现代模拟集成电路技术.ppt

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1、第8章 现代模拟集成电路技术,81 模拟集成电路设计电流模法,811电流模法的特点及原理 传统电路都是以电压作为输入、输出和信息传输的参量，我们称之为“电压模”或“电压型”电路。由于极间电容和分布电容的客观存在，此类电路的工作速度不可能很高，工作电压及功耗也不可能很低。,所谓“电流模”电路是以电流作为输入、输出以及信息传输的主要参数的，电路中除晶体管的结电压uBE有微小变化外，无别的电压参量，因此其工作速度很高(SR2000V/s)，而电源电压很低(可低至3.3V或1.5V)，而且具有动态范围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等优点。电流模技术与互补双极工艺(CB工艺)相结合，

2、已成为当今宽带高速模拟集成电路设计的支柱技术。,一、跨导线性原理 双极型晶体管的电流iC和发射结电压uBE互为因果关系，即,(81),(82),其跨导gm为,(83),二、跨导线性环(TL)原理 有n个正向偏置的发射结uBE构成一个闭合环路(如图81所示，n为偶数)。其中顺时针(CW)uBE数等于逆时针(CCW)uBE数，即,(84),(85),(86),图81简化的跨导线性环原理图,因为反向饱和电流ISj等于发射区面积Aj与饱和电流密度JSj的乘积：,(87),(88),(89),得到一个最简洁的关系式：,从此，跨导线性环原理可描述为：在一个由偶数个(n)正向偏置结构成的闭合环路中，若顺时针

3、结数等于逆时针结数，则顺时针方向的电流密度之积等于逆时针方向的电流密度之积。式(88)可改写为,(810),(811),(812),引入面积比系数，,812 跨导线性环电流模电路举例 一、互补跟随输出级 互补跟随输出级电路如图82所示。由图可见，V1、V2、V3和V4组成一个跨导线性环。设各管发射区面积相等，即A1=A2=A3=A4,则有,若负载电流iL=0,则,可见，静态工作电流等于偏置电流IB。若负载电流iL0,则,(813),(814),图82互补跟随输出级,如果负载电流|iL|IB，则有,(815a),(815b),(816a),(817b),或相反:,二、矢量差电路 电路如图83所示

4、。这里有两个跨导线性环。环1：V1、V2、V4、V5，且有,其中面积比系数为,环2：V2、V3，且有,(818),(819),(820),(821),(822a),图83矢量差电路,而根据环1，有,所以，输出电流与输入电流的关系为,(822b),(823),三、吉尔伯特(Gilbert)电流增益单元及多级电流放大器 电路如图84所示。其中输入差模电流为,(824),X是一个由输入信号控制的系数。该电路存在一个跨导线性环，由V1、V2、V3、V4组成。现在我们来计算输出差模电流iod。设各管发射区面积相同，=1，根据TL环原理，有,图84 吉尔伯特电流增益单元,(825),(826),(827)

5、,(828a),(828b),(829a),(829b),故输出差模电流iod为,那么，电流增益Aid为,(830),(831),一般Aid可作到110左右。图85给出吉尔伯特电流增益单元的级联电路。该电路总的电流增益Aid为,(832),而且，两级偏置电压仅差一个UBE。,图85吉尔伯特电流增益单元级联,82 电流反馈型集成运算放大器,电流反馈型集成运算放大器又称电流模运算放大器(CurrentModeOperationalAmplifier)。该放大器具有高速、宽带特性，压摆率SR10005000V/s，带宽可达100MHz1GHz;而且，在一定条件下，具有与闭环增益无关的近似恒定带宽。由

6、于其优越的宽带特性，在视频处理系统、同轴电缆驱动放大器等领域得到广泛应用。,821电流模集成运算放大器的基本特性 电流模运算放大器的基本框图如图86所示。,图86 电流模集成运放框图,由图可见，同相输入端经一缓冲级到反相输入端，其中Ri表示缓冲级输出电阻。由此得出，电流模运放与电压模运放不同，其同相输入端是高阻输入，而反相输入端则是低阻输入。缓冲级之后接一互阻增益级，将输入电流变换为输出电压。图中RT表示低频互阻增益(一般可达M数量级)，CT为等效电容(主要是相位补偿电容C1，15pF左右)。输出端又接一个缓冲级，故最后的输出电阻很小。电流模运放可以看成一个流控电压源，其互阻增益A r(s)的

