模模拟电子技子技术原理基原理基础第八第八章章第八章第八章 MOS MOS 模模拟集成集成电路路第一第一节概述概述第二第二节 MOS MOS 模模拟集成集成单元元电路路第三第三节 MOS MOS 模模拟集成运算放大器集成运算放大器第四第四节 MOS MOS 模模拟开关及开关开关及开关电容容电路路第一节 概述与双极型模拟集成电路相比,MOS模拟集成电路:优点点:集成度高集成度高(1/5),输入阻抗高入阻抗高,功耗低功耗低,制造制造简单, 动态范范围大大,成本低成本低. 缺点缺点: :增益低增益低,(1/40),(1/40),工工艺匹配性能差匹配性能差, ,低低频噪声大噪声大按按MOS工工艺分分为:1.PMOS型型:电路全部由路全部由P沟道沟道FET组成。成。2.NMOS型型:电路全部由路全部由N沟道沟道FET组成。成。 3.CMOS型型:电路由路由PMOS、NMOS互互补器件器件组成。成。第二节 MOS模拟集成电路一、一、MOS 电流源流源（一）、（一）、 MOS镜像像电流源（流源（电路如路如图）T!T2EIrI0T1、T2均工作在恒流区均工作在恒流区因因为UGS1=UGS2,UT1=UT2,IG=0所以所以一、MOS MOS 电流源流源（一）、（一）、 MOS镜像像电流源（流源（电路如路如图）T!T2EIrI0若若T1、T2结构构对称，称，则沟道的沟道的宽长比比=1。所以。所以 Io=Ir 成成镜像关系像关系一、 MOS MOS 电流源流源（二）、具有多路（二）、具有多路输出的比例出的比例电流源（流源（电路如路如图） 由（一）可知，若由（一）可知，若T1、T2结构不构不对称，称，则I0与与Ir成成比例，比例系数比例，比例系数为沟道的沟道的宽长比之比。比之比。设T1、T2、T3管的沟道管的沟道宽长比分比分别为ST1、ST2、ST3，则有有I02I03T3UDDBSD.G.BSgmUGSgmbUBSrDSI0U0二、 MOSMOS管有源管有源负载（一）增（一）增强型（型（单管）有源管）有源负载将将D、G短接，短接，电路如路如图R0R0等效等效电路如路如图其中：其中： 称跨称跨导比比显然，适当减小然，适当减小gm(或或 ) ，可提高，可提高R0G.S二、 MOSMOS管有源管有源负载（二）耗尽型（二）耗尽型 单管）有源管）有源负载将将D、S短接，短接，电路如路如图R0R0等效等效电路如路如图显然，与增然，与增强型型MOS有源有源负载相比，它具有更高的相比，它具有更高的R0三、 MOSMOS单级放大器放大器有源有源负载的共源的共源MOS放大器常放大器常见的的电路形式有：路形式有：1.E/E型型NMOS放大器：放大管和放大器：放大管和负载管均管均为N沟道增沟道增强型型 （E型）的共源放大器。型）的共源放大器。2. E/D型型NMOS放大器：放大管用增放大器：放大管用增强型（型（E型）型） ，负载管管 用耗尽型（用耗尽型（D型），两管均型），两管均为N沟沟 的共源放大器。的共源放大器。3.CMOS放大器：使放大器：使衬、源、源电压（UBS=0）,并由增并由增强型型NMOS 管和增管和增强型型PMOS组成的放大器。成的放大器。4. CMOS放大器：在的基放大器：在的基础上，将两管的上，将两管的栅极极连在一起作在一起作为 输入端。入端。（一）、E/E型NMOSMOS放大器放大器电路如路如图 (N1为放大管放大管,N2为负载管管)等效等效电路如路如图 (RL2=1/gmb2为N2管的等效管的等效电阻阻)N1N2UDDUiUo电压增益增益:由于由于SN1、SN2受工作点限制不能随意受工作点限制不能随意增加，所以增加，所以AUE较小。小。输入入电阻：阻：Ri1010 输出出电阻：阻：Ro=rds/RL2（二）、E/D型NMOSMOS放大器放大器N1N2UDDUiUo电路如路如图 (N1为放大管放大管,N2为负载管管)等效等效电路如路如图 (RL2=1/gmb2为N2管的等效管的等效电阻阻)电压增益增益:输入入电阻：阻：Ri1010 输出出电阻：阻：Ro=rds/RL2因因为 2为0.1左右左右,所以所以AUD比比AUE高高一个数量一个数量级,增益增益较高。高。显见，比，比E/E型放大器型放大器输出出电阻高。