第8章模拟集成电路中常用的单元电路
《模拟电路》课程教学大纲
《模拟电路》课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称: 模拟电路；所属专业: 微电子科学与工程专业；课程性质: 专业基础课；学分: 4学分。
（二）课程简介、目标与任务；《模拟电路》是微电子专业本科生在电子技术方面入门性质的基础课, 具有自身的体系和很强的实践性。
本课程通过对常用半导体器件、模拟电路的学习, 使学生获得模拟电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能, 为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。
（三）先修课程要求, 与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；本课程应开设在高等数学、电路分析（未开设）课程之后, 是微电子专业本科生系统学习电子技术知识的基础课程之一。
也是后续数字电路、模拟电路实验、集成电路分析与设计等课程的先修课程。
（四）教材: 《模拟电子技术基础》童诗白华成英主编（第四版）高等教育出版社参考书目: 《模拟电子技术基础简明教程》清华大学电子学教研室编高等教育出版社《电于技术基础》(模拟部分) 康华光主编高等教育出版社《电子线路线性部分》谢嘉奎主编高等教育出版社二、课程内容与安排第一章常用半导体元器件（要求列出章节名）第一节半导体基础知识第二节半导体二极管第三节双极型晶体管第四节场效应管第五节晶闸管（一）教学方法与学时分配课堂教学, 8学时（二）内容及基本要求主要内容: 半导体基础知识；二极管的结构、伏安特性及主要参数；双极型晶体管的结构、伏安特性及主要参数；场效应管的结构、伏安特性及主要参数；晶闸管的结构、伏安特性及主要参数。
【重点掌握】: PN结特性及PN结方程；二极管、晶体管、场效应管、晶闸管的伏安特性。
【了解】: 二极管、晶体管、场效应管、晶闸管的结构及主要参数。
【难点】: 二极管、晶体管、场效应管、晶闸管的伏安特性。
第二章基本放大电路第一节放大电路的组成及工作原理第二节放大电路的分析方法第三节放大电路静态工作点的稳定第四节共集电极放大电路和共基极放大电路第五节场效应管放大电路（一）教学方法与学时分配课堂教学, 12学时（二）内容及基本要求主要内容: 放大的概念；放大电路的组成及工作原理；放大电路的性能指标；放大电路的分析方法：直流通路与甲流通路, 图解法, 微变等效电路法；放大电路静态工作点的稳定；晶体管共集电极放大电路和共基极放大电路；场效应管放大电路。
集成电路版图设计 ppt课件
(b)
图8.3 交叠的定义
表8.5 TSMC_0.35μm CMOS工艺版图各层图形之间最小交叠
表 16.5 T SM C _0.35μ m C M O S 工 艺 版 图 各 层 图 形 之 间 最 小 交 迭
N _ w e ll A c tiv e P o ly P _ l\p lu s_ se le c t/N _ p lu s_ se l ect C o n ta c t M e ta l1 V ia 1 M e ta l2 E le c tro d e V ia 2 M e ta l3
MOS管的可变参数为：栅长(gate_length)、栅宽(gate_width) 和栅指数(gates)。
栅长(gate_length)指栅极下源区和漏区之间的沟道长度，最 小值为2lambda=0.4μm。
栅宽(gate_width)指栅极下有源区(沟道)的宽度，最小栅宽为 3 lambda=0.6μm。
201010233636cmos差动放大器单元电路设计版图的过程vinvinqr1r2vddmn1mn2mps2mcs2mgcsmcf1mcf2msf1msf2outout图716画l型金属线作地线图717画出两只mcs3并将它们的栅漏和源极互连201010233737vinvinqr1r2vddmn1mn2mps2mcs2mgcsmcf1mcf2msf1msf2outout图718画出两只mn1并将它们的栅漏和源极互连cmos差动放大器单元电路设计版图的过程201010233838图719依次画出r1并联的两只msf1和并联的两只mcf1以及偏压等半边电路版图vinvinqr1r2vddmn1mn2mps2mcs2mgcsmcf1mcf2msf1msf2outoutcmos差动放大器单元电路设计版图的过程201010233939cmos差动放大器单元电路设计版图的过程vinvinqr1r2vddmn1mn2mps2mcs2mgcsmcf1mcf2msf1msf2outout图720通过对图819中半边版图对x轴作镜像复制形成的完整版图201010234040在正式用cadence画版图之前一定要先构思也就是要仔细想一想每个管子打算怎样安排管子之间怎样连接最后的电源线地线怎样走
