第10版VLSI系统设计 8.ppt

VLSI系统设计;8.1 模拟集成电路中的基本元件 ; 电阻是基本的无源元件，在集成工艺技术中有多种设计与制造电阻的方法，根据阻值和精度的需要可以选择不同的电阻结构和形状。 ;反向偏压; 离子注入电阻 ;结构对比：;电阻的几何图形设计包括两个主要方面： 几何形状的设计和尺寸的设计。 ;;8.1 模拟集成电路中的基本元件 掺杂半导体电阻的几何图形设计; 这样的计算实际上是很粗糙的，因为在计算中并没有考虑电阻的形状对实际电阻值的影响，在实际的设计中将根据具体的图形形状对计算加以修正，通常的修正包括端头修正和拐角修正。 ;.1; 对于折弯形状的电阻，通常每一直条的宽度都是相同的，在拐角处是一个正方形，但因为在拐角处的电流密度不均匀，靠近内角处的电流密度大，靠近外角处的电流密度小。经验数据表明，拐角对电阻的贡献只有0.5方，即拐角修正因子k2=0.5。; 制作电阻的衬底是和电阻材料掺杂类型相反的半导体，电阻区和衬底构成PN结。为防止这个PN结导通，衬底必须接一定的电位。要求在任何工作条件下，该PN结不能处于正偏状态。 ; PN结的存在导致了掺杂半导体电阻的另一个寄生效应：寄生电容。 电阻的衬底通常都是处于交流零电位，使得电阻对交流地存在旁路电容。如果将电阻的一端接地，并假设寄生电容沿电阻均匀分布，则电阻幅模的-3db带宽近似的为： ;2. 薄膜电阻 ;.1;.1;电阻应用：;以N+硅作为下极板的MOS电容器 ;V;以多晶硅作为下极板的MOS电容器 ;氧化层;寄生电容;叠层电容; 对于跨接在一个放大器输入和输出端之间的电容，因为密勒效应将使等效的输入电容放大。 ;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路;.2;.2;.2;2. NMOS威尔逊电流镜;非电流镜结构;3. PMOS电流镜;电流源（镜）还有问题吗？假设所有MOS管匹配：;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路--提高动态范围的设计;设计使VGS1= VTN+2VON，则： VDS3=VON； VD2=2VON;增加M5使VDS3=VDS4，且保持VGS4=VTN+VON，克服问题1。;4. 参考支路电流 （1）简单的电阻负载参考支路;（2）有源负载的参考支路;（3）自给基准电流的结构—恒定参考电流;（3）自给基准电流的结构;（3）自给基准电流的结构;（3）自给基准电流的结构;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路;8.2 基本偏置电路 电流偏置电路;1. 通用电压源;V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2 ， Vdd=VGS1+VGS2 + VGS3 ;Vdd=VGS1+VDS2;2. 基准电压源—带隙基准电压源;M1~M5匹配设计，同时引入了PNP晶体管Q1~Q3，其中，Q2是由n个Q1并联而成以保证比例n。 电流越大，VBE越大。;PTAT源 ;工作在亚阈值区的CMOS基准电压源;.2;8.3 放大电路 单级倒相放大器;放大器的工作点;.3;.3;VIN ，IDS ，VDS1 ， VOUT ， VBS2 ，IDS;是表征衬底偏置效应大小的参数，称为衬底偏置系数。;8.3 放大电路 单级倒相放大器;8.3 放大电路 单级倒相放大器;.3;提高工作管的跨导，最简单的方法是增加它的宽长比。 减小衬底偏置效应的影响。 采用恒流源负载结构。;2. 基本放大器的改进 （1）消除或减小衬偏效应的影响 工艺改进;（2）CMOS推挽放大器; 差分放大器是模拟集成电路的重要单元，通常将它作为模拟集成电路的输入级使用。 1.? 基本的MOS差分放大器 ? (1) 电路结构 ;.3;(2) 电流-电压特性 因为匹配，所以VTN1=VTN2=VTN，K1=K2=KN=K’N (W/L) 。器件都工作在饱和区，它们的电流关系为：;.3;(3) MOS差分放大器的跨导 ;2. MOS差分放大器的负载形式 ;增强型NMOS有源负载结构 ; 只有同时从差分放大器的两个支路取出电压信号，才是对差模信号完整的放大信号。 ;耗尽型NMOS有源负载结构 ;PMOS恒流源负载 ; PMOS电流镜负载，完成双端输入单端输出。 ;.3;(a)图电路的电压传输系数AS ;.3;1. 源极输出级 ;2. 甲乙类推挽输出级 ;3. 推挽增益级 ;两级CMOS运放 ;CMOS共源-共栅（cascode）运放 ;带有推挽输出级的运放 ;采用衬底晶体管输出级的运放 ;.4;一个较复杂的电路分析; 双端输入-双端输出