阻高。（三）、C CMOSMOS放大器放大器电路如路如图 : (B、S短接即短接即UBS=0;UGS=0)等效等效电路如路如图 : (P2管的等效管的等效负载RL2=rds)rdS2电压增益：增益： AUC=-gm1(rds1/rds2)=- gm1/(gds1+gds2)gds1+gds2比比gm2、gmb2小小12个数量个数量级，所以，在，所以，在 同同样工作工作电流条件下，流条件下，AUC远高于高于AUE、AUD。在恒流区在恒流区，ID越小，越小，AUC越高。越高。输入入电阻：阻：Ri1010 输出出电阻：阻：Ro=rds1/rds2=1/(gds1+gds2)Ro比比E/E、E/D放大器的放大器的Ro高。高。-USS（四）、C CMOSMOS互互补放大器放大器电路如路如图：等效等效电路如路如图：gm1Ugs1gm2UGS2rds2电压增益：增益：AUC=-(gm1+ gm2)/(rds1/rds2) =-( gm1 + gm2) /(gds1+gds2)输入入电阻：阻：Ri1010 输出出电阻：阻：Ro=rds1/rds2 =1/(gds1+gds2)显见，它比，它比CMOS放大器具有更高的增益。放大器具有更高的增益。-USS第三节、MOSMOS集成运算放大器集成运算放大器2.CMOS运放：运放： 常用的集成运算放大器有常用的集成运算放大器有1.NMOS运放：运放： 优点：速度快、集成度高。点：速度快、集成度高。缺点：缺点：Au小、小、电路复路复杂。优点：增益高、点：增益高、电路路简单。缺点：速度缺点：速度较低、集成度低、集成度较低。低。（一）、5G14573CMOSMOS四运放四运放电路路PoP1P2P3P4N1N2N3cR-UssUDDUoUi1Ui2123456789101112131415165G14573外形封装如外形封装如图（含（含4个完全相同的运放）个完全相同的运放）(1/4) 5G14573运放运放电路如路如图(1/4)5G14573(1/4)5G14573运放运放电路分析路分析PoP1P2P3P4N1N2N3cR-UssUDDUoUi1Ui2电路路结构：构：偏置偏置电路路差差动输入入级输出出级偏置偏置电路：由路：由P0、P1、P2管管组成比例成比例电流源，参流源，参考考电流由流由P0和和R提供。提供。差差动输入入级：由：由P3、P4组成，成，N1、N2为其有源其有源负载，并完成双，并完成双-单端端转换。输出出级：由：由N1,P2构成共构成共源放大器，源放大器，P2为负载管，管，C为密勒密勒补偿电容。容。第四第四节 MOSMOS模模拟开关及开关开关及开关电容容电路路在模在模拟集成集成电路中，路中，MOS管可做管可做为： 1.增益器件；增益器件； 2.有源有源负载； 3.模模拟开关开关(接近于理想开关接近于理想开关)做成的模做成的模拟开关近于理想开关，主要是它有以下特性：开关近于理想开关，主要是它有以下特性： 1.器件接通器件接通时D-S间不存在固有的直流漂移。不存在固有的直流漂移。 2.控制端控制端G与信号通路是与信号通路是绝缘的，控制通路与信号通路之的，控制通路与信号通路之 间无直流无直流电流。流。从开关从开关应用角度用角度讲，NMOS优于于PMOS，所以通常，所以通常选用用NMOS管做模管做模拟开关。开关。一、一、单管管 MOSMOS传输门模模拟开关开关1.增增强型型单管管MOS模模拟开关开关电路路GSBCLRLUoUiSDBGCGSCSBCGDCDBKR0nKUGUt时管子管子导通（通（Ron 0）。）。 所以可近似等效所以可近似等效为理想开关（如理想开关（如图）实际应用用时，MOS管并非理想开关。管并非理想开关。 因因为：（1）极）极间电容容CGS、CGD、CSB、CDB存在存在（2）Roff , Ron 0UGS Ron ,CGSCGD串串扰 .所以所以应适当适当选择UGSRon ,极极间电容容 .所以所以应适当适当选择显见：保保证MOSMOS模模拟开关正常工作的条件开关正常工作的条件MOS开关的正常工作受限于与开关开关的正常工作受限于与开关连接的接的电容容值， 时间常数是限制开关工作速度的重要因素。常数是限制开关工作速度的重要因素。