第四章集成電路基本模塊設計一、教學目的和要求：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際實現的主要非理想特性；3、了解實際電路的主要非理想特性對電路性能的影響和常見的改進方法；4、理解集成電路設計過程中原理性和技術性的關鍵概念。二、重點、難點：1、集成電路設計過程中原理性和技術性的關鍵概念。2、基本單元模塊的基本組成；主要非理想特性對電路性能的影響和常見的改進方法。第一節(jié)開關一、理想電壓控制開關的模型：1、模型圖IoCVC

VC=VC1接通時，VIO=VI－VO=0，II=IO可取任意值，I、O兩點間短路。VC=VC2斷開時，II=IO=0，VIO可能為任意值，I、O兩點間開路。二、實際電壓控制開關的模型IoffRoffRonVos-

+VCCICICCocCoIoC失調電流、失調電壓、寄生電容、開關非線性、電阻等。模型圖如下三、開關電路的實現及主要非理想特性：1、用BJT實現開關：（1）電路：IVoVCVI++--oC+-IIIo可知，VC（VBE）恒定時，存在非線性，限制開關的動態(tài)范圍；3）（2）非理想特性：1）失調電壓VOS≈16mV；2）由三極管特性曲線2、用MOS管實現開關（1）電路：（2）非理想特性：1）溝通電阻：a)在開關導通狀態(tài)下，其兩端電壓很小，而VGS很大，此時，溝道電阻為：IVoVCVI++--oC+-I1b)開關斷開時，

2）電容：例、C1充電電路圖（例：充電電路）“仿真Ron的影響”。四、開關對電路的影響：1、開關的端電壓與控制端電壓相對值；2、導通時溝道電阻Ron；C1充電等效電路圖在電路的充電變換過程中，開關的導通電阻非常重要，要滿足條件：ＲonC1<<T（其中：T是φ1為高電平的時間）3、漏電流的影響（開關截止時）（例）采樣保持電路

MOS開關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）采用傳輸門作為開關五、適用于低電源電壓的開關電路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計中兩種實現電阻的方法。第一種：用有源器件實現電阻。

優(yōu)點:電阻的尺寸最小。第二種：用開關電容實現電阻。

優(yōu)點:電阻的精度高，取決于時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）小信號電導為：（2）雙極晶體管1）電路：2）直流電阻3）小信號電導

（3）例：有源電阻分壓器，如圖表示用一個n溝MOS有源電阻和一個p溝MOS有源電阻產生一個直流電壓Vout。若VDD=5V，VSS=-5V，I=50μA。求Vout=1V時，M1和M2的W/L比值。設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不產生影響。由于VGD=0，兩管都處于飽和狀態(tài)。因為流過兩管的電流必須相同，而電壓VDS1和VDS2已經給定，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MOS模型。

注意到VDS1=VDS2=V，并設互相匹配的晶體管允許電流I表示為：

所以交流電阻值：

2）交流差動電阻結構：

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

①單溝道MOS管實現交流差動電阻結構

只要：②雙MOS管實現交流差動電阻結構

只要滿足V1，V2≤min[VC2-VT，VC1-VT]條件

其動態(tài)電阻為：二、采用開關和電容器的方法實現交流電阻

由時鐘信號控制的模擬開關和電容器來模擬電阻器的方法有兩種基本形式：接地開關電容模擬電阻和浮地開關電容模擬電阻電路。

圖a是一只單刀雙擲及一只MOS電容器組成的開關電容電路。該開關在時鐘信號的驅動下，以頻率WS交替地將電容C接到位置1和2。(a)原理圖IV2VI++--oC1S211、接地開關電容模擬電阻電路這樣一種單刀雙擲開關在實際電路中，是由兩個互不重迭的互補時鐘信號驅動的MOS管組成的模擬開關，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）工作原理當時鐘φ為高電平時，MOS管M1導通，而φ為低電平，M2截止。這時電容C1通過開關管M1存儲電荷，其電荷量為：Q1=C1V1；當時鐘φ為低電平時，M1截止，M2導通，電容C1上儲存的電荷通過M2向V2端傳送。這樣在一個時鐘周期內，從V1端徑電容C1向V2端傳送的電荷量為：△Q=C1（V1-V2）