7、表达式如下：,若用开环差模电压增益表示，则,(833),(834),822 电流模运放的典型电路 电流模运算放大器的典型电路如图87所示。,图87 电流模运放的典型电路,图中，V1、V2接成有源负载跟随器。所以同相输入端为高阻。而反相输入端接V3、V4的射极，为低阻。V1 V4组成输入缓冲级。而且可以看出，V1 V4组成了跨导线性环。CM1和CM2表示两个电流镜，它们将iC3、iC4映射到i1和i2，并在Z点相加。V5、V6组成输出缓冲级。V7、V8组成互补跟随输出级，以保证输出电阻很小，增强带负载能力。,823电流模运放的闭环特性 电流模运放的闭环低频增益同电压模运放。如图 88所示，同相输

8、入时的闭环电压增益等于,(835),(836),经推导，该电路的高频响应为,图88 电流模运放的闭环特性,通常RT约为几M，Ri约为1060，所以可以满足RT Rf,RT Ri，故式(836)可近似为,当(Auf0Ri)Rf时,则,闭环带宽,(837),(838),(839),该式表明，当低频增益Auf0不太大时，电流模运放的闭环带宽与闭环增益无关，而取决于反馈电阻Rf与补偿电容CT的乘积。这是与电压模运放截然不同的特性。电压模运放增加带宽必然牺牲增益，增益带宽积为常数；而电流模运放的增益带宽积随着增益增大而有所提高，其条件是(Auf0Ri)Rf。图89给出电流模运放AD811的典型接法及其闭

9、环频率响应。表81给出一些电流模运放的型号和主要参数，供读者参考。,图89电流模运放典型接法与闭环频率响应(a)典型接法；(b)频率响应,表8-1 若干电流模运放的型号及参数,83 开关电流数字工艺的模拟集成技术,831 开关电流镜(SwitchedCurrentMirror)一、不带开关的电流镜 如图810所示，这是一个不带开关的MOS电流镜。其中A1、Am为各管相对V0管的宽长比，相当于电流加权系数。该电路为高阻输出，可实现加、减、反相、比例(定标)、放大、衰减、存贮等功能,图810不带开关的电流镜,我们知道，在MOS管结构参数相同的情况下，场效应管的电流与宽长比W/L成正比，即,(840

10、),(841),(842),(843),二、开关电流镜 开关电流镜，又称动态电流镜，如图811所示。其中，2为两相时钟驱动。,图811 开关电流镜,此时Cgs0被充电，其电压为维持iD0所需的Ugs0。而当 时，2为高，1为低，Ugs1=Ugs0,iD1=AiD0。实际上这种状态会继续维持到下一个周期，所以,当1为高，t=(n-1)Tc时：,(844),(845),(846),(847),这就是说，在带开关的电流镜中，下一个时刻的输出电流等于前一个时刻的输入电流乘以加权系数A。所以，人们又称开关电流镜为“电流复制器”或“电流存贮器”或“电流延迟单元”。实际上，输入电流的1开关往往不加，输出电流

11、表达式也是相同的。,832 第一代开关电流积分器 第一代同相开关电流积分器如图812所示。由图可见，V1、V2构成开关电流镜，V2、V3构成另一个开关电流镜，V3、V4、V5构成不带开关的电流镜，if为反馈电流。首先，找出反馈电流if与输出电流的关系式。由于,图812 同相型开关电流积分器,(848),(849),(850),(851),(852),(853),2为高时:,(854),(855),这是一个差分方程，其相应的Z变换方程为,(856),(857),(858),当B=1时:,当工作频率1/Tc时，即工作频率远低于时钟频率时，式中第二项趋于1，第三项相位移趋向零。可见，传输函数H(j)

12、近似为典型的无耗(理想)积分器，即,代入上式，经过化简，得,(860),若B1，则该电路将成为有耗积分器。同样，我们将电路稍加改变，就可得到反相积分器或前馈积分器等。,833 第二代开关电流积分器 第二代开关电流积分器电路如图813所示。与图 812电路比较，该电路用单管完成了电流的存贮、复制和延迟，避免了由于两管参数不匹配给电流镜带来的误差。经推导运算，该电路的传递函数,(861),图813 第二代开关电流积分器,可见也是一个同相无耗积分器。将电路稍加改变，也可以得到同相有耗积分器、反相有耗积分器、前馈积分器等。有了积分器、相加器和数乘器，就可以根据信号流图法构成各种开关电流滤波器。限于篇幅

