§4.3M0s模拟集成电路基础 与BJT相比,尽管 MOSFET的参数离散性大,gn低, 输入失调电压Uo大,输入失调电压的温漂大 频率特性差,低频噪声大,但M0S管输入偏流极 低,输入电阻可高达10129,集成工艺简单,抗辐 射能力强,MOS集成电路密度比双极型的密度高很 多,而功耗却低很多。因此,自80年代以来,大 规模M0s集成电路发展十分迅速,使MoS集成电路 在当代大规模集成电路中占据主流地位。本章首先 讨论MoS单元电路。鉴于M0s和BT电路结构对应 相似,工作原理也基本相同,同学们可在已有前几 章的理论基础和知识,对MOs模拟集成基本单元电 路作一些分析与研究
§4.3 MOS模拟集成电路基础 引 言 与 BJT 相比，尽管 MOSFET 的参数离散性大，gm 低， 输入失调电压 UIO大，输入失调电压的温漂 dT dUIO 大， 频率特性差，低频噪声大，但 M O S 管输入偏流极 低，输入电阻可高达 1012Ω，集成工艺简单，抗辐 射能力强，MOS 集成电路密度比双极型的密度高很 多，而功耗却低很多。因此，自 80 年代以来，大 规模 MOS 集成电路发展十分迅速，使 MOS 集成电路 在当代大规模集成电路中占据主流地位。本章首先 讨论 MOS 单元电路。鉴于 MOS 和 BJT 电路结构对应 相似，工作原理也基本相同，同学们可在已有前几 章的理论基础和知识，对 MOS 模拟集成基本单元电 路作一些分析与研究
§4.3Mos模拟集成电路基础 (一)M0S模拟集成基本单元电路 MOS模拟集成电路与系统的基本组成与双极性的相似,常用的基 本单元电路有:差动放大输入级,中间放大级,输出级,电流源等基 本单元电路,而且单元电路的结构与双极型也相似。 1、MOS电流源 +VDD (1)镜像电流源 Mos镜像电流源,结构与BJ相似, T3 由于在MOS工艺中制造Mos管占芯片面积 要比大电阻小的多,故电路中用T3代替R, 其中T1,T2,T3为E型 NMOSFET T1 I2 由于 MOSFET管的大信号特性方程为: iD=Bn(uGs -UGS(of))(1-nDs) 其中:Bn=COx L βn:管子的增益系数,Ln,:沟道中电子迁移率, Cox:氧化层单位面积的电容量,W:沟道宽 L 度与长度之比,一般当一定时,n为常数
§4.3 MOS模拟集成电路基础 （一） MOS 模拟集成基本单元电路 MOS 模拟集成电路与系统的基本组成与双极性的相似，常用的基 本单元电路有：差动放大输入级，中间放大级，输出级，电流源等基 本单元电路，而且单元电路的结构与双极型也相似。 1、 MOS 电流源 （1） 镜像电流源 MOS 镜像电流源，结构与 BJT 相似， 由于在 MOS 工艺中制造 MOS 管占芯片面积 要比大电阻小的多，故电路中用 T3 代替 R， 其中 T1 ，T2 ，T3为 E 型 NMOSFET。 由于 MOSFET 管的大信号特性方程为： ( u U ) ( 1 u ) 2 1 i DS 2 D = n GS − GS ( off ) − 其中： L W n = n Cox βn :管子的增益系数，n ：沟道中电子迁移率， Cox ：氧化层单位面积的电容量， L W ：沟道宽 度与长度之比，一般当 L W 一定时，n 为常数
§4.3M0S模拟集成电路基础 (1)镜像电流源 +DD ∴有:iD=Bn/(osr-U GS(off) )(1+aDs) iD2=B 2(G2 U GS(off) 1+Ds2 T3 因为:u1=la2=uo,且in=lgin2=I 由上两式相除可得: lD141 T2+ ≈(W2/L2)(1+xVDs2la Upsala (形/L)(I+Ds 如果假设Ds=lDs2 W2/L2=W1/L1 GS 则有Io=IR 但实际中uDsr=on而uDs2=UDs+uh 其中s是T2接入电路后漏源电压的变化,∴b≠R 可修正为:Io Ptsd 而T2的输出电阻ro=rd2
