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1、第六章 模拟集成电路设计基础,主要内容： 6.1 模拟集成电路的重要性 6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.3 数字/模拟（D/A）转换器 6.4 模拟/数字（A/D）转换器,6.1 模拟集成电路的重要性,自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有“连续”的特性，都属于模拟量； 被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化； 经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；,6.1 模拟集成电路的重要性,在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理
2、方法（低噪声放大、模拟滤波等）； 工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致； 数模混合的片上系统（SOC）的大量出现；,典型的信号处理系统的构成框图,6.1 模拟集成电路的重要性,基本电流镜及比例电流源,V0支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流Ir； V1支路为镜像支路，V1管与V0管的沟道宽长比相同； V2支路为比例电流支路，V2管与V0管得沟道宽长比为A， 即：,工作原理,根据MOS管的电流方程：,由于个MOS管的工艺参数相同，栅源电压也相同。所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：,基本电流镜及比例电流源,特
3、点： 增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。,共源共栅电流源,工作原理,该电路相当于两个镜像电流源的串联。如果保证：,共源共栅电流源,则有： ， 于是： ，可以忽略沟道调制效应。,互补性CMOS放大器中负载管V2由PMOS管构成，UBS2、UGS2=0，故RO2=rds2。由于rds2很大，所以该电路具有很高的电压增益。,为了增大增益又能避免在IC中制造大的电阻，一般在放大电路中采用有源负载。由于NMOS管的各项性能均优于PMOS管，所以放大管多采用NMOS管，负载管则可以使用PMOS管，从而构成互补性CMOS放大器。,有源负载CMOS放大器,电路构成,上面电路中，V1、V2管组成差动放
4、大对管，V3、V4组成镜像电流源作为差动对管的有源负载，V5、V6管组成比例电流源提供偏置电流。,工作特性,静态输出电流ILQ为0; 差模增益Aud:,工作特性,电路构成,该电路由两级放大电路组成。第一级为差动放大器，由V1V4管构成，第二级放大电路由V5、V6管组成，V5（PMOS）管为放大管，V6管为有源负载，输出阻抗很高。V7、V8、V9管时恒流源，为电路提供偏置电流。Cc为密勒相位补偿电容，用以防止电路产生自激。,共源共栅两级运算放大器,互补跟随输出级,低阻输出型运算放大器带负载能力强,数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的作用是将数字量转换成模拟量。
5、,6.3.1 D/A转换器的电路结构,6.3 数/模（D/A）转换器,适合于单片集成电路的基本D/A变换电路，根据其 工作原理可以分为三类： 电流定标电路 电压定标电路 电荷定标电路 电流定标是双极型D/A变换器设计中最常用的，电压和 电荷定标D/A变换器电路特别适用于MOS电路。,N位输入数字量,输出比例因子,精度指标位数分辨率,D/A转换器的位数越高，输出电压分辨率越高，转换误差越小。,速度指标转换速率,建立时间：从数字信号输入D/A转 换器到输出电压稳定所需要的时间。,静态误差,主要有三种：失调误差、增益误差、非线性误差。,倒置R-2R D/A转换器和权电阻D/A转换器的区别 在于整个网
6、络只有R和2R两种阻值的电阻。,工作原理,输出电压： I0视开关S1SN的状态而定，各处电流关系为：,输出的模拟量为：,开关电路,数字字b1bN通过两级 非门构成的分相电路变 成 和 ，然后分别去 控制两个传输门构成的 开关。,开关电路,当 “1”， “0”时，传输门导通，将Si接到虚地点Q； 当 “0”， “1”时，传输门导通，将Si接到地；,开关树D/A转换器形式一,第i个电阻分割点处的电压为:,电路特点,优点：电阻单一，容易保证一致性，而且不论输入码 如何变化，参考电源的负载不变。 缺点：需要2N 个电阻，且开关数量大，因此占芯片面 积大；而且转换器对寄生电容敏感，导致信号 延迟。,电路
7、,等效电路,Ceq是接到Vref的等效电容， 2C是全部电容之和， 那么，2CCeq是接地电容。,开关电路的设计,C,A/D转换器（Analog-to-Digital Converter）的功能是将模拟量转化为数字量，是数字信号处理的第一步。 数字化过程一般有三步： 采样与保持（Sample/Hold） 量化 编码,分辨率表示精度的指标,若A/D转换器的最大输入为UFSR，位数为N，则有：,量化电平：,量化误差：,采样率表示速度的指标 误差指标：失调误差、增益误差、非线性误差,量化信噪比：,分辨率每提高一位，量化信噪必将提高6.02dB,A/D转换器的主要指标,分类,应用,逐次比较型A/D转换
8、器,电路结构,逐次比较型A/D转换器,结构简单、成本低、分辨率和转换速度均较高的结构形式，应用广泛。 一个N位二进制的A/D转换器完成一次转换，仅需要N个时钟周期。,电路特点,工作过程,从最高位起逐次逼近寄存器SAR各个位逐次置“1”，经内部D/A变换位模拟电压后与输入模拟量Ui比较，若大于Ui，改位置“1”，否则为“0”。整个过程重复至最低位比较完成为止。,逐次比较型A/D转换器,此种结构的A/D转换器是目前速度最快的一种，最高采样率可达几十MHz至GHz数量级。,工作原理,先将输入信号Ui放大两倍，然后与参考电压Uref相比较； 若2UiUref，最高位数字输出为“1”，并以2Ui与Uref之差作为次高位的模拟输入电压； 若2UiUref，则最高位输出为“0”，并以2Ui作为次高位的模拟输入电压； 重复上述过程直至所有位比较完毕；,电流模算法A/D转换器电路,电路特点,输入输出量全是电流，具有面积小，电压低， 功耗低，速度快，噪声干扰小，电路简单， 用全CMOS电路实现。,电流比较器,URO,电流误差定义为：,因为,解决办法： ，消除第一项误差，就要求电流源MOS管尺 寸匹配，采用大尺寸MOS管。 UTH和掺杂浓度、氧化层厚度有关，这就要求有严格的 工艺。,