13、，这里不再展开讨论，请读者参考有关文献。,84 跨导运算放大器(OTA)及其应用,前面介绍的是电压模运算放大器(VOA)和电流模运算放大器(IOA)，本节简单介绍跨导运算放大器(OperationalTransconductanceAmplifier，简称OTA电路)。该类电路是一种输入电压控制输出电流的增益器件，即用互导增益gm来表征其放大能力。OTA通常的符号如图814所示，其输出电流与输入差模电压的关系式为,(862),相当于一个压控电流源。,图814互导增益单元(OTA)的符号,841典型的单片集成OTA电路 一、双极型OTA电路LM3080 LM3080跨导运算放大器电路如图815所

14、示，它由一对差分对管(V1、V2)和四个恒流源(CM1、CM2、CM3、CM4)组成。其中，CM1CM3为威尔逊恒流源，作电流映射之用；而CM4为镜像恒流源，提供差分对管的射极偏流，该电流受外界的控制偏流IB控制。,由图815可知，输出电流io等于差分对管V2、V1集电极电流之差，并受输入差模电压Uid控制，即,(863a),(863b),可见，跨导与偏置电流IB成正比。控制I的大小，就可以控制跨导的大小，从而控制增益的大小。由LM3080组成的典型OTA电压放大器如图816所示，其电压增益为,图815 LM3080电路图,图816 OTA电压放大器,(864),(865),其中：,R为外加的

15、偏置电阻，RL为负载电阻。,二、CMOSOTA电路 CMOSOTA的典型电路如图817所示，其中K为电流比例系数(即宽长比的比例)。该电路也是由一对差分对管(V1、V2)以及三个电流镜组成。由图可见，该电路的输出电流io为,(866),(867),(868),(869),输出电阻,上限频率,压摆率,图8-17 对称CMOS OTA电路,842 OTA组成的连续时间滤波器 到目前为止，我们已经讨论过RC有源滤波器。这种滤波器高频性能差(一般只能做到100kHz左右)，且不能全集成化。开关电容滤波器和开关电流滤波器是一种采样数据处理系统，存在许多开关，故尖峰干扰较大。而用OTA构成的滤波器是连续时

16、间系统，其高频性能好，可实现片内电子调谐，低电压工作，与数字工艺兼容，故得到广泛应用。跨导运放电路的工作频率范围：CMOS为50MHz；双极型为500MHz;GaAs为1GHz左右。下面简单介绍跨导电容滤波器。,一、基本跨导标准部件 1.电压放大器 电路如图818所示。图中OTA2的输出全部反馈到输入，构成一个等效电阻R，其值为,(870),(871),图818 标准单元之一电压放大器,2.相加、相减电路 电路如图819所示。由图可得,图819 OTA相加或相减电路,若gm1=gm2=gm，则,若将ui2从OTA2的反相端输入，则可实现相减，即,(872a),(872b),(872c),3.O

17、TA积分器 OTA积分器电路如图820所示。图中C为积分电容，OTA2的等效输入阻抗R作为积分电阻。,图820 OTA积分器,(873),由图可得,二、OTA电路应用举例OTA二阶带通滤波器 由三个OTA构成的二阶带通滤波器如图821所示。其中OTA1和OTA2以及电容C构成一个等效的电感，而OTA3等效为一个电流源和一个电阻。设点电压为uo，OTA2的输出电流为I2,则,(874),(875),点向左看的等效阻抗,图821 OTA二阶带通滤波器,(876),(877),可见，等效电感,又,可见，OTA3可等效为一个电流源I和一个电导G，即,那么该电路可等效为图822的LCR 无源网络。图82

18、2所示电路相当于一个二阶带通滤波器。令C=C，则其传递函数,(878),(879),图822三个OTA构成的带通滤波器等效电路,(880),可见，该带通滤波器的中心频率f0、-3dB带宽BW、Q值及中心频率增益H(f0)分别为,(881),(883),(882),(884),85 在系统可编程模拟器件(ispPAC)原理及其软件平台,851 在系统可编程模拟电路的结构及原理 Lattice公司发布的模拟可编程器件有三种：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80。下面分别介绍ispPAC10和ispPAC20。,一、ispPAC10的结构和原理 ispPAC10的结构如图823(a)

