1、第12章模擬集成電路中的基本單元電路，12.2恒流源電路，12.1單晶體管、復(fù)合器件和雙晶體管放大器級，操作，12.3偏置電壓源和參考電壓源電路，12.1單晶體管、復(fù)合器件和雙晶體管放大器級，1。雙極晶體管復(fù)合器件和雙晶體管放大級。在雙極模擬集成電路中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的有源器件通常按照一定的要求連接在一起。在電路分析中，它們通常被視為一個(gè)整體。1。達(dá)林頓管，Q1和Q2的集電極短接在一起，Q1的發(fā)射極與Q2的基極相連，管的靜態(tài)工作點(diǎn)由恒流源I0(或偏置電阻)設(shè)定。在布局設(shè)計(jì)中，由于兩個(gè)管的集電極短路，它們可以共用一個(gè)隔離島。上標(biāo)c代表復(fù)合管。復(fù)合管的輸入電阻、等效DC電流增益、低頻小信號電流增益

2、、等效跨導(dǎo)和等效輸出電阻。達(dá)林頓管因其高輸入電阻和大電流增益而廣泛應(yīng)用于集成電路中，但其跨導(dǎo)和輸出電阻小于單管，芯片面積增大。2。共集電極和共發(fā)射極單元，3。復(fù)合PNP晶體管。PNP晶體管有時(shí)用于雙極模擬集成電路，但一般橫向PNP晶體管的電流增益很小。當(dāng)需要較大電流增益的PNP晶體管時(shí)，可以使用復(fù)合PNP晶體管。它由水平PNP管和NPN管組成，I0為偏置恒流源。在電路布局中，它需要兩個(gè)獨(dú)立的隔離區(qū)。2.金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管放大級，1MOS源極跟隨器。由金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管組成的源極跟隨器類似于雙極晶體管的發(fā)射極跟隨器。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗和電壓增益小于(近1)的特點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于金

3、屬氧化物半導(dǎo)體集成運(yùn)算放大器。其源漏電阻rds2變化很小，基本上可以視為常數(shù)。它的源漏電阻rds2是一個(gè)可變非線性電阻，包括2MOS共源共柵放大器、3共源共柵放大器和4CMOS放大器。上述金屬氧化物半導(dǎo)體放大器均為單通道金屬氧化物半導(dǎo)體放大器，其缺點(diǎn)是均具有影響放大系數(shù)的襯偏調(diào)制效應(yīng)，襯底偏置效應(yīng)與摻雜濃度有關(guān)?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器可以克服這種影響。(1)在固定柵極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器中，由于阱的隔離，兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的襯底可以連接到它們各自的源極，因此基本上消除了由襯底偏置效應(yīng)引起的性能退化。M1是一個(gè)NMOS管，M2是一個(gè)PMOS管，這兩個(gè)管的襯底與它們自己的源(VB

4、S0)短路；此外，兩個(gè)管的柵極短路，輸入信號Vi同時(shí)作用在兩個(gè)管上。由于兩個(gè)管的通道不同，兩個(gè)管的電流方向相反，所以放大器的輸出電流是兩個(gè)管的電流之和。(2)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器，當(dāng)電路參數(shù)相同時(shí)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器的電壓增益是固定柵極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器的兩倍，兩者的輸出電阻相同；然而，固定柵極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器的偏置要求相對簡單。將CMOS放大器的電壓增益和輸出電阻與E/E MOS放大器和E/D MOS放大器進(jìn)行比較，可以看出，由于gds一般比gm和gmb小一兩個(gè)數(shù)量級，在相同的工作電流條件下，CMOS放大器的電壓增益比E/E和E/D放大器高得多，通常達(dá)到506

