集成电路原理第六章S知识分享

由 vD3SvG3SVT3 ，得
(vou tv2)viv2 V T 3
（6-11）
vout vi VT3
（6-12）
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3、共栅共源电流镜——Cascode Current Mirror
（a）电路图
（b）等效电路
图6-7 共栅共源电流镜
i v r d 恒 4 s i v d d 4 定 s sv 3 g id 3 ,2 s v s d ， 1 sv g 1 恒 s v 定 d 2 s v g 4 s(v d 3 sv d 1 sv d 2 ) s
参考电流ir恒定不变
vD1S(vG3SvG2S) vGS2
图6-6 威尔逊电流镜
vGS3i0，并趋于原稳定值。
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输出电阻
r0 rds3rds21rds3gm3(11g3m)2rgdms21rds1gm3rds3
gm1gm3 gm2
rd
s1rds3
gmr01r03(设gm1gm2 gm3 gm)
BE结导通电压VBE与温度的关系： V B(E T ) V g 0(1 T T 0) V BE (T T 0 O ) n k qlT n T T 0
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（6-26）
而BE结导通电压为负温度系数，Why?
根据半导体能带理论，温度升高，半导体内载流子具有
的能量增加，本征激发增强，本征载流子浓度ni增大，由PN 结接触电势差 VDkqTlnNAni2ND ， 将随之降低，即BE结导通电 压随温度升高而降低，因此，VBE是负温度系数。由图6-13可 得：
图6-1 基本的电流源结构与I-V特性示意
要使电流源正常工作，应使T管工作在饱和区：
vDSvGSVT
vou V tSS V DD V G G V D D V TP
voutVSSVGG VTP
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voutVGG VTPVSS （6-1）
（2）电流沉
图6-2 基本的电流沉结构与V-I特性示意
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6.2.3 基准源
理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。 “基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高 的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放 大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。
1、简单的电压分压器
VREFVDD
R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度：
（6-10）
在近似处理时，应注意此电流镜正常工作时，各管均处于饱和 区，gds远小于gm，gmrds»1。
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电路实际工作时，要在输入端、输出端加一定电压才能工作。
在T3饱和的前提下，为使vi时Ir一定，只有相应地使W3/L3、 W2/L2增大。一般v(min)>2vT。另一方面，要保证T3饱和，对输 出端电压也有要求：
模拟集成运算放大器电路分层说明
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10Bits 105MSPS 3V ADC 原理图
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无缓冲二级CMOS运放电路
电流镜 源耦合对 偏置电路
共源放大器
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多路电流放大器
6.2.1 电流源与电流沉（Current Source and Sink） 所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值
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6.2.2 电流镜和电流放大器(Current Mirror & Current Amplifier)
1、基本的电流镜（恒流源）
ir iD 1 S iG 1 iD 1 S 1 2 1 ( v G 1 S V T 1 ) 2 ( 1 v D 1 )S
i01 2 2(vG2S V T2)2(1vD2)S
假设：VDD=10V，VBV=6.5V，rz=100，R=35k，则此基准电压源的灵敏 度为0.0044。
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3、CMOS带隙基准源
CMOS带隙基准源电路见 图6-13，此结构实现了一种较 为精确的基准电压源。主要利 用了MOSFET的亚阈区工作时电 流的正温度系数特性与BJT的 BE结导通电压VBE的负温度特 性相互补偿，达到恒定的基准 电压输出。
（1）接电阻增加输出电阻的技术
VGG为固定偏置，则 vg2=0
vgs2 vg2 vs2 vs2
vbsvs2
i0gd2s(v0vs2)gm 2( vs2)gm2b (s vs2)
vs2ri0
（6-3）
图6-3
接电阻增加输出电阻 的结构与等效电路
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而饱和区衬底跨导
gm
b2sviDBSS
VDDVEBVDD （6-16）
R
R
图6-9 简单的pn结基准源
VREF对VDD的灵敏度：
VREFkqTln(RVDIDS )
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VREF
S
1
1
VDD ln(VDD ) ln(I )
R IS
IS
（6-17） （6-18）
一般I>>IS，
V REF
S
V DD
1
，VREF受VDD的影响很小。若I=1mA，
i0 ir
2(vG2SVT2)2(1 vD2S) 1(vG1SVT1)2(1 vD1S )
图6-5 基本的电流镜电路
W L22 COX22(vGS2VT2)2(1vDS2)
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W L11COX11(vGS1VT1)2(1vDS1)
（6-7）
若T1、T2的工艺参数相同，且vDS1=vDS2，则
和加在两端的电压无关的两端元件。通常负端接VSS的称为电流 沉（Sink），正端接VDD的则称为电流源（Source）。一般 MOS器件做电流源/沉时，工作在饱和区。
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1、基本的电流源、电流沉 （1）电流源
其输出电阻
r0
vout iout
(VDDvSD VSS) iDS
1 1
gds IDS
图6-11（b）所示结构提供的基准电压如下，灵敏度与（a） 结构相似。
VREFVGS(1
R2 R1
)
（6-22）
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（4）齐纳Zenor二极管基准电压源