第八章 大规模集成电路
9
图8-2
RAM存储矩阵的示意图
2564（256个字，每个字4位）RAM存储矩阵的 （ 示意图。 如果X0＝Y0＝1，则选中第一个信息单元的4个 存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。
10
(2)RAM 的读写原理 （以图8－1为例） 以图8 为例） 当CS =０时，RAM被选中工作。 ０ 若 A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000 表示选中列地址为A11A10A9A8=0000 A =0000、行地址为 A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存储单元。 此时只有X0和Y0为有效，则选中第一个信息单 元的k个存储单元，可以对这k个存储单元进行读出 或写入。
20
由1024×8的 RAM扩展为4096×8的RAM ×图8-11 RAM字扩展 ×
21
字位扩展 例：将1024×4的RAM扩展为2048×8 RAM。 × × 位扩展需2片芯片，字扩展需2片芯片，共需4片 芯片。 字扩展只增加一条地址输入线A10，可用一反相 器便能实现对两片RAM片选端的控制。 字扩展是对存储器输入端口的扩展， 位扩展是对存储器输出端口的扩展。
大规模集成电路从制造工艺的角度，也可以分为两大类 大规模集成电路从制造工艺的角度，也可以分为两大类: 一类为双极型，另一类是MOS型大规模集成电路 一类为双极型，另一类是 型大规模集成电路 应用大规模集成电路后，可以有效地提高电子设备的性能， 应用大规模集成电路后，可以有效地提高电子设备的性能， 可以大大减少设备的体积和重量， 可以大大减少设备的体积和重量，降低功耗
3
一、动态MOS反相器 动态 反相器
1.动态有比 动态有比MOS反相器 动态有比 反相器 2.动态无比 动态无比MOS反相器 动态无比 反相器
第八章 数字集成电路基本单元及版图(续)
漏极开路输出单元
如果希望系统支持多个集成电路的正常逻辑 输出同时到总线以实现某种操作，就必须对集成 电路的输出单元进行特殊的设计以支持“线逻 辑”。同时，总线也将做适当的改变。 漏极开路输出单元结构就是其中的一种。下 图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中 （a）图的内部控制信号是通过反相器反相控制 NMOS管工作的方式，（b）图是同相控制的方 式。
动态存储器DRAM (Dynamic RAM)
主要指标：存储容量、存取速度。
存储容量: 用字数×位数表示，也可只用位数表 示。如，某动态存储器的容量为109位/片。 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。 高速存储器的存取时间仅有10ns左右。
存储单元的等效电路（1）
字线 字线
VP 位线 (a) DRAM 位线 (b) SRAM 位线
漏极开路输出单元
（a）反相器反相控制方式
（b）同相控制的方式
漏极开路结构实现的线逻辑
Vcc bi
A1
A2
目的：减少电 AN
表达式为
路结构和成本
bi A1 A 2 A N A1 A 2 A Nห้องสมุดไป่ตู้
输入、输出双向三态单元（I/O PAD）
在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输 出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的 电子系统中使用的集成电路常常要求这种I/O PAD。下 图是一个输入、输出双向三态的I/O PAD单元电路。
存储单元的等效电路（2）
字线 Cut 位线 (c) 熔丝型ROM 位线 (d) EROM(EEPROM) 位线 (e) FRAM 字线 浮栅 字线
DRAM
随着高密度存储器的不断发展，存 储单元尺寸逐渐减小，这种趋势使得结 构简单的动态RAM成为首选。 DRAM单元发展过程中出现几个阶 段，这些阶段的发展使得DRAM的单元 面积越来越小。
全国大学生电子设计竞赛培训系列教程
全国大学生电子设计竞赛培训系列教程《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——基本技能训练与单元电路设计》内容简介本书是全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之一——《基本技能训练与单元电路设计》分册。
全书共7章，主要介绍了“全国大学生电子设计竞赛”的基本情况、设计竞赛命题原则及要求、历届考题的类型、考题所涉及的知识面和知识点、竞赛培训流程，以及赛前、竞赛期间的注意事项等内容；并较详细地讲解了电子竞赛制作的基础训练、单片机最小系统和可编程逻辑器件系统设计制作；最后介绍了单元电路的工作原理、设计与制作。
