专用集成电路设计基础教程（来新泉 西电版）第5章 模拟集成电路设计技术

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1、5.1电流源5.2差分放大器5.3集成运算放大器电路5.4比较器5.5带隙基准5.6振荡器第5章模拟集成电路设计技术5.1电流源集成电路设计者的主要工作是设计电路，包括电流的设计。为了给各电路提供设计所指定的电流，常使用电流镜电路，它是集成电路的基本电路。其主要用途有：做有源负载；利用其对电路中的工作点进行偏置，以使电路中的各个晶体管有稳定、正确的工作点。下面我们来讨论模拟集成电路中各种类型的电流源电路。5.1.1双极型电流源电路在集成电路中，偏置电路和晶体管分立元件的偏置方法不同，也就是说，晶体管分立元件通常采用的偏置电路

2、在集成电路中是不适用的。为了说明这个问题，我们先看一个例子。图5-1是晶体管共射放大电路。Rb1、Rb2是偏置电阻，通过分压固定基极电位；Re是射极反馈电阻，起着直流反馈和保证工作点稳定的作用。图5-1也是晶体管分立元件通常采用的偏置电路，现在来估算一下这种偏置电路中的各个电阻的阻值。图5-1晶体管共射放大电路例如：ic＝13μA，β＝50，UDD＝15V,求Rb1、Rb2的阻值。当ic＝13μA时，ib＝0.26μA，按晶体管电路原理中的i1≥(5~10)ib的选择原则，取i1＝5ib＝1.3μA，再按基极电位ub＝(5~

3、10)ube的选择原则，取ub＝4V，这样Rb1约要3MΩ，Rb2约为7MΩ。这样大的阻值在集成电路中所占有的面积是无法实现的，因此这种偏置电路不适用于集成化的要求。在模拟集成电路中常采用电流源电路作为偏置电路。1.基本型电流源图5-2是基本型电流源电路，它是由两个匹配晶体管V1、V2构成的。设两个晶体管完全对称，前向压降ube1＝ube2，电流放大系数β1＝β2。ir为参考电流，io为电流源输出电流。现在来推导它们之间的关系。(5-1)因为(5-2)所以(5-3)(5-4)图5-2基本型电流源电路当β很大时，电流源输

4、出电流约等于参考电流，因此这种电流源也叫做“镜像电流源”。给定了参考电流ir，输出电流也就恒定了。这种电流源电路简单，但误差大，当β较小时，io与ir匹配较差，且灵活性差，适用于大电流偏置的场合。2.电阻比例型电流源电路图5-3所示是由双极型晶体管构成的电阻比例型电流源电路的原理图。　　通过改变R1与R2的比值，即可改变输出电流io和参考电流ir之比。由图5-3可以写出如下公式：UBE1+ie1R1=UBE2+ie2R2(5-5)UBE2-UBE1=ie1R1-ie2R2(5-6)图5-3电阻比例型电流源其中：ie1为

5、V1的发射极电流，ie2为V2的发射极电流。根据晶体管原理又可以写出如下公式：(5-7)则(5-8)其中：is1和is2分别是V1、V2单位面积的反相漏电流。　　设V1、V2两个管的发射区面积相同，在工艺上实现的单位面积反相漏电流也相同，即is1=is2，则可以得出(5-9)比较式(5-6)和式(5-9)可得(5-10)因为io=ic1≈ie1，在忽略基极电流的情况下，ir≈ic2≈ie2，则有(5-11)当io≈ir或irR2>>时，得出(5-12)可见，输出电流io和参考电流ir之间的关系可由R2

6、和R1的比值来决定，因此灵活性大。该电流源还有温度补偿作用，如当温度升高时，UBE1下降，同时UBE2也下降，抑制了输出电流io上升。3.面积比例型电流源比例电流源除了用图5-3中V1、V2射极加R1、R2电阻来实现外，还可以不加电阻，而通过改变V1、V2两管的发射区面积比来实现，这种方法同样也可以改变输出电流io和参考电流ir的比例关系。设V1、V2两管的β1、β2均大于等于1，在忽略基极电流的情况下，则有io=ic1≈ie1(5-13)ir≈ic2≈ie2(5-14)(5-15)(5-16)(5-17)式中，Ae1

7、、Ae2分别为V1、V2两管的发射区面积，、为V1、V2两管单位面积的反向漏电流。在集成电路版图设计时，常把V1、V2两管靠得很近，加上工艺相同，掺杂浓度相同，因此两个管子单位面积的反相漏电流可以认为相同，即　　　　。另外，由图5-2电路可知，V1、V2两管的正向压降也相同，即UBE1=UBE2。这样由上面几个公式可以得出(5-18)因此在版图设计时，只需根据io和ir比值的要求，设计出相应的发射区面积Ae1和Ae2即可。4.微电流电流源一般而言，ir由主偏置电流提供，其值一般比较大。要想获得较小的输出电流，可采用微电流电流

8、源来实现。　　由图5-4可知：UBE2=UBE1+ie1R1(5-19)则(5-20)图5-4微电流电流源因为(5-21)(5-22)设V1与V2管子完全对称，则有is1=is2，代入式(5-20)，有(5-23)当β≥1时，基极电流可以略而不计,即ir≈ie2，io≈ie1,