5、0分貝，其輸出電阻也比E/E放大器高。而且CMOS放大器有兩個(gè)性能相似的互補(bǔ)管，因此可以簡化許多模擬電路。由于這些特性，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體放大器被廣泛應(yīng)用于金屬氧化物半導(dǎo)體模擬大規(guī)模集成電路中。其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，模具面積大。恒流源電路廣泛用作偏置電路和有源負(fù)載。其基本形式是鏡像電流源電路。為了簡化制造工藝，提高恒流源的性能，適應(yīng)不同的要求，出現(xiàn)了許多電路形式。1.精確匹配電流鏡可以實(shí)現(xiàn)精確匹配，其原因在于以下措施：(1)增加Q3跟隨器緩沖器以改善IB引入的電流傳輸差；(2)利用R1=R2的負(fù)反饋來減小由VBE(VBE1VBE2)引入的電流差；(3)為了抵消IB3的影響，在Q2的集電極增加了一

6、個(gè)發(fā)射極跟隨器Q4，Q4的IB4用來抵消IB3，從而進(jìn)一步改善了Ir和Io的對稱性。在雙極模擬集成電路中，NPN晶體管一般用作放大器件，需要互補(bǔ)的PNP晶體管作為有源負(fù)載來增加增益，因此PNP恒流源廣泛應(yīng)用于雙極模擬電路中。只要用PNP管代替NPN管，改變電源接線和電流方向，各種NPN恒流源都可以變成PNP恒流源。第二，PNP恒流源，由于橫向PNP管易于制作成共基多發(fā)射極多集電極結(jié)構(gòu)，每個(gè)集電極的電流比精確地由每個(gè)集電極對應(yīng)的有效發(fā)射面積的周長比決定。這滿足了恒流源設(shè)計(jì)的要求，給電路設(shè)計(jì)帶來了很大的方便，并且可以節(jié)省隔離島的數(shù)量，減少管芯面積。12.3偏置電壓源和參考電壓源電路，集成電路中經(jīng)常

7、需要高質(zhì)量的內(nèi)部穩(wěn)壓源來提供穩(wěn)定的偏置電壓或參考電壓。通常，要求這些電壓源的DC輸出電平穩(wěn)定，并且該DC電平應(yīng)該對電源電壓和溫度不敏感。在集成電路中，有三種與電源電壓無關(guān)的常用標(biāo)準(zhǔn)電壓：(1)鈹結(jié)二極管的正向壓降VBE，VBE=0.60.8V伏，其溫度系數(shù)-2mV；(2)由氮磷管反向擊穿鈹結(jié)構(gòu)形成的齊納二極管的擊穿電壓Vz、Vz69V和溫度系數(shù)2MV(3)等效熱電壓Vt26mV毫伏，溫度系數(shù)0.086毫伏。這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為正和負(fù)。利用VBE、Vz和Vt的溫度系數(shù)符號相反，以及集成電路中元件之間的更好匹配和溫度跟蹤，通過以不同方式組合這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓，可以獲得對電源電壓和溫度不敏感的不同

8、電壓源和參考電壓。1.雙極三管能隙基準(zhǔn)源利用等效熱電壓Vt的正溫度系數(shù)和VBE的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償，可以使輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近零。Vg01.205V是硅在0K時(shí)的外推能隙電壓；n是一個(gè)常數(shù)，它的值與晶體管的制造工藝有關(guān)。選擇參考溫度T0后，只要R2/R3和J1/J2設(shè)計(jì)得當(dāng)，該溫度下參考電壓的溫度系數(shù)可以接近零。由于這種零溫度系數(shù)的參考電壓接近材料的能隙電壓Vgo，因此稱為能隙參考源。當(dāng)需要更高的參考電壓時(shí)，可以將VBE疊加在三管能隙參考源的輸出參考電壓上，并且可以增加電阻比以獲得接近5V的輸出參考電壓。2。雙極雙管能隙參考源。三管能隙參考源的輸出是參考電壓，它是Vg0的整數(shù)倍。如果輸出