§4.3 MOS模拟集成电路基础 （1） 镜像电流源 ∴有：i ( u U ) ( 1 u ) DS 1 2 D1 = n1 GS 1 − GS( off ) + i ( u U ) ( 1 u ) DS2 2 D2 = n2 GS 2 − GS ( off ) + iD1 iD2 IO + uGS _ 因为：uGS1 = uGS 2 = uGS ，且 D1 R i = I D2 0 i = I 由上两式相除可得： R 1 1 DS1 2 2 DS2 0 I (W / L )( 1 V ) (W / L )( 1 V ) I + + = 如果假设 uDS1 = uDS2 2 2 1 1 W / L =W / L 则有 I0 =I R 但实际中uDS1 = uGS 1 而 uD S2 = UD S + ud s 其中 ud s 是 T2 接入电路后漏源电压的变化， + uDS2 - ∴ IO≠IR 可修正为： R A ds 0 R I U u I = I + 而 T2的输出电阻 r0 =rds2 rO IR
1MOS电流源 +VDD (2)Mos比例电流源 由于Mos管的I与W/成正比,因此 用不同的尺寸就可以得到成比例的电流源 如果忽略沟道调制效应(即λ=0),则由上 面的关系可得: w3 W,/L W2/ L3 02一 R WI/L R 若考虑λ≠0,可类推出I02,I与I的关系。 (3)MOS威尔逊电流源一高输出阻抗精密电流源 +VDD A gm=8m 2=gm3, gm 2rds2>>l, Pm ds1 ds2 >1/gm则ro≈ras2 gm2Ids1 l R T1 一般gn2ras2=50~100,故 wilson电流源动态内阻约 GS 为基本电流源的50~100倍 D3 T2 T3|◆ 源的动态内阻ro为: +dsl/7+8ml (1+gm22 g
1 MOS电流源 (2)Mos 比例电流源 由于 Mos 管的 ID与 W/L 成正比，因此 用不同的尺寸就可以得到成比例的电流源。 如果忽略沟道调制效应（即λ=0），则由上 面的关系可得： R 1 1 2 2 02 I W / L W / L I = R 1 1 3 3 03 I W / L W / L I = 若考虑λ≠0，可类推出 I02，I03与 IR的关系。 L1 W 1 L2 W 2 L3 W 3 IO2 IO3 IR (3)MOS 威尔逊电流源一高输出阻抗精密电流源 欲获得更好的恒流特性和更大的动态内阻， 可采用 MOS 威尔逊电流源，如图 6.1.3 所示.它 的工作原理与 BJT 的 Wilson 电流源基本相同,设 I0因某种因素的变化而变大时,则 ID3,ID2 ,IR均随 之增大,则 VR压降随之增大,导致 VGS1减少，反过 来促使 I0（即 ID3）回落.因有内部负反馈,I0≈IR， 且误差很小。 IO Id3 ID2 IR + uR - uGS1 ID2 ID3 用微变等效电路法可求得 Wilson Mos 电流 源的动态内阻 r0为： ( 1 g r )] g g r [1 g 1 r m2 ds2 m3 m1 ds1 m3 0 = + + + IO 若 gm1=gm 2=gm 3 , g m 2 rds2>>1, gm rds1rds2>>1/g m 则 r0≈rds2gm2 rds1 一般 gm2 rds2=50～100,故 wilson 电流源动态内阻约 为基本电流源的 50～100 倍
2M0s单级放大器 由NMOS管和PMOS管可组成各种形式的单级放大器, 其基本电路组态有:共源、共栅和共漏三种组态 图(a)是共源小信号放大电路中的M0s管,图(b)为该Mos管的低频信号 微变等效电路,图中gm是转移跨导,即gm=06·反映了在静态工作点 Q附近,Vs对i的控制作用,gm称为背栅跨导,即g=n,反映了VBs 对i的控制能力,背栅控制特性表明了Mos管的四极管作用,这是BJT所没 有的,这一优点对Mos模拟集成电路的设计十分有用 T (!mvs(omb. vbs 3rds“s 图(a) 图(b)M0S管低频小信号等效电路 在MoS集成电路中,因MoS管gn较低,故为提高增益以避免制作大电阻R, 大都采用有源负载电阻R。有源负载MS放大器主要介绍以下几种
