MOS管CMOS帶隙基準電壓源 2020 3 31 CMOS帶隙基準源 BiCMOS 原理 利用MOSFET的亞閾區(qū)工作時電流的正溫度系數(shù)特性與BJT的BE結導通電壓VBE的負溫度特性互相補償 達到恒定的基準電壓輸出 MOSFET亞閾區(qū)電流 條件 VGS VT 見圖6 48電流隨電壓VGS的變化不是二次方而是指數(shù)性關系 分界點 2 n 4 在CMOS帶隙基準源中所有的MOS管多工作在亞閾值飽和狀態(tài) 2020 3 31 電路分析 2020 3 31 典型應用 2020 3 31 典型應用 2020 3 31 本章主要內容 CMOS工藝技術模擬集成電路版圖技術參考電壓源和參考電流源CMOS單極放大器CMOS運算放大器負反饋D A A D轉換器 2020 3 31 主要內容 放大器基本原理共源極放大器帶電流源的共源極放大器其它單極放大器 2020 3 31 放大器的種類 電壓放大器跨阻放大器跨導放大器電流放大器 放大器的組成前饋放大器檢測輸出的方式反饋網絡產生反饋誤差的方式 Vin Vout 2020 3 31 電壓放大電路的性能指標 一 電壓放大倍數(shù)Au Ui和Uo分別是輸入和輸出電壓的有效值 Au是復數(shù) 反映了輸出和輸入的幅值比與相位差 2020 3 31 二 輸入電阻ri 放大電路一定要有前級 信號源 為其提供信號 那么就要從信號源取電流 輸入電阻是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數(shù) 輸入電阻越大 從其前級取得的電流越小 對前級的影響越小 定義 即 ri越大 Ii就越小 ui就越接近uS 2020 3 31 三 輸出電阻ro 放大電路對其負載而言 相當于信號源 既是電壓源 輸出電阻越大 在負載取得的電壓越小 對負載的影響越大 2020 3 31 四 通頻帶 通頻帶 fbw fH fL 放大倍數(shù)隨頻率變化曲線 幅頻特性曲線 耦合電容造成 三極管結電容造成 2020 3 31 五 飽和度 2020 3 31 單端放大器 共源極 2020 3 31 場效應管的微變等效電路 跨導 漏極輸出電阻 2020 3 31 場效應管的微變等效電路 2020 3 31 共源極放大器 2020 3 31 結論 放大器的重要參數(shù)增益信號擺幅功耗頻率響應工藝誤差和溫度漂移代電阻共源放大器 增益 成本和頻率響應采用電流源設計高增益 輸入電阻大 輸出電阻大電壓放大器 高增益 輸入電阻大 輸出電阻小 改進 2020 3 31 其它晶體管放大器 2020 3 31 結論 Common sourcestage largevoltagegainandtransconductance highinputresistance largeoutputresistance excellenttransconductanceamplifier reasonablevoltageamplifier Common drainstage novoltagegain buthighinputresistanceandlowoutputresistance goodvoltagebuffer Common gatestage nocurrentgain butlowinputresistanceandhighoutputresistance goodcurrentbuffer 2020 3 31 典型應用 2020 3 31 結論 三種放大器參數(shù)功能頻率響應物理因素電路分析噪聲電源器件設計信號干擾 2020 3 31 DifferentialAmplifiers 2020 3 31 結論 Indifferentialamplifierssignalrepresentedbydifferencebetweentwovoltages Differentialamplifier amplifiesdifferencebetweentwovoltagesbutrejects commonmode noiseimmunity Using half circuit technique small signaloperationofdifferentialamplifiersisanalyzedbybreakingproblemintotwosimplerones differential modeproblemandcommon modeproblem Common moderejectionratio importantfigureofmeritofdifferentialamplifiers Differentialamplifiersrequiregooddevicematching 2020 3 31 直流電平位移及差動 單端轉換電路 直流電平位移電路 利用基極與集電極之間存在的電壓差 圖6 50 利用穩(wěn)壓二極管 圖6 52 利用源 漏之間存在的電壓差 圖6 53 差動 單端轉換電路 為什么要位移 避免輸出端滿足不了零輸入 零輸出條件輸出電壓的變化范圍減小 把差分輸入的雙端輸出信號 全部轉換成單端輸出信號如圖6 54所示 2020 3 31 差動 單端轉換電路 電路分析 T1集電極電流變化量 IC1T2變化量 IC2輸入信號為相反信號 所以 IC1 IC2 VQ 2R1 IC1 相當于從P Q兩點取出的電壓變化量該電路完成了把從P Q兩點雙端輸出的信號變?yōu)镼點單端輸出的信號 2020 3 31 用有源負載實現(xiàn)的差動 單端轉換電路 T3 T4組成鏡像電流源 作T1 T2的負載 同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益 T1管集電極電流的變化由T3 T4管組成的電流源鏡像到T2管的集電極T2管集電極電流本身引起的變化以上兩點共同決定了輸出端電流 和差分雙端輸出相等 2020 3 31 其它電路 圖6 55 b CMOS電路 2020 3 31 輸出級電路 根據(jù)運算放大器的技術指標可以對其進行分類 主要有通用 高速 寬帶 高精度 高輸入電阻和低功耗等幾種 射隨器輸出級互補推挽輸出級CMOS輸出級甲類偏置的CMOS輸出級CMOS互補輸出級輸出過流保護電路 2020 3 31 射隨器輸出級 圖6 56T1 射極輸出管外部負載電阻T2 T3和R1 R3組成恒流源 2020 3 31 互補推挽輸出級 Vout 一個npn管和一個pnp管組成 當Vth2 Vi Vth1時 T1 T2都截止當Vi Vth1時 T2截止 T1導通 npn管射極輸出器當Vi Vth2時 T1截止 T2導通 pnp管射極輸出器 缺點 交