9、電壓不是Vg0的整數(shù)倍，可以使用雙管能隙基準(zhǔn)源。通過改變R4/R5的比值，可以獲得不同的輸出，而不影響獲得零溫度系數(shù)的條件。通過適當(dāng)選擇R3的電阻值，可以補(bǔ)償流經(jīng)R4的基極電流造成的影響。該電路的溫度漂移小于0.0l/，電壓精度高達(dá)0.1，輸出電壓不是Vgo的整數(shù)倍。在雙極電路中，電子束結(jié)壓降是一個(gè)重要的電參數(shù)，它隨溫度變化明顯。能隙基準(zhǔn)源是通過合理的電路設(shè)計(jì)來補(bǔ)償VBE對輸出電壓的影響，從而獲得一個(gè)溫度系數(shù)接近于零的基準(zhǔn)源。金屬氧化物半導(dǎo)體電路中的重要電參數(shù)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電壓，它也隨溫度而明顯變化。通過合理的電路設(shè)計(jì)，我們還可以得到一個(gè)接近零溫度系數(shù)的參考電壓源。這由M

10、1M4組成的源極耦合對采用雙端輸出，其輸出被送到第二級差分放大器的輸入端(M5和M6)的柵極。在設(shè)計(jì)有源負(fù)載M3和M4時(shí)，不僅要求具有高輸出阻抗，還要求嚴(yán)格匹配它們的特性，以便M1和M2的電流相等。為了確保M3和M4具有相同的導(dǎo)通電壓，它們的源電壓(相對于襯底)必須相等。即使當(dāng)M9的負(fù)載電流改變時(shí)，M7和M8的源極電壓(即，M5和M6的漏極電壓)總是相等的。由于M5和M6的電流和Vds嚴(yán)格匹配，確保M5和M6具有相等的柵極電壓，從而使M3和M4的線性源極和漏極源極電壓相等。第二級差分放大器采用單端輸出，輸出送到由M9和M10組成的源極跟隨器，源極跟隨器輸出參考電壓VREF。第二級增益電路由M5

11、M8和M14組成，其功能是保證M3和M4的源電壓相等，同時(shí)完成從兩端到一端的轉(zhuǎn)換。M7和M8是匹配的耗盡型金屬氧化物半導(dǎo)體對。當(dāng)它們的電流相等時(shí)，它們應(yīng)該有VGS7VGS80。M11Ml5是一個(gè)偏置電路，提供恒定電流偏置，使電路中的所有耗盡型器件工作在飽和區(qū)。M16偏置是兩級放大器電路的總電流(I1I2)。由于該電路中每個(gè)器件的電壓和電流僅取決于M16的電流和每個(gè)器件的幾何尺寸，所以該電路的電源電壓抑制相對較高。該電路的輸出電壓VREFVTEVTD，VREF的值可以通過適當(dāng)?shù)乜刂齐x子注入過程來適當(dāng)?shù)馗淖?。如果要求基?zhǔn)電壓能夠在較大范圍內(nèi)變化并具有更精確的絕對值，則可以使用圖12.20所示的電路

12、，輸出電壓為4。利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管在二次導(dǎo)通區(qū)的飽和漏電流與電壓成指數(shù)關(guān)系的特性，可以制作出互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體基準(zhǔn)電壓源和小溫度系數(shù)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體基準(zhǔn)電壓源。根據(jù)對金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管子導(dǎo)通區(qū)電學(xué)特性的理論分析，當(dāng)n溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管工作在子導(dǎo)通區(qū)時(shí)，如果其源極電壓不為零，其漏電流可以表示為VGB、VSB和VDB分別代表柵極、源極和漏極對襯底的電勢；m是與對比度調(diào)制系數(shù)相關(guān)的系數(shù)；ID0被稱為特征電流，它表示當(dāng)場效應(yīng)晶體管的寬長比WLl和每個(gè)電極對地(襯底)的電勢為零時(shí)的漏極電流。CMOS基準(zhǔn)電壓源的基本出發(fā)點(diǎn)是利用上述指數(shù)特性，產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓源(稱為PTAT源)的正溫度系數(shù)，并補(bǔ)償雙極晶體管鈹結(jié)壓降的負(fù)溫度系數(shù)，從而獲得溫度系數(shù)較小的基準(zhǔn)電壓源。PTAT的M1、M3和M5構(gòu)成了第一組鏡像恒流源，他們的VGS是相等的，但他們的W/L是不同的；M2和M