第四章-集成電路基本模塊設(shè)計(jì)

第四章集成電路基本模塊設(shè)計(jì)一、教學(xué)目的和要求：1、掌握集成電路的基本單元模塊的基本組成；2、理解集成電路的基本單元模塊的理想模型與實(shí)際實(shí)現(xiàn)的主要非理想特性；3、了解實(shí)際電路的主要非理想特性對(duì)電路性能的影響和常見(jiàn)的改進(jìn)方法；4、理解集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中原理性和技術(shù)性的關(guān)鍵概念。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：1、集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中原理性和技術(shù)性的關(guān)鍵概念。2、基本單元模塊的基本組成；主要非理想特性對(duì)電路性能的影響和常見(jiàn)的改進(jìn)方法。第一節(jié)開(kāi)關(guān)一、理想電壓控制開(kāi)關(guān)的模型：1、模型圖IoCVC

VC=VC1接通時(shí)，VIO=VI－VO=0，II=IO可取任意值，I、O兩點(diǎn)間短路。VC=VC2斷開(kāi)時(shí)，II=IO=0，VIO可能為任意值，I、O兩點(diǎn)間開(kāi)路。二、實(shí)際電壓控制開(kāi)關(guān)的模型IoffRoffRonVos-

+VCCICICCocCoIoC失調(diào)電流、失調(diào)電壓、寄生電容、開(kāi)關(guān)非線性、電阻等。模型圖如下三、開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)及主要非理想特性：1、用BJT實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)：（1）電路：IVoVCVI++--oC+-IIIo可知，VC（VBE）恒定時(shí)，存在非線性，限制開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)范圍；3）（2）非理想特性：1）失調(diào)電壓VOS≈16mV；2）由三極管特性曲線2、用MOS管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)（1）電路：（2）非理想特性：1）溝通電阻：a)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下，其兩端電壓很小，而VGS很大，此時(shí)，溝道電阻為：IVoVCVI++--oC+-I1b)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，

2）電容：例、C1充電電路圖（例：充電電路）“仿真Ron的影響”。四、開(kāi)關(guān)對(duì)電路的影響：1、開(kāi)關(guān)的端電壓與控制端電壓相對(duì)值；2、導(dǎo)通時(shí)溝道電阻Ron；C1充電等效電路圖在電路的充電變換過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻非常重要，要滿足條件：ＲonC1<<T（其中：T是φ1為高電平的時(shí)間）3、漏電流的影響（開(kāi)關(guān)截止時(shí)）（例）采樣保持電路

MOS開(kāi)關(guān)的柵極電壓等于或低于源/漏最低電位，則Ioff可以忽略。4、寄生電容：5、（寄生電容）改善措施：（1）采用虛擬MOS管

（2）采用傳輸門作為開(kāi)關(guān)五、適用于低電源電壓的開(kāi)關(guān)電路1、電路2、工作原理：第二節(jié)有源電阻

主要討論在集成電路設(shè)計(jì)中兩種實(shí)現(xiàn)電阻的方法。第一種：用有源器件實(shí)現(xiàn)電阻。

優(yōu)點(diǎn):電阻的尺寸最小。第二種：用開(kāi)關(guān)電容實(shí)現(xiàn)電阻。

優(yōu)點(diǎn):電阻的精度高，取決于時(shí)鐘頻率和電容的精度。;:QQacIVrDD=,:QQIVR=交流電阻直流電阻1、直流電阻（1）MOS管1）電路：2）直流電阻3）小信號(hào)電導(dǎo)為：（2）雙極晶體管1）電路：2）直流電阻3）小信號(hào)電導(dǎo)

（3）例：有源電阻分壓器，如圖表示用一個(gè)n溝MOS有源電阻和一個(gè)p溝MOS有源電阻產(chǎn)生一個(gè)直流電壓Vout。若VDD=5V，VSS=-5V，I=50μA。求Vout=1V時(shí)，M1和M2的W/L比值。設(shè)VTN=+0.75V，VTP=-0.75V；K’N=24μA/V2,K’P=8μA/V2。解：兩管的襯底都分別接到它們的源極以使它們的體效應(yīng)不產(chǎn)生影響。由于VGD=0，兩管都處于飽和狀態(tài)。因?yàn)榱鬟^(guò)兩管的電流必須相同，而電壓VDS1和VDS2已經(jīng)給定，依55.0;15.0)(2212'==-==LWMLWMVVLWKIITDSD的的得：2、交流電阻（1）交流電阻IVCoC+-（2）非理想素因影響①R的線性性受VDS

