1、LOGO CMOS模拟集成电路设计 第四章模拟CMOS子电路 黑龙江大学电子工程学院集成电路设计与集成系统 李志远2015 目录 引言 1 MOS开关 32 MOS二极管 有源电阻 43 电流源和电流漏 4 电流镜 5 基准电流和电压 36 带隙基准 47 引言 子电路是一个CMOS模拟电路设计的方法学课题 典型的子电路由简单电路组成 可完成更复杂的电路功能 4 1 MOS开关 开关的作用 多路选择 调制 传输门等 理想开关 4 1 MOS开关 实际的开关 电压控制开关是一个 三端口网络 其中A B 端组成开关 C端是控 制电压Vc作用端 偏移源和漏电流极性 是不确定的 电容C AC 和C B
2、C 的影响 称为电荷馈通 控制电压 的一部分会出现在开关 A B端 4 1 MOS开关 应用MOS管实现开关 导通电阻由r D r S 的组合与始终存在的沟道电阻串联组成 通常r D r S 的影响很小 所以主要考虑沟道电阻 沟道电阻的求得 开关导通时 0 V DS 模拟信号电压最大值阈值电压之和 5V VT VGate off 模拟信号电压最小值 0 4 1 MOS开关 NMOS开关的I V特性 晶体管端 漏 源 开关起着 V DS 过零的转换 作用 4 1 MOS开关 MOS开关的导通电阻 W L越大 导通电阻越小 V GS 越大 导通电阻越小 V GS 小于V T 时 开关断开 导通电阻
3、趋向无穷大 4 1 MOS开关 MOS开关非理想性对性能的影响 非0的导通阻抗 4 1 MOS开关 MOS开关非理想性对性能的影响 例 假设电容C 10pF 最初没有充电 如果时钟摆幅为 5V 高电位时间为T 0 1 s 输入端电压为2 5V 请确定 MOS开关的W L以保证电荷转移时间等于5倍时间常数 解 要求R ON C T 已知T 0 1 s 5R ON C R ON T 5C 0 1 s 50pF 2k 4 1 MOS开关 MOS开关非理想性对性能的影响 非0的关断漏电流 开关关断状态的影响 采样保持电路中I OFF 影响举例 如果C H 不够大 那 么在保持模式中 MOS开关是断开的
4、 漏电流会使CH充 上或放掉相当量的 电荷 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 由于栅到源和漏的耦合电容引起 这个耦合会导致栅极信号 一般是时钟 传送到源极和 漏极节点 引起耦合的因素 版图 尺寸 源极和漏极节点的阻抗 栅极的波形 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 当开关闭合时 存储在沟道中的电荷为 当开关断开时 电荷注入到源端和漏端 假设电荷在源漏两端平均分配 那么电 容C L 两端电压的变化 电荷注入不影响Vin 因为Vin是电压源 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 电荷随着管子栅极电压 1 从高到低的跳变而产生的注入 是令人感兴趣的 栅极电压
5、过渡的两种情况 快跃变时间 慢跃变时间 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 慢跃变时间 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 快跃变时间 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 将栅极电压模拟为分段恒定波形 一个量化波形 并考虑每个跳变过程中电荷的流动 C L 电压的变化范围表示管子导通时的工作情况 两种情况中 量化的电压步长是相同的 但是步长间的时间不同 C L 两端电压呈指数变化 其时间常数由沟道电阻和沟道电容决定 并不随快 慢情况 而改变 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 慢跃变情况 快跃变情况 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通
6、电荷注入 例4 1 1 了解 4 1 MOS开关 电荷馈通 时钟馈通 电荷注入 避免电荷馈通的解决办法 应用尽可能小的MOS管尺寸 减小交叠电容 增大负载电容 应用dummy补偿晶体管 需要互补时钟 完全消除是困难的 甚至可能会使馈通更严重 应用互补的开关 比如传输门 较小的时钟摆幅 应用差动开关电容电路 相对较好的办法 4 1 MOS开关 传输门 NMOS传输门 4 1 MOS开关 传输门 PMOS传输门 4 1 MOS开关 传输门 CMOS传输门 4 1 MOS开关 MOS开关小结 MOS开关的源 漏可置换性 较高的开关断开电阻Roff 适当的开关导通电阻 对多数应用都OK 时钟馈通与开关
7、尺寸成正比 与负载电容成反比 互补开关提高动态范围 随着电源电压减小 开关更难完全导通 4 2 MOS二极管 有源电阻 MOS二极管 当MOS管的栅极和漏极被接在一 起时 I V特性实质上类似于一个pn结二极管 因 此命名为MOS 二极管 MOS二极管被用作电流 镜的一个元件和电平转换 电压降 4 2 MOS二极管 有源电阻 MOS二极管 当MOS管的栅极和漏极被接在一起时 MOS管总工作在饱和区 大信号特性 忽略沟道调制效应 4 2 MOS二极管 有源电阻 低频小信号模型 When Vbs 0 4 2 MOS二极管 有源电阻 有源电阻分压电路 4 2 MOS二极管 有源电阻 悬浮有源电阻 4 2 MOS二极管 有源电阻 例4 2 1 悬浮有源电阻的计算 采用表3 1 2的参数 LOGO
