第第八八章章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路电流源电路8.2 基准电压源基准电压源8.3单端反相放大器单端反相放大器8.3单端反相放大器单端反相放大器8.4差分放大器差分放大器8.5运算放大器运算放大器8.6振荡器振荡器1 18.1 电流源电路电流源电路基本偏置基本偏置： 电流偏置电流偏置：提供电路中相关支路的静态工作电流提供电路中相关支路的静态工作电流。 电压偏置电压偏置：提供相关节点与地之间的静态工作电压提供相关节点与地之间的静态工作电压。电流源电路电流源电路：做各种放大器的做各种放大器的恒流偏置恒流偏置，且可用它取代且可用它取代 电阻作为放大器的电阻作为放大器的负载负载2电阻作为放大器的电阻作为放大器的负载负载。 对电流源的基本要求对电流源的基本要求：有足够大的有足够大的动态内阻动态内阻、对对温度温度的的 敏感度极低敏感度极低、能抵抗电源电压或其他外因的能抵抗电源电压或其他外因的变化变化。 电流偏置电路的基本形式是电流偏置电路的基本形式是电流镜电流镜。 由两个或多个并联的相关电流支路组成由两个或多个并联的相关电流支路组成，各支路的电流各支路的电流 依据一定的比例关系而成比例依据一定的比例关系而成比例。8.1.1 双极型镜像电流源双极型镜像电流源VU2电流源电流电流源电流I0与另一支路与另一支路(参考支路参考支路)的电流的电流IR(参考电流参考电流)近似相等近似相等 I0与对温度敏感的晶体管参数几乎无关与对温度敏感的晶体管参数几乎无关，电路具有较好的温度特性电路具有较好的温度特性。 缺点缺点：动态内动态内阻阻(rce)不不够大够大，镜像精度不够高镜像精度不够高， 抗抗电源电压变化能力较差电源电压变化能力较差。基本镜像电流源基本镜像电流源（电流镜电流镜）0CCBE RVUIIR0CC RVIIR若若 VCCUBE3I 与与IR的差值由的差值由2IB减小到减小到2IB(1+3)基本镜像电流源的镜像误差基本镜像电流源的镜像误差在此支路中插入一在此支路中插入一射极跟随器射极跟随器T3，利用利用T3的电的电 流放大作用流放大作用，进一步减小进一步减小T1、T2基极电流对基极电流对IR 的分流作用的分流作用，提高镜像精度提高镜像精度。030 32 1B RBIIIII3带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源Io与与IR的差值由的差值由2IB减小到减小到2IB(1+3)4 4330(1)(1)()EBRIIII0 322EBIII0211 2211(1)RRIII 1如果如果T3的工作电流的工作电流(约为约为2 IB)很小很小，其其 值也就较小值也就较小，则则T3的缓冲作用就不够好的缓冲作用就不够好，镜镜 像精度就不够高像精度就不够高。为了适当提高为了适当提高T3的工作电流的工作电流，在在T1、T2 的基的基、射极间并联了一只电阻射极间并联了一只电阻RB。030 32 1B RBIIIIIB 若若RB选得过小选得过小，T3电流过大电流过大，则又加大则又加大 了了Io与与IR的差值的差值。综合考虑选择合适的综合考虑选择合适的RB，使缓冲作用达到最佳使缓冲作用达到最佳。优缺点优缺点：提高了镜像精度提高了镜像精度， 但动态内阻仍不够大但动态内阻仍不够大(rce)带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源5设设T1、T2、T3的参数均相同的参数均相同2 32222C ECBCIIIII0 233(1)(1)222CEBIIII0 1301 2RCBIIIII 威尔逊电流源威尔逊电流源6可自动的稳定电流源电流可自动的稳定电流源电流I0。 