限制；②VT受VBS影響而影響R的線性性。

（3）改善影響素因的方法

1）雙晶體管原理：M1、M2為兩只完全相同的器件，加偏置使其VDS的影響互相抵消，由大信號(hào)MOS模型。

注意到VDS1=VDS2=V，并設(shè)互相匹配的晶體管允許電流I表示為：

所以交流電阻值：

2）交流差動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)：

注意：加到電阻器左邊的是差動(dòng)信號(hào)（V1），而右邊則處于相同的電位（雖然沒(méi)有物理連接）。

①單溝道MOS管實(shí)現(xiàn)交流差動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)

只要：②雙MOS管實(shí)現(xiàn)交流差動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)

只要滿足V1，V2≤min[VC2-VT，VC1-VT]條件

其動(dòng)態(tài)電阻為：二、采用開(kāi)關(guān)和電容器的方法實(shí)現(xiàn)交流電阻

由時(shí)鐘信號(hào)控制的模擬開(kāi)關(guān)和電容器來(lái)模擬電阻器的方法有兩種基本形式：接地開(kāi)關(guān)電容模擬電阻和浮地開(kāi)關(guān)電容模擬電阻電路。

圖a是一只單刀雙擲及一只MOS電容器組成的開(kāi)關(guān)電容電路。該開(kāi)關(guān)在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，以頻率WS交替地將電容C接到位置1和2。(a)原理圖IV2VI++--oC1S211、接地開(kāi)關(guān)電容模擬電阻電路這樣一種單刀雙擲開(kāi)關(guān)在實(shí)際電路中，是由兩個(gè)互不重迭的互補(bǔ)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的MOS管組成的模擬開(kāi)關(guān)，如4.2.8圖（b）所示。(b)電路圖IV2VI++--oC1M1M2?等效電阻圖V2VI++--Req圖（c）則是該電路所等效的模擬電阻Reg。（2）工作原理當(dāng)時(shí)鐘φ為高電平時(shí)，MOS管M1導(dǎo)通，而φ為低電平，M2截止。這時(shí)電容C1通過(guò)開(kāi)關(guān)管M1存儲(chǔ)電荷，其電荷量為：Q1=C1V1；當(dāng)時(shí)鐘φ為低電平時(shí)，M1截止，M2導(dǎo)通，電容C1上儲(chǔ)存的電荷通過(guò)M2向V2端傳送。這樣在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，從V1端徑電容C1向V2端傳送的電荷量為：△Q=C1（V1-V2）

則單位時(shí)間內(nèi)，由V1端送到V2端的平均電荷量，即電流的大小為：

式中：TS為時(shí)鐘信號(hào)φ的周期。則V1V2兩端之間可以等效為一個(gè)電阻器，其阻值大小為：

（3）例：設(shè)fS=100KHZ，C=1Pf，則它就可模擬一只10MΩ的電阻。注：這種等效是有條件的，那就是必須滿足WS>2WC。

2、浮地開(kāi)關(guān)電容等效電阻：（1）電路原理及電路圖

(a)原理圖V2VI++--C1S1S2(b)電路圖V2VI++--C1M1M2（2）工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘φ為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，S2斷開(kāi)，這時(shí)電容器清零。

當(dāng)時(shí)鐘φ為低電平時(shí)，S1斷開(kāi)，S2閉合，電容C1充電到（V1-V2），故電容C1存儲(chǔ)的電荷量為：Q=C1（V1-V2），則在時(shí)鐘φ的一個(gè)周期內(nèi)，從V1端流到V2端的平均電流為：

相應(yīng)的等效電阻Req為：

第三節(jié)