保保证开关工作的条件开关工作的条件为：开关工作开关工作频率率时钟控制控制频率率二、开关二、开关电容容电路（路（简称称SCSC电路）路）开关开关电容容电路的路的组成：成：由模由模拟开关和开关和NMOS电容容组成。成。开关开关电容容电路的功能：路的功能：在在时钟信号的控制下完成信号的控制下完成电荷的存荷的存储和和 转移。它与运放等基本移。它与运放等基本电路路组合起来可合起来可 实现多种功能。多种功能。几种常用的基本几种常用的基本SC电路路:1.SC等效等效电阻阻电路，分路，分为（1）并）并联型型SC等效等效电阻阻电路，路，（2）串）串联型型SC等效等效电阻阻电路，路，2.SC积分器（分器（简称称SCI）3.SC低通低通滤波器波器（一）、（一）、SCSC等效等效电阻阻电路路1.并并联型型SC等效等效电阻阻电路，（如路，（如图）/ ttTc （1）要求：）要求： 、 / 同同频、反相、等幅、反相、等幅 且不重叠。波形如且不重叠。波形如图（2）工作原理）工作原理当当 为高高电平平时，N1通、通、N2止，止，C接到接到U1得到充得到充电电荷荷Q1=CU1当当/ 为高高电平平时，N1止、止、N2通，通，C接到接到U2，C端端电荷荷Q2=CU2因此，在因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输 的的电荷荷为 Q=Q1-Q2=C(U1-U2)N1N2U2U1 / CRU1U2（一）、（一）、SCSC等效等效电阻阻电路路（2）工作原理）工作原理因此，在因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输 的的电荷荷为： Q=Q1-Q2=C(U1-U2)从从U1流向流向U2的平均的平均电流流为：I= Q/TC=C(U1-U2)/TC所以，等效所以，等效电阻阻为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC注意：等效注意：等效电阻阻R代替常代替常规电阻必阻必须满足以下条件足以下条件1.fC远大于大于fS2.U1、U2 不受开关不受开关闭合的影响合的影响N1N2U2U1 / CRU1U2（一）、（一）、SCSC等效等效电阻阻电路路工作原理工作原理因此，在因此，在时钟Tc内，从内，从U1向向U2传输 的的电荷荷为： Q=Q1-Q2=C(U1-U2)所以，等效所以，等效电阻也阻也为： R= (U1-U2)/I=TC/C=1/fcC2.串串联型型SC等效等效电阻阻电路，（如路，（如图）当当 为高高电平平时，N1通、通、N2止，止，C上上储存的存的电荷量荷量Q1=C（U1-U2)当当/ 为高高电平平时，N1止、止、N2通，通，C上上储存的存的电荷量荷量Q2=0显见，与并，与并联型型SC等效等效电阻阻电路路的的 Q相同相同（三）、（三）、SCSC低通低通滤波器波器R1CUiUcR1CR2RfUiUcU0U0UcUiCC1C2Cf / / / RC无源网无源网络构成的低通构成的低通滤波器波器电路如路如图其其传输函数：函数：其中，其中， 0=1/R1C 称低通截止称低通截止频率。率。有源一有源一阶低通低通滤波器波器电路如路如图其其传输函数：函数：其其传输函数：函数：用用SC等效等效电阻代替上阻代替上图中的中的电阻，阻，就得到就得到SC低通低通滤波器。如波器。如图低通截止低通截止频率：率： 0=fcC1/C 本章小本章小结ljp:1.MOS集成集成电路的分路的分类（NMOS、PNOS、CMOSC、MOS互互补）2.MOS器件作器件作为有源有源负载（单管增管增强型、型、单管耗尽型、管耗尽型、镜像像电流源）流源）3.MOS器件作器件作为开关的条件（开关工作开关的条件（开关工作频率率时钟控制控制频率）率）4.MOS管作管作为放大器件，构成放大器：放大器件，构成放大器： (1)E/E NMOS放大器放大器(2)E/D NMOS放大器放大器(3)CMOS放大器放大器(4) CMOS互互补放大器放大器5.开关开关电容容电路路(1)SC等效等效电阻阻电路路 （串（串联型、并型、并联型）型）(2)SC积分器分器（3）SC低通低通滤波器波器