19、所示。其中包括四个独立的PAC块、配置存贮器、模拟布线池、参考电压和自校正单元以及isp接口等。器件用+5V电源供电。ispPAC10为28脚双联直插封装，管脚排列如图823(b)所示。,图823ispPAC10内部结构图及管脚封装图(a)内部结构图；(b)管脚封装图,四个基本单元电路称之为PAC块，其简化电路如图824所示。每一个PAC块由两个差分输入的仪用放大器和一个双端输出的输出放大器组成。输入阻抗高达109，共模抑制比为69dB，增益调节范围为-10+10。输出放大器的反馈电容Cf有128种值(1pF62pF)，反馈电阻Rf可接入或断开。各放大块或放大块之间可通过模拟布线池实现可编程和

20、级联，以构成110000倍的放大器或复杂的滤波器电路。,图824 ispPAC10内部的四个基本放大单元(PAC块)的简化电路,二、ispPAC10基本放大单元(PAC块)的工作原理 ispPAC10的PAC块由两个差分输入的仪用放大器和一个输出相加放大器组成，如图8-25所示。该PAC输出级兼有滤波/相加功能，所以称之为Fi/Sum(Filtering/Summation)PAC块。,图825 Fi/Sum(滤波/相加)PAC块,两个仪用放大器是具有差分输入输出(I/O)的跨导运算放大器(OTA)电路，将输入差模电压转换为输出差分电流，如图826所示。图中,(885),(886),其中，跨导

21、gm在2A/V和20A/V范围内分10级可编程，且极性也是可程控的。,图826 差分I/O的OTA电路,ispPAC10PAC块的输出级是一个双端输入双端输出的运算放大器，其中反馈支路中的电容Cf是一个具有128种数值的可编程阵列。而反馈电阻Rf则由另一个OTA(IAF)电路构成(参考842节)。ispPAC10PAC块的输出级如图827所示。根据基尔霍夫电流定理，有,(887),首先只计算一个差分输入级的输出电流，得,图827 ispPAC10 PAC块的输出级,运放输入端为虚短路，即U-=U+，且有Uo=Uo+-Uo-，所以,(888),(889),(890),可见，是一个有耗积分器(一阶

22、低通滤波器)电路。实际上，有两个跨导输入级，所以总的输出电压Uo应为,(891),式中：OTAIA1的跨导gm1=K1gm=K12A/V；OTAIA2的跨导gm2=K2 gm=K2 2A/V；K1、K2均为可编程，其范围为110，步进为1。电路中等效电阻Rf的跨导放大器OTAIAF的跨导gm3是一个固定值，且gm3=2A/V。所以，PAC块的单边低频增益,(892),若令OTAIAF的gm3=0，则相当于等效电阻Rf断开。电路则由一阶低通(有耗积分器)变成无耗积分器(即理想积分器)，其传递函数为,(893),三、ispPAC20的结构及原理 ispPAC20的结构如图828(a)所示。它由两个

23、基本单元PAC块、两个比较器、一个八位D/A转换器、配置存贮器、参考电压、自动校正单元、模拟布线池及isp接口所组成。该器件为44脚封装，如图828(b)所示,图828ispPAC20内部结构及引脚图(a)内部结构；(b)引脚图,图828ispPAC20内部结构及引脚图(a)内部结构；(b)引脚图,ispPAC20的内部电原理图如图829所示。现在将ispPAC20与ispPAC10的不同点加以说明。1.输入控制 如图829所示，当外部引脚MSEL=0时，输入IN1被接至IA1的a端；反之，MSEL=1时，输入IN1被接至IA1的b端。,2.极性控制 在ispPAC20中，前置互导放大器IA1

24、、IA2、IA3的增益为-10-1；而IA4的增益极性可控，当外部引脚PC=1时，增益调整范围为-10-1，而当PC=0时，增益调整范围变为+10+1。,图829 ispPAC20内部电路,3.比较器CP1和CP2 在ispPAC20中，有两个可编程双差分比较器CP1和CP2。该电压比较器和普通的电压比较器没有太大的差别，只是它们的输入是可编程的。即可来自于外部输入，也可以是基本单元电路PAC块的输出，也可以是固定的参考电压1.5V或3V，还可以来自DAC的输出等等。当输入的比较信号变化缓慢或混有较大噪声和干扰时，也可以施加正反馈而改接成迟滞比较器。比较器CP1和CP2可直接输出，也可以经异或

25、门(XOR)输出。,4.八位D/A转换器 这是一个八位、电压输出的DAC。接口方式可自由选择：八位并行方式；串行JTAG寻址方式；串行SPI寻址方式等。DAC输出是差分的，可以与器件内部的比较器相连或和仪用放大器输入端连接，也可以直接输出。,852 PACDesigner软件及开发实例 Lattice公司创建了PACDesigner软件来支持可编程模拟器件的设计与开发。在安装好该软件之后，在Windows95中，按StartProgramsLatticeSemiconductorPACDesigner菜单，进入PACDesigner软件集成开发环境(主窗口)。下面，我们以设计一个二阶状态变量滤