2 MOS单级放大器 由 NMOS 管和 PMOS 管可组成各种形式的单级放大器， 其基本电路组态有：共源、共栅和共漏三种组态。 图（a）是共源小信号放大电路中的 MOS 管，图（b）为该 MOS 管的低频信号 微变等效电路，图中 gm 是转移跨导，即 Q GS D m V i g = ，反映了在静态工作点 Q 附近，VGS对 iD的控制作用，gmb 称为背栅跨导，即 BS D mb V i g = ，反映了 VB S 对 iD 的控制能力，背栅控制特性表明了 MOS 管的四极管作用，这是 BJT 所没 有的，这一优点对 MOS 模拟集成电路的设计十分有用。 图（a） 图（b）MOS管低频小信号等效电路 在 MOS 集成电路中，因 MOS 管 gm 较低，故为提高增益以避免制作大电阻 RD， 大都采用有源负载电阻 RD。有源负载 MOS 放大器主要介绍以下几种。 + uGS _ + uBS _ + uDS _ + uGS _ + uDS _
2M0Ss单级放大器 ①增强型(E型)有源负载E/E型电路 该电路的低频小信号微变等效电路如下图所示 因ve S2D S2B S20 +VDD 即对有源负载T2管的等 效模型电路来说,压控 G 电流源gn2V6s2和gnb2 L D 的端电压都等于端 电压V,所以可等效成 电阻1/gm2和1/gm° gm1vi srds1 3 1/(gm2+gmb2)rds f. 由图可以求出: L 8ds, t8 B+ 8m2 t8nb2 8ds+8m2+8,+8ds2 8m2+8nb2 其中8a1=一,g2 值相对很小,可以忽略一般而言,总有gm2(gm,所以 WI/LI VW2/L2 2
2 MOS单级放大器 ① 增强型（E 型）有源负载 E/E 型电路 该电路的低频小信号微变等效电路如下图所示。 D2 S2 G2 D1 S1 G1 G1 D1 + ui - + uo - uGS2 uBS2 uDS2 + uGS _ + uBS _ + uDS _ + uGS _ + uDS _ 因 VG S2=VD S2=VB S2=V0， 即对有源负载 T2管的等 效模型电路来说，压控 电流源 gm 2 VG S2和 gm b2 VBS2的端电压都等于端 电压 V0，所以可等效成 电阻 1/gm 2和 1/gm b2。 i gs1 v = v o gs2 v = v 由图可以求出： m2 mb 2 m1 d s2 mb 2 d s1 m2 m1 v g g g g g g g g A + − + + + − = d s2 m2 mb 2 mb 2 d s1 m2 o g g 1 g g g g 1 r + + + + = 其中 1 1 1 d s d s r g = ， 2 2 1 d s d s r g = 值相对很小，可以忽略 一般而言，总有 gmb2<< g m2，所以 2 2 1 1 m2 m1 V W / L W / L g g A − = − m2 0 g 1 r
2M0S单级放大器 ②E型管放大,D型管有源负载的E/D电路 该电路可使电压增益大大提高,其原因是T2管的Ve2=0,消除了受 控电流源gn2Vs,而g2又比较小。下图是其低频小信号的微变等 效电路 +VDD T2 D G gml.vi rds121/amb2 rds o G lo S 可以看出: g N adsl+8 ds, 8nb2 uGS gmb. vbs srds 8dstb2t8ds2 8nb2
2 MOS单级放大器 ② E 型管放大,D 型管有源负载的 E/D 电路 该电路可使电压增益大大提高，其原因是 T2管的 VG S2=0，消除了受 控电流源 gm 2 VG S2，而 gmb2又比较小。 下图是其低频小信号的微变等 效电路。 D2 S2 G2 D1 S1 G1 + ui - + uo - uGS2=0 uBS2 uDS2 + ui - + uo - 可以看出: mb 2 m1 d s1 mb 2 d s2 m1 V g g g g g g A − + + − = ds1 mb 2 ds2 mb 2 0 g 1 g g g 1 r + + = + uGS _ + uBS _ + uDS _ + uGS _ + uDS _
2M0s单级放大器 3CMoS型放大电路 般把由MMOS和PMoS相组合的互补放大电路称为cMos型放大电路。 右图是以E型 PMOSFET管T2, T3构成的镜像 S 电流源为有源 负载,E型 NMOSFET管T1 (gml.vi rds1 Srds2 Wo 为放大管, 由于与放大管T1互 补的有源负载具有很 li 高的输出阻抗,因而 低频电压增益很高 由电路图可知: ds I 十 ds 2 uGS gm VGs/gmb. Vbs srds ds Is 2