设由于温度或负载等因素变化使得设由于温度或负载等因素变化使得I0 ， 则则 IE3及其镜像及其镜像IC1 ， 促使促使VC1(VB3) ， IB3，驱使驱使I0回落回落。当当 =10时时，I0=0.984IR，可见即使在可见即使在 很小时很小时， I0 IR ， I0受基极电受基极电 流影响很小流影响很小。镜像精度高镜像精度高求动态内阻求动态内阻R0的等效电路的等效电路设三管参数相同设三管参数相同，且且rbel7动态内阻大动态内阻大M1M2IrIo8.1.2 MOS电流镜电流镜忽略沟道长度调制效应忽略沟道长度调制效应，可以写出可以写出：21()() (1)2noxGSTHDSWICVVVLlM1 M2:饱和区饱和区恒流源恒流源M1M2NMOS基本电流镜基本电流镜8只需选择好两管的只需选择好两管的栅极宽长比栅极宽长比，即可实现按比例输出即可实现按比例输出。多支路比例电流镜多支路比例电流镜如果有多个输出支路如果有多个输出支路，则则：在一个模拟集成电路中在一个模拟集成电路中 由一个参考电流以及各由一个参考电流以及各 成比例的成比例的NMOS晶体管晶体管 就可以获得多个支路的就可以获得多个支路的 电流偏置电流偏置。6关键特性关键特性：可以精确的复制电流而不受工艺和温度的影响可以精确的复制电流而不受工艺和温度的影响。 I0、Ir比值由器件尺寸的比率决定比值由器件尺寸的比率决定，该值可以控制在合理地精度范围内该值可以控制在合理地精度范围内。 电流源电流源：输出电流稳定输出电流稳定，输出阻抗高输出阻抗高，是恒流源是恒流源。 沟道效应沟道效应：沟道长度较大沟道长度较大，影响较小影响较小 -长沟道器件作为输出支路器件长沟道器件作为输出支路器件。 Ps:沟道长度变大沟道长度变大，占用面积增加占用面积增加，输出节点电容增加输出节点电容增加，影响电路动态影响电路动态 性能性能，因此因此沟道长度选择要适当沟道长度选择要适当。 沟道长度调制效应的作用沟道长度调制效应的作用，使得使得交流输出电阻变小交流输出电阻变小。 9 9NMOS 威尔逊电流镜电路采用了威尔逊电流镜电路采用了串联电流串联电流 负反馈负反馈结构结构提高提高电路的电路的交流交流输出电阻输出电阻。提高输出电阻的基本原理是提高输出电阻的基本原理是：在在M1的源极的源极 接有接有M2而形成的串联电流负反馈而形成的串联电流负反馈。M2在电在电 路中相当于一个路中相当于一个串联电阻串联电阻（有源电阻有源电阻）。）。与基本电流镜相比与基本电流镜相比，输出电阻较大输出电阻较大，其恒流其恒流 特性优于基本电流镜特性优于基本电流镜。NMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜特性优于基本电流镜特性优于基本电流镜。M3的漏节点提供了的漏节点提供了M1的偏置电压的偏置电压1010I0 VGS2 VGS1 I0 I0趋于恒流趋于恒流如果如果M1和和M2的宽长比相同的宽长比相同，其它的器件参数也相同其它的器件参数也相同，因为在其中流过因为在其中流过 的电流相同的电流相同，则它们的则它们的VGS必然相同必然相同，使使M3的的VDS3=2VGS2, 而而M2的的 VDS2=VGS2。 M2、 M3这种这种VDS上的差异也将导致输出电流上的差异也将导致输出电流与参考电与参考电流的流的 误差误差21()() (1)2noxGSTHDSWICVVVLl误差误差。VDS3=VGS1+VGS2VGS1 VDS3 如果如果M1的宽长比大于的宽长比大于M2的宽长比的宽长比，在相同的电流条件下在相同的电流条件下，导电因子导电因子K 大则所需的大则所需的VGS就比较小就比较小。VGS1的减小使得的减小使得M3的的VDS3减小减小，缩小了缩小了M2和和 M3的的VDS差别差别，可以使误差减小可以使误差减小。