26、波器为例，来简单介绍PACDesigner软件的应用过程。,一、用两个PAC块构成双二阶滤波器 电路如图830所示。该电路从Uo1输出和Uo2输出分别构成二阶带通滤波器和二阶低通滤波器，用两个PAC块构成，第一个PAC块接成有耗积分器，第二个PAC块接成无耗积分器。Uo1输出接到第二个PAC块输入，Uo1输出反馈到第一个PAC块的输入端(IA2)，完成相加功能。,图830 用PAC块构成的双二阶滤波器,(894),(895),式中，k11、k12、k21分别为IA1、IA3、IA2的可编程增益。,二、设计步骤 1.选择器件 在PACDesigner软件主窗口中按File=New菜单，将弹出如图

27、831所示的对话框。,图831 产生新文件的对话框,首先选择器件。如选中ispPAC10，则进入图832所示的图形设计输入环境，清晰地展示出ispPAC10的内部结构。然后，可根据传递函数的要求连线并选择参数。2.根据要求连线 只要双击某一节点，就会弹出连线信息对话框。根据你的需要连线即可。如图830，将IN1连到IA1输入端，OA1的输出连到IA3的输入端，OA2的输出又反馈到IA2的输入端，等等，如图832所示。,图832 图形设计输入环境及双二次滤波器设计实例,3.选择参数 例如，分别双击IA1、IA3、IA2，选择增益 k11=-3,k12=-1,k21=1。双击电容Cf1,选Cf1=

28、25.49pF，Cf2=5.92pF。OTA1的反馈电阻Rf连通，而OTA2的反馈电阻断开。可编程增益k可调范围为-10+10，以1步进。Cf的可调范围为1.0762pF，分128级可选。实际上，PACDesigner软件中含有一个“宏”，专门用于滤波器的设计。只要输入f0、Q等参数，即可自动连线和自动选择参数，从而自动产生你所需的二阶滤波器电路。,4.模拟(设计仿真)开发软件有一个模拟器，用于模拟放大器或滤波器的幅频特性及相频特性。具体步骤如下：1)设置仿真参数 按Operations=Simulator菜单，弹出如图833所示的对话框。在该对话框中确定仿真频率的起始值和终止值，仿真点数，以

29、及输入、输出节点。该软件可同时仿真四条幅频特性和四条相频特性。在我们的例子中，将仿真Cuve1，其相应的输入节点为Ui1，输出节点为Uo1；对于Cuve2，其相应的输入节点为Ui1，输出节点为Uo2。,图833 仿真参数设置对话框,2)执行仿真操作 完成参数设置后，按Tools=RunSimulator菜单进行仿真。本例的仿真结果如图834所示。,图834 双二阶滤波器实例的仿真曲线,5.器件编程和下载 仿真结果达到设计要求后，最后一步是对PAC器件配置编程。通过编程电缆给器件下载，执行oolsDownloacl菜单即可。6.PACDesigner软件的几个重要的功能 至此，PACDesign

30、er软件的重要操作流程已经介绍完毕。为了进一步熟练运用该软件，这里介绍一下该软件的其它几个重要的功能。,Tools=RunMacro菜单 该菜单具有根据用户定义的参数值自动生成满足条件的双二阶、巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)等类型的滤波器。启动该菜单会产生如图 835所示的对话框。,图835 RunMacro对话框,对话框中有三种Macro可运行：ispPAC10-Biquad.exe产生适用于ispPAC10的双二阶滤波器；ispPAC10-Ladder.exe产生适用于ispPAC10的巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)等类型的滤波器；ispPAC20-Biquad.exe产生适用于ispPAC20的双二阶滤波器。,File=BrowseLibrary 安装完PACDesigner软件后，会在存放该软件目录的libarary子目录下生成一系列.pac的设计源文件作为库文件。用户可在设计中按FileBrowseLibarary菜单调用这些文件，并在此基础上改进从而方便地完成自己的设计。用户也可将自己已有的设计文件(*.pac)放入该目录下作为新的库文件，以备以后的设计调用。Edit=Security 该菜单可以用来选择设计下载至ispPAC器件后能否允许被读出，起加密保护作用。,