本书内容丰富实用，叙述简洁清晰，工程性强，可作为高等学校电子信息科学与工程类专业、电气工程及自动控制类专业的大学生参加“全国大学生电子设计制作竞赛”的培训教材，也可作为各类电子制作、详程设计、毕业设计的教学参考书，以及电子工程技术工程师的参考书。
前言全国大学生电子设计竞赛是由教育部高等教育司、信息产业部人事司共同主办的面向大学生、大专生的群众性科技活动，目的在于推动普通高等学校的信息电子类学科面向21世纪的课程体系和课程内容改革，引导高等学校在教学中培养大学生的创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，加强学生工程实践能力的训练和培养，鼓励广大学生踊跃参加课外活动，把主要精力吸引到学习和能力培养上来，促进高等学校形成良好的学习风气，同时也为优秀人才脱颖而出创造条件。
全国大学生电子设计竞赛自1994年至今已成功举办了七届。
深受全国大学生的欢迎和喜爱，参赛学校、队和学生逐年递增。
全国大学生电子设计竞赛组委会为了组织好这项竞赛事，编写了电子设计竞赛获奖作品选编，深受参赛队员的喜爱。
有许多参赛队员和辅导教师反映，若能编写一部从基本技能训练、单元电路设计直至综合设计系列教程，那将是锦上添花。
2006年北京理工大学罗伟雄教授在湖南指导工作时也曾提出这个设想。
当时就得到了国防科技大学的领导和教员响应。
立即组建了“全国大学生电子设计竞赛培训系列教程编写委员会”。
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
电工电子技术第八章集成运算放大电路
8.1 集成运算放大器的简单介绍
• 运算放大器开环放大倍数大，并且具有深 度反馈，是一种高级的直接耦合放大电路。 它通常是作为独立单元存在电路中的。最 初是应用在模拟电子计算机上，可以独立 地完成加减、积分和微分等数学运算。早 期的运算放大器由电子管组成，自从20世 纪60年代初第一个集成运算放大器问世以 来，运算放大器才应用在模拟计算机的范 畴外，如在偏导运算、信号处理、信号测 量及波形产生等方面都获得了广泛的应用。
• 4．在集成电路中，比较合适的电阻阻值范 围大约为100 ~300 Ω。制作高阻值的电阻 成本高、占用面积大并且阻值偏差也较大 （10~20%）。因此，在集成运算放大器中 往往用晶体管恒流源代替高电阻，必须用 直流高阻值时，也常采用外接的方式。
8.1.2 集成运算放大器的简单说明
• 集成运算放大器的的电路常可分为输入级、 中间级、输出级和偏置电路四个基本组成 部分，如图8-1所示。
• 2．信号的输入 • 当有信号输入时，差动放大电路（见图8-5）的工作情况可以分为以下几种情
况。
• （1）共模输入。 • 若两管的基极加上一对大小相等、极性相同的共模信号（即vi1 = vi2），这种
输入方式称为共模输入。这将引起两管的基极电流沿着相同的方向发生变化， 集电极电流也沿相同方向变化，所以集电极电压变化的方向与大小也相同， 因此，输出电压vo = ΔvC1-ΔvC2 = 0，可见差动放大电路能够抑制共模信号。 而上述差动放大电路抑制零点漂移则是该电路抑制共模信号的一个特例。因 为输出的零点漂移电压折合到输入端，就相当于一对共模信号。
u
u
u0 Au 0
0
u+≈u-
（8-2）
• 当反向输入端有信号，而同向端接地时，u+=0，由上式 可见，u-≈u+=0。此时反向输入端的电位近似等于地电位， 因此，它是一个不接地的“地”电位端，通常称为虚地端。
电路知识点总结8篇
电路知识点总结8篇第1篇示例：电路知识点总结电路是指由电子元件（如电阻、电容、电感等）连接而成的一种具有特定功能的电子装置。
在现代科技领域中，电路扮演着至关重要的角色，无论是通信设备、计算机、家用电器还是工业生产设备，都离不开电路的应用。
掌握电路知识对于我们理解现代科技发展趋势、提高工程技能都至关重要。
下面将对电路知识点进行总结，帮助大家更好地理解电路的基本原理和应用。
一、电路基本概念1. 电路的定义：电路是由电子元件通过导线相互连接而成的电气系统，用于实现电流、电压等电学量的控制和变换。
2. 电路的分类：电路按功能可分为模拟电路和数字电路；按连接方式可分为串联电路和并联电路；按组成元件可分为被动电路和主动电路等。
3. 电路的符号：在电路图中，电子元件用具体的图形符号表示，如电阻用Ω表示，电容用F表示，电感用H表示等。
二、电路的基本元件1. 电阻：电路中的电子元件，用于限制电流的流动，单位是欧姆（Ω）。
4. 电源：电路中的电子元件，提供电流和电压，是电路正常运行的必要条件。
5. 开关：电路中的电子元件，用于实现电路的开关控制。
6. 源波纹：电路中由于电源频率或者负载不稳定引起的波动电压或电流。
7. 电路板：电子元件连接的载体，通常是一块绝缘基板，也称为PCB。
1. 欧姆定律：描述电阻、电流、电压之间的关系，即电流等于电压与电阻的比值。
