CMOS模拟电路基本单元

CMOS模拟集成电路基本单元一、模拟开关二、有源电阻 三、电流源和电流沉 四、电流镜 五、CMOS基本放大器

六、CMOS差分放大器七、CMOS基准源 八、CMOS振荡器1

一、模拟开关

模拟开关在模拟集成电路设计中具有非常重要的作用 ；

分为NMOS模拟开关和CMOS模拟开关 ；

对于NMOS模拟开关，当控制信号C的电压为电源电压时，要求 Vout≈Vin,即要求NMOS晶体管工作在深度线性区。2

NMOS模拟开关非理想模型NMOS模拟开关的非理想模型即 三端网络，端口A和B为开关的输 入输出端，C为电压控制端。 理想情况下，RON为零，而 ROFF为无穷大。为了降低总谐 波失真，RON与控制电压的关系 应为线性关系 。 VOS表示模拟开关的失调电压，表示开关导通且电流为零时，端点A和B 之间存在的电压。 IOFF表示开关关断时流过的漏电流。 CA、CB、CAB和CBC分别表示开关端点对地的寄生电容，对模拟信号采 样保持电路性能有较大的影响。 3

NMOS模拟开关的导通电压-电流特性

当NMOS模拟开关处于导通状态时，其沟道电流为

0<VDS<VGS-VT导通电阻为RON VDS L i D n C ox W VGS VT VDS

当NMOS模拟开关处于关断状态时，即VGS<VT,如 VDS≈0,则iDS=IOFF=0;如VDS>0,则ROFF≈1/iDSλ=1/IOFFλ≈∞。4

NMOS模拟开关的导通电压-电流特性

W=L=3μm VGS一定时，沟道电流随着VDS增 加而线性增加；当VDS一定时，沟 道电流随着VGS增加而增加。

多种宽长比NMOS模拟开关导通电 阻与VGS之间的关系，当VGS一定 时，导通电阻随着W/L的增加而减 小；当W/L一定时，导通电阻随着 5 VGS增加而减小。

NMOS模拟开关的非理想效应及解决方法

动态范围小和时钟馈通效应 ; 时钟馈通效应主要是NMOS寄生电容所造成的，当控制 信号发生较高频率的变化时，寄生电容CGS和CGD使 NMOS的栅极分别和源/漏极耦合，产生输出失调 ； CMOS模拟开关是比较理想的技术，能有效提高开关动 态范围，减小时钟馈通效应 ；

二、有源电阻

CMOS模拟集成电路会采用大量的电阻，一般采用阱、扩 散和多晶(Poly)实现精确的电阻值。 在负载等应用中，其电阻值不需要很精确，只要求保证其 值的量级，所以可以采用MOS器件实现电阻，并能保证非 常小的版图面积。 Cox W2L1 g m g gs g mbs

i

VGS

VT

2

rout

1 gm

有源电阻分压电路及并联电阻

三、电流源和电流沉

电流沉与电流源电路是两端元件，其电流值受栅电压控制， 和加在MOS两端的电压无关。 一般来说，电流沉的负端电压接VSS,而电流源的正端电 压接Vdd。

MOS工作在饱和区。V VMIN Vg

VTN VSS1 VDS 1 I D I D9

rout

电流源

电流源的源漏电压应大于VMIN才能正常工作

V VMIN Vg VTP VSS

需要改进之一：增加小信号输出电阻，使输出电流更加 稳定； 需要改进之二：减小VMIN的值，使得电流沉或电流源能 10 在较宽的输出电压范围V内工作。

电流源输出电阻提高技术

电流源输出电阻提高技术——Cascode

四、电流镜(电流放大器)

基本原理：如果两个NMOS(PMOS)的栅源电压相同，则沟道电流 13 也相同。

NMOS基本电流镜电路及特性

(1)输出输入电流比值是MOS晶体管尺寸的比例关系，完 全由集成电路设计人员控制； (2)当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增 14

MOS电流镜的非理想效应

MOS晶体管几何尺寸不匹配。 集成电路光刻工艺、腐蚀及横向扩散所引入的误差会是晶 MOS晶体管阈值电压不匹配。 在集成电路工艺中，MOS晶体管的栅氧化层存在线性梯度

体管的几何尺寸不匹配，直接影响电流镜的比例电流关系。

误差和随机误差，使得相同尺寸的MOS晶体管阈值电压存 在不匹配，影响电流镜的比例电流关系。

沟道长度调制效应。 特别是亚微米及深亚微米电流镜的短沟道调制效应15

Wilson电流镜

当NMOS处于饱和态工作时，输出电流是随着VDS2的增加而近似线性增加 的，而不完全等于输入电流。解决方法是Wilson或Cascode电流镜 ；Wilson电流镜利用电流负反馈增加其输出电阻 ；

如果输出电流增加，则通过M2的电流也增加，而且由于M1和M2的镜像 关系使输入电流也增加如果输入电流保持不变，当输出电流增加时，M3的栅电压减小，抑制 输出电流增加，所以保持了输出电流的恒定性

Cascode NMOS电流镜

五、CMOS基本放大器

放大器是集成电路的最基本单元电路之一； 用于提高模拟电路的驱动能力，也可以应用于于反馈系统； 基本CMOS模拟放大器，包括共源、共栅、共漏及Cascade放 大器； 掌握CMOS基本模拟放大器的电路结构、小信号模型、增益 及输出电阻简化公式18

CMOS共源放大器

共源放大器是将MOS晶体管的栅源电压变化转换成小信号

漏极电流，小信号漏电流流过负载电阻产生输出电压。