第12章模拟集成电路中的基本单元电路

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1、第第12 12章章 模拟集成电路中的基本单元电路模拟集成电路中的基本单元电路12.2 12.2 恒流源电路恒流源电路12.1 12.1 单管、复合器件及双管放大级单管、复合器件及双管放大级作业作业12.3 12.3 偏置电压源和基准电压源电路偏置电压源和基准电压源电路12.1 12.1 单管、复合器件及双管放大级单管、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源器件按一定的要求连接在一起，组成一些常用的复合三

2、端器件和单元电路，如达林顿管、复合三端器件和单元电路，如达林顿管、复合PNPPNP管、射耦管、射耦对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。对等。在电路分析中，常将它们当作一个整体来处理。1 1、达、达林顿管林顿管 Q1 Q1、Q2Q2管的集电极短接在一起，管的集电极短接在一起，Q1Q1的发射极与的发射极与Q2Q2的的基极连接在一起，用恒流源基极连接在一起，用恒流源I I0 0( (或用偏置电阻或用偏置电阻) )来设定来设定管子的静态工作点。在版图设计时，由于两个管子的管子的静态工作点。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。集电极是短接的，所以可以共用一个隔

3、离岛。 上标上标C C代表复代表复合管。合管。复合管的输入电阻复合管的输入电阻复合管的等效直流电流增益复合管的等效直流电流增益复合管的低频小信号电流复合管的低频小信号电流增益增益复合管的等效跨导复合管的等效跨导复合管的等效输出电阻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，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。出电阻比单管小，且芯片面积增大。2 2、共、共集、共集、共射单元射单元3 3、复合、复合PNPPNP管管 在双极模拟集成电路中有时要用到

4、在双极模拟集成电路中有时要用到PNPPNP管，但一般横管，但一般横向向PNPPNP管的电流增益较小，在需要较大电流增益的管的电流增益较小，在需要较大电流增益的PNPPNP管时，可用复合管时，可用复合PNPPNP管。它是由一个横向管。它是由一个横向PNPPNP管和管和NPNNPN管管组合而成，组合而成，I I0 0为偏置恒流源。为偏置恒流源。 在电路版图中，在电路版图中，它需要两个独立它需要两个独立的隔离区。的隔离区。二、二、MOSMOS管放大级管放大级1 1MOSMOS源跟随器源跟随器 MOS MOS管组成的源跟随器与双极型晶体管的射极跟随器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

5、输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于类似，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益小于( (近于近于1)1)的特点，它在的特点，它在MOSMOS集成运放中得到广泛应用。集成运放中得到广泛应用。其源漏电阻其源漏电阻r rds2ds2变化很小，基本变化很小，基本上可以看作常数上可以看作常数其源漏电阻其源漏电阻r rds2ds2是一个变化的是一个变化的非线性电阻非线性电阻2 2MOSMOS共栅放大器共栅放大器3 3共源共栅放大器共源共栅放大器4 4CMOSCMOS放大器放大器 以上介绍的以上介绍的MOSMOS放大器均为单沟道放大器均为单沟道MOSMOS放大器，它们放大器，它们的缺点是都存在衬偏调制效应，

6、影响了放大倍数的提的缺点是都存在衬偏调制效应，影响了放大倍数的提高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用高，而且衬底偏置效应与掺杂浓度有关。采用CMOSCMOS放放大器可以克服这种效应。大器可以克服这种效应。(1)(1)固定栅式固定栅式CMOSCMOS放大器放大器 由于阱的隔离作用，由于阱的隔离作用，两个两个MOSMOS管的衬底可以分管的衬底可以分别接到各自的源上，因别接到各自的源上，因而基本上消除了因衬底而基本上消除了因衬底偏置效应而导致的性能偏置效应而导致的性能的退化。的退化。 M1 M1为为NMOSNMOS管，管，M2M2为为PMOSPMOS管，两管的衬底与它本身的管，两管的衬底与它本身

7、的源短接，源短接，V VBSBS0 0；另外，两管的栅短接，输入信号；另外，两管的栅短接，输入信号ViVi同同时作用在两管上。因为两管的沟道不同，所以两管的电时作用在两管上。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。流方向相反，因此放大器的输出电流为两管电流之和。(2)CMOS(2)CMOS互补放大器互补放大器 在电路参数相同时，在电路参数相同时，CMOSCMOS互补放大器的电压增益是互补放大器的电压增益是固定栅式固定栅式CMOSCMOS放大器电压增益的两倍，而两者的输出放大器电压增益的两倍，而两者的输出电阻相同；但固定栅式电阻相同；但固定栅式CMOSCM

8、OS放大器的偏置要求比较简放大器的偏置要求比较简单。单。 若将若将CMOSCMOS放大器的电压增益和输出电阻与放大器的电压增益和输出电阻与E/E E/E MOSMOS放大器、放大器、E/D MOSE/D MOS放大器的电压增益和输出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，电阻相比较，可以看出，由于在一般情况下，g gdsds比比g gm m和和g gmbmb小一两个数量级，因而在相同的工小一两个数量级，因而在相同的工作电流条件下，作电流条件下，CMOSCMOS放大器的电压增益远高于放大器的电压增益远高于E/EE/E，E/DE/D放大器，通常可达放大器，通常可达505060

9、dB60dB，其输出，其输出电阻也比电阻也比E/EE/E、E/DE/D放大器的输出电阻高；而且放大器的输出电阻高；而且CMOSCMOS放大器有两种性能接近的互补管子，所以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，可以使许多模拟电路简化。由于以上这些特点，因此因此CMOSCMOS放大器被广泛地应用于放大器被广泛地应用于MOSMOS模拟大规模模拟大规模集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面集成电路中。其缺点是工艺复杂、占用管芯面积较大。积较大。12.2 12.2 恒流源电路恒流源电路 恒流源电路被广泛用于作偏置电路和有源负载，其基恒流源电路被广泛用于作偏置电路

10、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。流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。一、精密匹配电流镜一、精密匹配电流镜 它能达到精密匹配，是由于它能达到精密匹配，是由于采用了以下几个措施采用了以下几个措施： (1) (1)增加了增加了Q3Q3射随器缓冲，改射随器缓冲，改善了善了I IB B引入的电流传输差；引入的电流传输差； (2) (2)利用利用R1=R2R1=R2的负反馈，减小的负反馈，减小V VBEBE(V(VBE1BE1V VBE2BE2) )引入的电流差；引入

11、的电流差； (3) (3)为抵消为抵消I IB3B3的影响，在的影响，在Q2Q2的的集电极增加射随器集电极增加射随器Q4Q4，利用，利用Q4Q4的的I IB4B4抵消抵消I IB3B3，进一步提高，进一步提高I Ir r和和I Io o的的对称性。对称性。 在双极模拟集成电路中，一般选用在双极模拟集成电路中，一般选用NPNNPN管作为放大器件，它需管作为放大器件，它需要互补的要互补的PNPPNP管作为有源负载以增加增益，所以管作为有源负载以增加增益，所以PNPPNP恒流源在双极恒流源在双极模拟电路中得到广泛的应用。各种模拟电路中得到广泛的应用。各种NPNNPN恒流源都可化为恒流源都可化为PNP