四模拟电路基本单元和基本模块设计方案.docVIP

PAGE 39 PAGE 40 通常，把处理信号连续变化(包括输入和输出)的电路叫做模拟电路,这类电路是通过波形的瞬时值来传递信息的。模拟电路可分为两类：第一类是线性模拟电路,其输出信号与输入信号成线性关系。各类放大器属于线性模拟电路。第二类是非线性模拟电路,其输出与输入信号之间满足某种特定的非线性关系。例如，滤波器、调制解调器等属于非线性模拟电路。模拟集成电路, 是指具有对模拟量进行各种处理功能的集成电路, 而模拟量指的是连续变化着的物理量, 如电路系统中的电压、电流等。一般早期的所谓模拟集成电路指的就是线性模拟电路，因为它相对于非线性模拟集成电路来说实现起来比较简单。但是由于通信业的迅速发展对非线性模拟集成电路的需求越来越大，各种高频的非线性模拟集成电路成了发展的热点。 由于模拟集成电路品种繁多, 线路复杂, 而且同数字电路相比, 电源电压高、电路中的电路重复率低, 加之工艺的限制, 制造电感、大电容等都比较困难, 因此模拟集成电路的发展相对落后于数字集成电路。然而, 由于近年来集成工艺水平的提高, 电路设计技术的不断改进, 模拟集成电路技术也已获得了较大的进展。 模拟集成电路中, 由于MOS晶体管在失调、跨导、噪声、负载能力等方面的固有弱点, 长期以来始终占据着绝对领导地位的是双极型模拟集成电路。随着电路规模的不断增大和系统集成(SOC)的要求, MOS器件面积小、功耗低的优点显得越来越重要。另一方面, 数字电路以MOS为主, 数模混合技术的问世也对MOS模拟电路提出了需求。因此目前全MOS模拟集成电路技术正引人注目地发展着, 模拟集成电路制作工艺方面的弱点逐步得到克服。电路品种日趋繁多，例如A/D转换器、开关电容滤波器、通信系统中的编译码器、振荡器等等。与双极型(三极管或二极管)电路相比，MOS模拟集成电路有如下一些优点： 1. 占用管芯面积小。 2. 电路功耗低。 3. MOS管具有高的输入阻抗。 4. 便于将数字和模拟电路做在同一芯片上。 5. 便于和MOS微处理器及存贮器接口。 6. 便于制作高集成度的系统或子系统。 本章在给出MOS模拟集成电路若干基本单元的基础上, 介绍一些MOS运放、D/A、A/D等常用电路及其设计方法。 §4-1 模拟集成电路的基本单元 在开始讨论各种单元之前，我们简单地介绍一下MOSFET的小信号性能。在MOS模拟电路中，一般MOSFET均工作于饱和区。因为饱和区的跨导比非饱和区的跨导大得多。在饱和区MOSFET的伏安特性方程（以Ｎ沟管为例）为: (4-1) (4-2)考虑到沟道调制效应对伏安特性的影响，方程修正为 (4-2) 其中λ为修正因子。 (4-3)在MOS模拟电路中跨导是一个很重要的参数。由（４－１）式可以得到MOSFET管在饱和区的跨导 (4-3) 或写成 (4-4) 在MOS模拟集成电路中，由于MOSFET管的物理效应对集成电路有一定的影响，因此在设计中要考虑到这些因素。比如体效应、亚阈值特性、短沟道效应、噪声性能、静电反馈效应、电荷限制效应等等。想了解这方面详情的读者请参阅相关专业书籍，在这里我们不做进一步讨论。 本节主要介绍MOS差分放大器、恒流源、基准源、有源负载等。 §4-1-1 MOS差分放大器 图4-1表示了n沟MOS差分放大器。差分对管T1、T2的源极相连, 且接恒流源I0 。放大器的跨导可定义为单位输入电压的变化所引起的输出电流的变化。可以推导出图4-1所示差分放大器的跨导为 (4-5) 其中K为一与T1、T2几何尺寸和工艺参数有关的常数: 图4-1 MOS差分放大器 图4-2 MOS恒流源 还可直接写出MOS差分放大器的电压增益为: (4–6) §4-1-2 MOS恒流源 MOS晶体管可以组成具有参考电流且电流值大小可调的恒流源电路。其基本形式与双极型基本恒流源一样, 如图4-2所示。 (4-7)图中T1、T2管为n沟增强型MOS管。可列出T1管的偏置方程为: (4-7) (4-8)由于T1管的栅漏短接, 因此总满足VDS1 VGS1 – VT1, 故T1管始终工作在饱和区： (4-8) 因, 而IG 很小，故可表示为: ID 联立上面(4-7),(4-8)两式, 就可求出。 若T1、T2两管特性完全一致, 则该电流源的输出电流IO为： IO = 若T1、T2两管特性不一致，则该电流源的输出电流IO为： 输出电阻为 对于MOS管, 栅电流是极小的, 可以忽略。因此由于T1、T2管输入偏流IG的存在而使Ir≠IO的影响