但即使但即使M1的宽长比再大的宽长比再大，也不可能使得也不可能使得VDS3=VDS2,所以所以，若要消除误差若要消除误差 必须在必须在M3的漏极上串联一个电阻消耗掉多余的电压的漏极上串联一个电阻消耗掉多余的电压，使使VDS3=VDS2。 1111由由M4晶体管构成的有源电阻消耗了一晶体管构成的有源电阻消耗了一 个个VGS，使使M2、M3的漏源电压相等的漏源电压相等。如果如果M1和和M2的宽长比相同的宽长比相同，从从M1、 M4的栅极到的栅极到M2、M3的源极的压差为的源极的压差为 2VGS2，如果如果M4、M3相同相同，则则M4的栅的栅 源电压就为源电压就为VGS2，使使M3管的漏源电压管的漏源电压 和和M2的漏源电压相同的漏源电压相同，都为都为VGS2。和和M2的漏源电压相同的漏源电压相同，都为都为VGS2。威尔逊电流镜的改进结构使参考支路威尔逊电流镜的改进结构使参考支路 和输出支路的电流以一个几乎不变的和输出支路的电流以一个几乎不变的 比例存在比例存在。威尔逊电流镜的改进结构威尔逊电流镜的改进结构12128.2 基准电压源基准电压源此电路的输出基准电压此电路的输出基准电压VREF为为：8.2.1 双极型三管能隙基准源双极型三管能隙基准源11三管能隙基准源三管能隙基准源此电路的输出基准电压此电路的输出基准电压VREF为为：其中其中：1313式中式中IE1、IE2、AE1、AE2、J1、J2分别为分别为Q1和和Q2管的发射管的发射 极电流极电流、有效发射结面积和发射极电流密度有效发射结面积和发射极电流密度。利用等效热电压利用等效热电压VT的的正温度系数正温度系数和和VBE的的负温度系数负温度系数相互补偿相互补偿， 可使输出基准电压的温度系数接近为零可使输出基准电压的温度系数接近为零。由文献知由文献知：式中式中Vg01.205V，是温度为是温度为0K时的硅外推能隙电压时的硅外推能隙电压； n 为常数为常数，其值与晶体管的制作工艺有关其值与晶体管的制作工艺有关，对于集成电路中的对于集成电路中的 双扩散晶体管双扩散晶体管，n1.52.2； T0为参考温度为参考温度。假设假设R2/R3、J1/J2与温度无关与温度无关，则可以令在则可以令在T=T0时的基准电压的温度系时的基准电压的温度系 数为数为0，即即 VREF/ T 0 0，求得在参考温度求得在参考温度T0附近时附近时，基准电压和温度的关系基准电压和温度的关系。1414lnJ1 J2R2kT0 R3qVREF VBE0 T T0kT0 q Vg0 n实际上实际上nkT0/q26mV时时，利用其非线性特性可实现一系列的非线性运算利用其非线性特性可实现一系列的非线性运算。 |vID| 4VT=104mV时时, 一管趋于截止一管趋于截止，IEE电流几乎全部流入另一管电流几乎全部流入另一管， 曲线进入限幅区曲线进入限幅区。 利用利用vID的正负极性的正负极性，使两管轮流进入限幅区使两管轮流进入限幅区。T当两管特性一致当两管特性一致，且工作在饱和且工作在饱和 区时区时，两管的漏极电流分别是两管的漏极电流分别是：33MOS差分放大器差分放大器 因此因此3030由于由于将上式两边平方将上式两边平方，经整理经整理 求得单端输出电流求得单端输出电流将将 IDQ1 IDQ2 ISS/2 K(V GSQ Vth)2 代入各式代入各式，得到得到MOS差放的差模差放的差模 传输特性传输特性343131差动输出电流差动输出电流2 12212DDIDSSID SSKiivKIvIMOS差分放大器差模特性曲线差分放大器差模特性曲线353232MOS差分放大器差模特性曲线差分放大器差模特性曲线MOS差放的线性范围均与差放的线性范围均与VGSQ即即ISS和和K有关有关。ISS越大越大，K越