§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 _