模拟集成电路基本单元

模拟集成电路基本单元
第八章模拟集成电路基本单元
8.1 电流源电路
8.2 基准电压源
8.3单端反相放大器
8.4差分放大器
8.5运算放大器
8.6振荡器
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8.1电流源电路
基本偏置：
电流偏置：提供电路中相关支路的静态工作电流。

电压偏置：提供相关节点与地之间的静态工作电压。

电流源电路：做各种放大器的恒流偏置，且可用它取代
电阻作为放大器的负载。

对电流源的基本要求：有足够大的动态内阻、对温度的
敏感度极低、能抵抗电源电压或其他外因的变化。

电流偏置电路的基本形式是电流镜。

由两个或多个并联的相关电流支路组成，各支路的电流
依据一定的比例关系而成比例。

2
8.1.1 双极型镜像电流源
2
电流源电流I 0与另一支路(参考支路)的电流I R (参考电流)近似相等I 0与对温度敏感的晶体管参数几乎无关，电路具有较好的温度特性。

缺点：动态内阻(~r ce )不够大，镜像精度不够高，
抗电源电压变化能力较差。

基本镜像电流源（电流镜）0CC BE R V U I I R -≈=0C C R V I I R ≈≈若V CC >>U BE 3
基本镜像电流源的镜像误差
在此支路中插入一射极跟随器T 3，利用T 3的电
流放大作用，进一步减小T 1、T 2基极电流对I R 的分流作用，提高镜像精度。

0303
21B R B I I I I I b =+=++3
带缓冲级的镜像电流源I o 与I R 的差值由2I B 减小到2I B ／(1+β3)
4330(1)(1)()
E B R I I I I b b =+=+-0322
E B I I I b ==02
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2211(1)R R
I I I b b b =
≈+++1b >>
如果T 3的工作电流(约为2 I B )很小，其β值也就较小，则T 3的缓冲作用就不够好，镜
像精度就不够高。

为了适当提高T 3的工作电流，在T 1、T 2
的基、射极间并联了一只电阻。

0303
21B R B I I I I I b =+=++R B 若R B 选得过小，T 3电流过大，则又加大
了I o 与I R 的差值。

综合考虑选择合适的R B ，使缓冲作用达到最佳。

优缺点：提高了镜像精度，但动态内阻仍不够大(~r ce )
带缓冲级的镜像电流源5
设T 1、T 2、T 3的参数均相同
232222
C E C B C I I I I I b =+=+0233(1)(1)222C E B I I I I b
b
b b b b b b b
==+=++++013012R C B I I I I I b b b
+=+=++威尔逊电流源6可自动的稳定电流源电流I 0。

设由于温度或负载等因素变化使得I 0↑ ，
则I E3及其镜像I C1 ↑，促使V C1(V B3) ↓，I B3↓，驱使I 0回落。

当b =10时，I 0=0.984I R ，可见即使在b 很小时，I 0≈ I R ，I 0受基极电
流影响很小。

镜像精度高
求动态内阻R0的等效电路
<>l
设三管参数相同，且r be<<="" ce，r="" ce，r<
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I r I o 8.1.2 MOS 电流镜
忽略沟道长度调制效应，可以写出：
21()()(1)2n ox GS TH DS W I C V V V L
μl =-+M1 M2:饱和区恒流源
M1M2
NMOS 基本电流镜
8只需选择好两管的栅极宽长比，即可实现按比例输出。

多支路比例电流镜
如果有多个输出支路，则：在一个模拟集成电路中由一个参考电流以及各成比例的NMOS 晶体管就可以获得多个支路的电流偏置。

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关键特性：可以精确的复制电流而不受工艺和温度的影响。

I 0、I r 比值由器件尺寸的比率决定，该值可以控制在合理地精度范围内。

电流源：输出电流稳定，输出阻抗高，是恒流源。

沟道效应：沟道长度较大，影响较小----长沟道器件作为输出支路器件。

Ps:沟道长度变大，占用面积增加，输出节点电容增加，影响电路动态性能，因此沟道长度选择要适当。

沟道长度调制效应的作用，使得交流输出电阻变小。

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NMOS 威尔逊电流镜电路采用了串联电流负反馈结构提高电路的交流输出电阻。

提高输出电阻的基本原理是：在M1的源极接有M2而形成的串联电流负反馈。

M2在电路中相当于一个串联电阻（有源电阻）。

与基本电流镜相比，输出电阻较大，其恒流
NMOS威尔逊电流镜特性优于基本电流镜。

M3的漏节点提供了M1的偏置电压
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I0↑ V GS2 ↑ V GS1 ↓ I0↓
I0趋于恒流
如果M1和M2的宽长比相同，其它的器件参数也相同，因为在其中流过的电流相同，则它们的V GS 必然相同，使M3的V DS3=2V GS2, 而M2的V DS2=V GS2。

M2、M3这种V DS 上的差异也将导致输出电流与参考电流的21()()(1)2n ox GS TH DS W I C V V V L μl =-+误差。

由M4晶体管构成的有源电阻消耗了一个V GS，使M2、M3的漏源电压相等。

如果M1和M2的宽长比相同，从M1、M4的栅极到M2、M3的源极的压差为2V GS2，如果M4、M3相同，则M4的栅源电压就为V
GS2，使M3管的漏源电压
和M2的漏源电压相同，都为V
GS2。

威尔逊电流镜的改进结构使参考支路
和输出支路的电流以一个几乎不变的
比例存在。

威尔逊电流镜的改进结构
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8.2 基准电压源8.2.1
双极型三管能隙基准源
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三管能隙基准源此电路的输出基准电压V REF 为：其中：13
式中I E1、I E2、A E1、A E2、J 1、J 2分别为Q 1和Q 2管的发射极电流、有效发射结面积和发射极电流密度。

利用等效热电压V T的正温度系数和V BE的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零。

由文献知：
式中V g0＝1.205V，是温度为0K时的硅外推能隙电压；
n 为常数，其值与晶体管的制作工艺有关，对于集成电路中的
双扩散晶体管，n＝1.5～2.2；
T
为参考温度。

假设R
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/R3、J1/J2与温度无关，则可以令在T=T0时的基准电压的温度系
数为0，即?V
REF /?T =0，求得在参考温度T
附近时，基准电压和温度的关系。

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ln J 1J 2
R 2kT 0R 3q V REF =V BE0+T =T 0kT 0q =V g 0+n 实际上nkT 0/q <<="" p="">
g0
V REF /?T =0 ，可得：
V REF ≈V T =T 0这说明在选定参考温度T 0后，只要适当设计R 2/ R 3和J 1/ J 2，即可使在该温度下基准电压的温度系数接近零。

由于这种温度系数为零的基准电压，其值接近于材料的能隙电压V g0，所以称为能隙基准源。

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假设Q 1，Q 2的几何尺寸相同，晶体管的βF 较大，则：
J 1/J 2=I E1/I E2 =I 1/I 2
由电路图可见：I 1R 1＋V BE1＝V REF ≈I 2R 2+ V BE3所以：
I 1R 1≈I 2R 214可得：
R 2R 1R 2kT 0R 3q
V REF ln =V BE0+T =T 0由于在工艺上V BE 值和电阻的比值都较易控制，所以这类电源的输出基准电压可调得较准。

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