則單位時間內，由V1端送到V2端的平均電荷量，即電流的大小為：

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

（3）例：設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、浮地開關電容等效電阻：（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：當驅動時鐘φ為高電平時，開關S1閉合，S2斷開，這時電容器清零。

當時鐘φ為低電平時，S1斷開，S2閉合，電容C1充電到（V1-V2），故電容C1存儲的電荷量為：Q=C1（V1-V2），則在時鐘φ的一個周期內，從V1端流到V2端的平均電流為：

相應的等效電阻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：是一個二端元件，它的電流在源的端電壓為任何值時都是常數。電流源的端電壓取決于外部電部。

2、伏安特性和簡化電路符號：

二、實際電流源和電流阱1、電流源使用的基本拓樸結構如下圖：VP和VN分別為最正和最負的直流電壓。

（1）當電流源的一端與電路中最正的直流電壓接在一起時，稱為電流源。

（2）當電流源的一端與電路中最負的直流電壓接在一起時，稱為電流阱。

2、實際電流源、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、電流阱的基本實現電路

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V>VCE（飽和）：

電流阱輸出電阻R0為：

對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，對應于Q1的飽和區(qū)）

（2）MOS管電流阱（設=0）

電流VMIN=VDS（飽和）=VGG-VT

V>VMIN時：上述特性方程對MOS電流源也成立。

四、改善性能的電路（R0、VMIN）

1、負反饋法：（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）實際實現電路：

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，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，關鍵選圖(a)中的VBB2和圖（b）中的VGG2。對圖4.3.6(a),VBB2=VCE1（飽和）+VBB，則可使VMIN=2VCE（飽和）對圖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、調節(jié)型共源共柵電流阱第四節(jié)

電壓基準和電流基準

一、電壓基準或電流基準：

1、概念：指受電源電壓波動和環(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、靈敏度和分數溫度系數：（1）VREF對電源VXX變化的靈敏度定義為：

IREF對電源VXX變化的靈敏度：

（）（2）用分數溫度系數ICF定義基準對溫度依賴關系為：

TCF的單位表示為每°C的百萬分之一，即ppm/°C，設VREF相對于溫度的靈敏度等于1/100表示一個好的電壓基準，則在室溫（T=300K）下，其分數溫度系數為（1/300）×（1/100）×1000000=33.3ppm/°C

3、舉例：

簡單電壓基準解:（1）對（a）圖：

依靈敏度定義：1)VREF對于VXX的靈敏度為：

2）VREF的分數溫度系數為：(設VXX與溫度無關)

（2）對（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）求分數溫度系數

在

式中，Vt，R，IS是溫度的函數

所以：而

帶隙電壓，它與溫度無關。

式中:VGO為硅的（3）對圖（c）

1）求靈敏度

2）求分數溫度系數

要得到電流基準和電壓基準，就是要盡量使電源和溫度對基準的影響最小。

二、幾種常見的電流基準：1、采用一種利用正偏pn結的發(fā)射結電壓降VBE的技術。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用圖解法解上述聯立方程，得IC2有兩個穩(wěn)定的工作點：A點：IC2=0B點：IC20只要給此電路一個適當的啟動電流，電路就會自動進入B點工作狀態(tài)。

三、幾種常用的電壓基準

（一）采用穩(wěn)壓二極管的電壓基準1、穩(wěn)壓二極管的特性

2、利用穩(wěn)壓二極管和pn結二極管溫度系數相反的關系以期抵消溫度對電源的影響?！獪p小電源基準TCF的方法之一。

假定I0設置得很好，足以使VB=BV可以認為與VCC無關。又假設所有VBE都相等，且所有二極管都匹配，

則基準電壓：

將上式對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