2. 基尔霍夫定律：描述电路中各个节点的电流平衡关系，即电路中的节点电流代数和为零。
4. 电流分流定律：描述电路中分流电路的原理，即电流与电阻成反比。
5. 超前相位：电压超过电流的现象，通常出现在电容、电感等元件中。
四、电路的搭建与调试1. 搭建电路：根据电路图纸和电子元件的连接符号，按照一定的连接方式将电子元件连接到电路板上。
2. 调试电路：通过万用表、示波器等仪器检测电路中的电流、电压等参数，找到问题并解决。
3. 仿真电路：利用电路仿真软件模拟电路的工作状态，帮助分析电路的性能和稳定性。
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集成电路设计原理
国际微电子中心
8.1.2 pnp恒流源电路
2. 单元电路图举例
VDD
VDD
T1
VDD
VDD
T2 Io1
T1 Ir Rr
T1 T2
T3 Ir Rr Io1
T2 T3 Ir Rr Io1 Io2
VDD
VDD
T1 Ir Rr
T2 T3 Io1 Io2
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集成电路设计原理
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8.1.1 npn恒流源电路
4. 多支路恒流源 设晶体管均相同，则：
V Ir Rr
T1
Ir = Ic1+(1+N)Ib
= Io + (1+N)Io/
Io1 Io2 IoN 即：Io / Ir = /[ + (1+N)]
T2 T3 TN+1
可见，支路数增加，
会使Io 与 Ir的差值增大。
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集成电路设计原理
国际微电子中心
8.1.1 npn恒流源电路 5. 带有缓冲级的恒流源
V V’
Ir Rr
T0 Io
T1
T2
设晶体管均相同，则：
Ir = Ic1+Ib0 = Io + IE0/(+1)
而： IE0 = Ib1+Ib2 =2Ib2 =2Io/
Ic1
2IbI3bTI3e3
Ib Ib Ic2
T1
T2
I I I I I
r
c1
b3
c2
b3
I I 2I I (1 2 )
e3
c2
b2
c2
I
I e3
1
(1 )I 1 I
c2 (1 2 ) (1 2 )
c3 2 c3
I I I 1I 1I
r
c2
2 b 3
c3
c3
V
Ir Rr Io
T1
T2
Ib1 Ib2
R2
VBE1 = IE2R2 + VBE2 则： IE2R2 = VBE1 – VBE2
= VTln(IE1/IE2) 其中： VT =KT/q (热电压) 因此近似有：
Io= (VT /R2 ) ln (Ir/Io) 根据已知的Ir 和需要的Io ， 就可以求出要设计的R2。
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V
该电路具有温度补偿作用：
Ir Rr
Io 温度
T1
T2
Ib1 Ib2
Io Io Ic1 Ir VR (IrRr) Vb Ib
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集成电路设计原理
8.1.1 npn恒流源电路 2. 面积比恒流源
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V
设T1和T2发射结面积为AE1和AE2
Ir Rr
则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Io = AE1/AE2 Io 而： Ir= Ic1+ Ib1+Ib2
GND
Ir
Ir
Io
GND
GND
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集成电路设计原理
8.1.2 pnp恒流源电路 1. 概述
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在双极型模拟集成电路中，经常是npn管 和pnp管互补应用，因此pnp恒流源同样得到 广泛的应用。
pnp恒流源电路形式与npn恒流源相同， 只是改变电源的接法和电流方向。
值得注意的是PNP恒流源一般是由横向 PNP管组成，而横向PNP管的增益（）远远 小于NPN管的增益（） ，因此，PNP恒流源 中Io 与 Ir的近似程度较大。
VDD
T1
T2
T3
Ir Rr
Io1
I
2I c2
I
I (1 1 )
c2
e3
o
I
I o
I
c 1
r
I I (1 2 )
则：Ir = Io+2Io /(+1)
= Io [1+ 2/ (+1)]
可见，Io 与 Ir的差值明显减小。