電流源和電流阱

一、理想的電流源1、理想電流源的特性：是一個(gè)二端元件，它的電流在源的端電壓為任何值時(shí)都是常數(shù)。電流源的端電壓取決于外部電部。

2、伏安特性和簡(jiǎn)化電路符號(hào)：

二、實(shí)際電流源和電流阱1、電流源使用的基本拓樸結(jié)構(gòu)如下圖：VP和VN分別為最正和最負(fù)的直流電壓。

（1）當(dāng)電流源的一端與電路中最正的直流電壓接在一起時(shí)，稱為電流源。

（2）當(dāng)電流源的一端與電路中最負(fù)的直流電壓接在一起時(shí)，稱為電流阱。

2、實(shí)際電流源、電流阱的伏安特性電流源伏安特性

電流阱伏安特性

三、電流源、電流阱的基本實(shí)現(xiàn)電路

1、電流阱基本電路（a）BJT電流阱

（b）MOS電流阱

2、基本電路的特性：（1）BJT電流阱當(dāng)V>VCE（飽和）：

電流阱輸出電阻R0為：

對(duì)于電流源上述特性方程也成立。

VMIN≈VEC（飽和）

（從V=0到V=VMIN的區(qū)間，對(duì)應(yīng)于Q1的飽和區(qū)）

（2）MOS管電流阱（設(shè)=0）

電流VMIN=VDS（飽和）=VGG-VT

V>VMIN時(shí)：上述特性方程對(duì)MOS電流源也成立。

四、改善性能的電路（R0、VMIN）

1、負(fù)反饋法：（1）電路圖：

(a)BJT

(b)MOS（2）特性：（以BJT管為例）

①BJT管：

隨著R變大，

，比R=0增加（1+βF）倍。

②MOS管：

式中：（3）實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路：

BJT，Q1的輸出電阻r0代替上述電路中的R得：

例若Q1和Q2完全相同，則可算，gm2=8.456ms,r01=r02=913KΩ,r2=11.526KΩ得R0=91.05MΩ,(比0.913MΩ簡(jiǎn)單BJT電流源幾乎增加了（1+βF）倍)。例若M1和M2與圖4.3.4(b)中的M相同，則可算出：gm2=152.6μs和gds1=gds2=0.97μs,gmb2不計(jì)，得：R0=171.9MΩ(比圖4.3.4(b)中的R0=1.07增大了102倍以上。)

②VMIN為使VMIN最小，關(guān)鍵選圖(a)中的VBB2和圖（b）中的VGG2。對(duì)圖4.3.6(a),VBB2=VCE1（飽和）+VBB，則可使VMIN=2VCE（飽和）對(duì)圖4.3.6(b)，VGG2=VDS1（飽和）+VGS2，則可使VMIN=2（VGG1-VT1）

2、正反饋法：（1）電路圖：

BJT管MOS管3、調(diào)節(jié)型共源共柵電流阱第四節(jié)

電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)

一、電壓基準(zhǔn)或電流基準(zhǔn)：

1、概念：指受電源電壓波動(dòng)和環(huán)境溫度變化影響很小的精密直流電壓源或電流源電路。

2、靈敏度和分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)：（1）VREF對(duì)電源VXX變化的靈敏度定義為：

IREF對(duì)電源VXX變化的靈敏度：

（）（2）用分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)ICF定義基準(zhǔn)對(duì)溫度依賴關(guān)系為：

TCF的單位表示為每°C的百萬(wàn)分之一，即ppm/°C，設(shè)VREF相對(duì)于溫度的靈敏度等于1/100表示一個(gè)好的電壓基準(zhǔn)，則在室溫（T=300K）下，其分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)為（1/300）×（1/100）×1000000=33.3ppm/°C

3、舉例：

簡(jiǎn)單電壓基準(zhǔn)解:（1）對(duì)（a）圖：

依靈敏度定義：1)VREF對(duì)于VXX的靈敏度為：

2）VREF的分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)為：(設(shè)VXX與溫度無(wú)關(guān))

（2）對(duì)（b）圖：

1）求靈敏度

若VCC=5V，R=43KΩ，IS=0.4fA則即如果VCC變化10%，VREF將變化0.379%。2）求分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)

在

式中，Vt，R，IS是溫度的函數(shù)

所以：而

帶隙電壓，它與溫度無(wú)關(guān)。

式中:VGO為硅的（3）對(duì)圖（c）

1）求靈敏度

2）求分?jǐn)?shù)溫度系數(shù)

要得到電流基準(zhǔn)和電壓基準(zhǔn)，就是要盡量使電源和溫度對(duì)基準(zhǔn)的影響最小。

二、幾種常見(jiàn)的電流基準(zhǔn)：1、采用一種利用正偏pn結(jié)的發(fā)射結(jié)電壓降VBE的技術(shù)。由圖可得：2、自舉偏置電路（1）電路圖：（2）工作原理：IC1=IC2，BE1=Vtln[IC1/IS1]=IC2R1用圖解法解上述聯(lián)立方程，得IC2有兩個(gè)穩(wěn)定的工作點(diǎn)：A點(diǎn)：IC2=0B點(diǎn)：IC20只要給此電路一個(gè)適當(dāng)?shù)膯?dòng)電流，電路就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入B點(diǎn)工作狀態(tài)。

三、幾種常用的電壓基準(zhǔn)

（一）采用穩(wěn)壓二極管的電壓基準(zhǔn)1、穩(wěn)壓二極管的特性

2、利用穩(wěn)壓二極管和pn結(jié)二極管溫度系數(shù)相反的關(guān)系以期抵消溫度對(duì)電源的影響?！獪p小電源基準(zhǔn)TCF的方法之一。

假定I0設(shè)置得很好，足以使VB=BV可以認(rèn)為與VCC無(wú)關(guān)。又假設(shè)所有VBE都相等，且所有二極管都匹配，

則基準(zhǔn)電壓：

將上式對(duì)T求微分，然后改其等于零，得到：

若穩(wěn)壓二極管的溫度變化特性是+3mV/°C，則：

1VREF