2 MOS单级放大器 ③ CMOS 型放大电路 一般把由 NMOS 和 PMOS 相组合的互补放大电路称为 CMOS 型放大电路。 右图是以 E 型 PMOSFET 管 T2， T3构成的镜像 电流源为有源 负载，E 型 NMOSFET 管 T1 为放大管， 由于与放大管 T1互 补的有源负载具有很 高的输出阻抗，因而 低频电压增益很高 S2 S1 D2 D1 + ui - + ui + - uo - + uo - 由电路图可知: ds1 ds2 m1 V r r g A + = − ds1 ds2 0 r r 1 r + = + uGS _ + uBS _ + uDS _ + uGS _ + uDS _
3MOS源极耦合对差动放大器 常用的有源负载Ms源耦差动放大器有三种形式,如下图所示 其中图(a)所示为E/E型;(b)所示为E/D型;(c)所示为CMoS型。 Vcc T3 T3 T4 HT4 v T1 T2 T1 T2 T5鬥偏压 T5 偏压 偏压 Vee ee Vee 由于E/E型和E/D型的电路对称,利用半边差模等效电路的概念,可分 别等效成图6.1.6和图6.1.7所示的单极Mos放大电路来分析,结果也 相同 但对图(C所示的CMOS差动电路,由于镜像电流源对T1和T2是 不对称的,分析比较复杂.电路特点是可实现单端一双端的输出转换 功能,且其增益与双端输出一样
3 MOS源极耦合对差动放大器 常用的有源负载 MOS 源耦差动放大器有三种形式,如下图所示。 其中图(a)所示为 E/E 型;(b)所示为 E/D 型;(c)所示为 CMOS 型。 由于 E/E 型和 E/D 型的电路对称，利用半边差模等效电路的概念，可分 别等效成图 6.1.6 和图 6.1.7 所示的单极 MOS 放大电路来分析,结果也 相同. 但对图(C)所示的 CMOS 差动电路,由于镜像电流源对 T1 和 T2 是 不对称的,分析比较复杂.电路特点是可实现单端一双端的输出转换 功能,且其增益与双端输出一样。 i1 v i1 v i1 v i 2 v i 2 v i 2 v o v o v o v 偏压 偏压 偏压 i1 i2 i4 io
4CM0S互补输出级 在CMoS集成电路中,常见的输出级有工作于甲类的源随器, 工作于甲、乙类的互补输出级,源随器的优点是电路简单,输出阻 抗低,失真小,缺点是效率低,且在有负载时正负输出摆幅不对称 甲乙类互补输出级的效率高,负载能力强,主要适用于CMoS工艺。 图6.1.14所示为共漏OMos互补输出 +vdd 级,其基本结构与BT电路的甲乙类推挽输 VG6 出极一样。其中T1和T2组成互补推挽输出 级,T3,T4是T1和T2的偏置电路,使T1,T2 6 偏置在甲乙类工作状态,以消除交越失真。T5 T6组成CMoS推动放大级,其中T5是NOS放 大管,而T6是PMoS有源负载。图6.1.14所 示电路的主要缺点是输出电压幅度Vom不够 T4 T2 U 大,因Vm可简单的决定于正、负电源电压减 D 去T1和T2的vs(地h),当Ves(th)大则vom 就减少。为了得到尽可能大的V。,可采用 -Vss 图6.1.15所示共源CM0S输出级
4 CMOS互补输出级 在 CMOS 集成电路中，常见的输出级有工作于甲类的源随器， 工作于甲、乙类的互补输出级，源随器的优点是电路简单，输出阻 抗低，失真小，缺点是效率低，且在有负载时正负输出摆幅不对称。 甲乙类互补输出级的效率高，负载能力强，主要适用于 CMOS 工艺。 图 6.1.14 所示为共漏 CMOS 互补输出 级，其基本结构与 BJT 电路的甲乙类推挽输 出极一样。其中 T1和 T2组成互补 推挽输出 级，T3，T4是 T1和 T2的偏置电路，使 T1，T2 偏置在甲乙类工作状态,以消除交越失真。T5， T6组成 CMOS 推动放大级，其中 T5 是 NMOS 放 大管，而 T6是 PMOS 有源负载。图 6.1.14 所 示电路的主要缺点是输出电压幅度 VO m 不够 大,因 VO m可简单的决定于正、负电源电压减 去 T1和 T2的 VGS（th） ，当 VGS（th） 大则 Vom 就减少。为了得到尽可能大的 Vom ，可采用 图 6.1.15 所示共源 CMOS 输出级。 D2 D1 S1 S2 + ui - + uo -