如图6-12所示，其中的二极 管为重掺杂p+n+结，工作于 反向击穿状态，其电源电压 灵敏度：
图6-12 齐纳二极管基准源
V V S R DE D F V V R DE D F V V R DE D F v vr ded fV V D BV DrZr ZR V V D BV D （6-23）
iDS vSB
iDS VT
VT vSB
iDS vGS
vVSTBgm
1
2(2FBvSB)2
gm
线性区：
gm bs
vDS
1
2(2FBvSB)2
（6-4）
分析小信号模型等效电路，由（6-3）、（6-4）得 r o uv it 0 0 r r d 2s [g m (2 g m 2 ) b r d s 2 ] s r g m 2 r d 2 sr（6-5）
20i2d0s/140/19i0回复原值，r0提高。
由交流小信号等效电路并结合Kirchhoff定律，得如下方程组：
i0 gm4 v2 gmbs4 v2 v4 gds4
vv02
rds2 i0 v2 v4
gmbs4 4 gm4
v1 v3 0
（6-13）
求解方程组可得：
r 0 r d 2 s r d 4 s g m 4 r d 2 r d s 4 ( 1 s 4 ) g m 4 r d 2 r d s 4 （s 6-14）
第六章 MOS模拟集成电路
6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟IC中的元件 1、MOS集成电容器
铝—薄氧化层—n+扩散区电容 多晶硅—氧化层—重掺杂衬底间的电容 铝—氧化层—多晶硅电容（寄生电容小） 双层多晶硅电容（寄生电容小）
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2、集成电阻器 硼扩电阻——高阻 R=100200/ 可作5050K 磷扩电阻——低阻 R=25/ 几十 埋层电阻——低值电阻 R20/ 几十几百 基区沟道电阻——R=510K/， 几十KM 可作大电阻，
同理，电流沉正常工作，应使
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vDS V GG VSS V TN
（6-2）
输出电阻
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r0
vo u t io u t
rds
（6-3）
2、改进的电流沉/源 基本的电流沉/源的优点是结构简单，但性能需加以改善： • 增加小信号输出电阻确保整个vout范围内电流稳定。 • 减小Vmin值，使其在较宽的vout范围内都能很好工作。
可见，最终输出电阻增大为r的gm2rds2倍。 2020/10/19
（2）实际电路
（a）电路图
（b）等效电路
图6-4 共栅共源电流沉结构 (对M1管来看的) rou t v io ou u tt rd2 s(1gm 2rd1sgm2 bsrd1sgd2 srd1s)
rd1srd2 sgm 2rd1srd2 s(12)gm 2rd2 srd1s （6-6）
VREF
IS=10-15A，
S
VDD
0.0362
当VDD变化10%，VREF只变化0.362%。
（但此结构提供的VREF较低。如IS=10-15A，VDD=5V，则VREF=0.93V。）
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(2) 改进的pn结基准源
V REF
( V EB R1
I B ) R 2 V EB
图6-13 CMOS带隙基准源
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MOSFET亚阈区电流：
IDSID0 Sexpq(VnGSkV TT')
VT '
VT
nkT q
（6-24） （6-25）
可见，亚阈区电流为正温度系数。Why?
和工作在强反型时一样，亚阈区阈值电压VT的温度系数也 为负的，其亚阈区电流主要受VT的影响，随温度的增加而增加， 即温度系数为正。
gm，ron 热噪声。 Si-SiO2界面态影响闪烁噪声，在低频时，1/f噪声显著。 如将沟道面积，受界面态影响，闪烁噪声。 4、JFET • 参数一致性差，工艺过程中对夹断电压值的确定难以控制。 • 沟道形成于体内，不受表界面效应影响，速度较快，抗干扰 能力强，常用于微小电量取样电路。
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1
V RE V F G SV T2I V T 2(V D R D V RE ) F 2
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VT (2RVDD)12;若(VDDVGS)
迭代求 ;若(出 VDD~VGS)
其灵敏度如下，不如BJT时的情况。
VR E F
S
0.5
VDD 1VT (R) 2VDD
（6-20） （6-21）
V V S R DE D F V V R DED V V FD RE D F V V R DE D F V V R DE D F1（a）电阻分压器
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（b）有源器件分压器
2、pn结基准电压源
（1）简单的pn结基准源
kT I
VREF VEB
q
ln( ) IS
（6-15）
I
IS
expVE(Bq) kT
V EB R1
R 2 V EB
V EB ( R 1 R 2 ) R1
（6-19）
注意，上式成立的条件为：IB很小 （即很大）；(R1+R2)阻值要大。
图6-10改进的pn结基准源
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（3）以MOSFET代替BJT的基准源
（a）基本结构 （b）改进结构
图6-11 以MOSFET代替BJT的基准源 对于图6-11（a）所示结构：
i0 (W2 ) (W1)
ir
L2
L1
调整T1、T2的W/L，可实现不同的功能：
•
W2 L2
W1 L1
i0
ir
电流镜
• W2 W1
L2
L1
电流放大
其输出电阻
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r0
vDS2 iDS2
1 gds2
rds2
（6-8） （6-9）
但有三个因素使实际的电流镜不符合理想情况： • 沟道长度调制效应较显著时，不能忽略（vDS1vDS2） • 由沟道区掺杂的不均匀性和栅氧层的不平整性等引起的两
管之间VT 偏差。 • 由光刻及套刻精度的影响使几何尺寸不能完全匹配。
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2、威尔逊电流镜——Wilson Current Mirror
——威尔逊电流镜是一种改进型电流 镜，通过电流负反馈提高输出电阻。
i0 iD 2 S v G 2 S v D 2 S v G 1 SiD 1 S
精度较差 外延层体电阻—— R=2K/，几十K，可承受高工作电
压，温度系数大
离子注入电阻—— R=500200K/ 几十K 高精度 多晶硅电阻 —— R=十几100/ 薄膜电阻（Ni-Cr、 Cr-Si）——R=几百几K/ 高精度、
可激光修条
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3、MOSFET 与BJT相比，MOS器件主要的缺点在于： • 参数离散性大，跨导低，失调电压较大。 • 噪声大（热噪声+闪烁噪声或称为1/f噪声）