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集成电路设计原理
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8.1.1 npn恒流源电路 5. 带有缓冲级的恒流源
V V’
Ir Rr
T0
T1
Io1 Io2 T2 T3
设晶体管均相同，则：
Ir = Ic1+Ib0
偿特性，更有利于工作点的稳定。
Ib Ib T1
Ic2 T2
补偿过程: 当由于某种原因使Io增 大，则Ie3 Ic2 Ic1 。而Ir= Ic1+Ib3
不变，则Ic1 Ib3 Io 。
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集成电路设计原理
8.1.1 npn恒流源电路
7. 版图举例
Ir
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Io
Ir
Io
Io
I
2 2
o
I 2 2 2
r
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集成电路设计原理
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8.1.1 npn恒流源电路 6. 具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源)
V
Ir Rr
Io
Ic1
2IbI3bTI3e3
Io Ir
=
2+ 2 2+2+2
这种电流源不仅使Io 与 Ir的差 值非常小，而且还具有负反馈补
= Io + IE0/(+1) IoN 而： IE0 =(1+N)Io/
TN+1
则：
Io Ir
2+ =2++N+1
可见，Io 与 Ir的 差值明显减小。
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集成电路设计原理
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8.1.1 npn恒流源电路
6. 具有补偿作用的恒流源(Wilson电流源)
V
Ir Rr
Io
集成电路设计原理
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集成电路设计原理
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思考题
1. 恒流源单元电路有哪些种类？各自的特 点有哪些？ 2. 恒流源作为有源负载有哪些特点？ 3. 设计恒流源时应注意哪些问题？
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集成电路设计原理
8.1.1 npn恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源
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T1
T2 则:Ir =Io (AE1/AE2+AE1/AE2+1)/
Ib1 Ib2
因为： >>1， AE1/AE2值较小
所以：Ir IoAE1/AE2
即： Io / Ir = AE2/AE1
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集成电路设计原理
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8.1.1 npn恒流源电路 3. 小电流恒流源(Widlar电流源)
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集成电路设计原理
8.1.2 pnp恒流源电路 2. 单元电路图举例
VDD
T1 Ir Rr
T2 Io1
I I 2I
r
c1
b
I 2I
c2
b
I
2I c2
c2
I (1 2 )
o
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8.1.2 pnp恒流源电路 2. 单元电路图ห้องสมุดไป่ตู้例
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V Ir Rr
设T1和T2完全相同 则： Ib1/Ib2 = Ic1 / Ic2 Io 因此：Ir=Ic1+Ib1+Ib2 =Io+ 2Ib2
T1
T2
Ib1 Ib2
= Io (+2)/ 因为： >>1 所以：Ir Io
Ir= (V-VBE)/Rr
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集成电路设计原理
8.1.1 npn恒流源电路 1. 基本型电流镜恒流源