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1、第十一章模拟集成电路设计新技术第十一章模拟集成电路设计第十一章模拟集成电路设计新技术新技术11.1 模拟集成电路设计模拟集成电路设计电流模法电流模法11.2电流反馈型集成运算放大器电流反馈型集成运算放大器11.3开关电容网络开关电容网络11.4开关电流开关电流数字工艺的模拟集成技术数字工艺的模拟集成技术11.5跨导运算放大器跨导运算放大器(OTA)及其应用及其应用11.6在系统可编程模拟器件在系统可编程模拟器件(ispPAC)原理及其软件平台举例原理及其软件平台举例第十一章模拟集成电路设计新技术11.1 模拟集成电路设计模拟集成电路设计电流模法电流模法11.1.1 电流模法的特点及原理电流模法
2、的特点及原理传统电路都是以电压作为输入、输出和信息传输的参量，我们称之为“电压模”或“电压型”电路。由于极间电容和分布电容的客观存在，此类电路的工作速度不可能很高，工作电压及功耗也不可能很低。第十一章模拟集成电路设计新技术所谓“电流模”电路是以电流作为输入、输出以及信息传输的主要参数的，电路中除晶体管的结电压uBE有微小变化外，无别的电压参量，因此其工作速度很高(SR2000V/s)，而电源电压很低(可低至3.3V或1.5V)，而且具有动态范围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等优点。电流模技术与互补双极工艺(CB工艺)相结合，已成为当今宽带高速模拟集成电路设计的支柱技术。第十
3、一章模拟集成电路设计新技术1.跨导线性原理跨导线性原理双极型晶体管的电流iC和发射结电压uBE互为因果关系，即(11.1.1)(11.1.2)其跨导gm为(11.1.3)第十一章模拟集成电路设计新技术2.跨导线性环跨导线性环(TL)原理原理有n个正向偏置的发射结uBE构成一个闭合环路(如图11.1.1所示，n为偶数)。其中顺时针(CW)uBE数等于逆时针(CCW)uBE数，即(11.1.4)(11.1.5)(11.1.6)第十一章模拟集成电路设计新技术图11.1.1简化的跨导线性环原理图第十一章模拟集成电路设计新技术因为反向饱和电流ISj等于发射区面积Aj与饱和电流密度JSj的乘积：(11.1
4、.7)(11.1.8)(11.1.99)得到一个最简洁的关系式：第十一章模拟集成电路设计新技术从此，跨导线性环原理可描述为：在一个由偶数个(n)正向偏置结构成的闭合环路中，若顺时针结数等于逆时针结数，则顺时针方向的电流密度之积等于逆时针方向的电流密度之积。式(11.1.8)可改写为(11.1.10)(11.1.11)(11.1.12)第十一章模拟集成电路设计新技术11.1.2 跨导线性环跨导线性环电流模电路举例电流模电路举例 1. 互补跟随输出级互补跟随输出级互补跟随输出级电路如图11.1.2所示。由图可见，V1、V2、V3和V4组成一个跨导线性环。设各管发射区面积相等，即A1=A2=A3=A
5、4,则有可见，静态工作电流等于偏置电流IB。若负载电流iL0,则(11.1.13)(11.1.14)若负载电流iL=0,则第十一章模拟集成电路设计新技术图11.1.2互补跟随输出级第十一章模拟集成电路设计新技术如果负载电流|iL|IB时，则iC1=0(11.1.17a)iC2=iL(11.1.17b)或相反:可见，此时V1、V2管分别工作在乙类状态。2.矢量差电路矢量差电路电路如图11.1.3所示。这里有两个跨导线性环。环1：V1、V2、V4、V5，且有第十一章模拟集成电路设计新技术其中面积比系数为环2：V2、V3，且有(11.1.18)(11.1.19)(11.1.20)(11.1.21)(
6、11.1.22a)得第十一章模拟集成电路设计新技术图11.1.3矢量差电路第十一章模拟集成电路设计新技术而根据环1，有所以，输出电流与输入电流的关系为(11.1.22b)(11.1.23)实现了矢量差的运算。第十一章模拟集成电路设计新技术3. 吉吉尔尔伯伯特特(Gilbert)电电流流增增益益单单元元及及多多级级电电流流放放大大器器电路如图11.1.4所示。其中输入差模电流为(11.1.24)X是一个由输入信号控制的系数。该电路存在一个跨导线性环，由V1、V2、V3、V4组成。现在我们来计算输出差模电流iod。设各管发射区面积相同，=1，根据TL环原理，有第十一章模拟集成电路设计新技术图11.
7、1.4吉尔伯特电流增益单元第十一章模拟集成电路设计新技术(11.1.25)(11.1.26)(11.1.27)(11.1.28a)(11.1.28b)(11.1.29a)(11.1.29b)且得第十一章模拟集成电路设计新技术故输出差模电流iod为那么，电流增益Aid为(11.1.30)(11.1.31)一般Aid可作到110左右。图11.1.5给出吉尔伯特电流增益单元的级联电路。该电路总的电流增益Aid为(11.1.32)而且，两级偏置电压仅差一个UBE。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.1.5吉尔伯特电流增益单元级联第十一章模拟集成电路设计新技术11.2 电流反馈型集成运算放大器电流反馈
8、型集成运算放大器电流反馈型集成运算放大器又称电流模运算放大器(CurrentModeOperationalAmplifier)。该放大器具有高速、宽带特性，压摆率SR10005000V/s，带宽可达100MHz1GHz;而且，在一定条件下，具有与闭环增益无关的近似恒定带宽。由于其优越的宽带特性，在视频处理系统、同轴电缆驱动放大器等领域得到广泛应用。第十一章模拟集成电路设计新技术11.2.1 电流模集成运算放大器的基本特性电流模集成运算放大器的基本特性电流模运算放大器的基本框图如图11.2.1所示。图11.2.1电流模集成运放框图第十一章模拟集成电路设计新技术由图可见，同相输入端经一缓冲级到反相
9、输入端，其中Ri表示缓冲级输出电阻。由此得出，电流模运放与电压模运放不同，其同相输入端是高阻输入，而反相输入端则是低阻输入。缓冲级之后接一互阻增益级，将输入电流变换为输出电压。图中RT表示低频互阻增益(一般可达M数量级)，CT为等效电容(主要是相位补偿电容C1，15pF左右)。输出端又接一个缓冲级，故最后的输出电阻很小。电流模运放可以看成一个流控电压源，其互阻增益Ar(s)的表达式如下：第十一章模拟集成电路设计新技术若用开环差模电压增益表示，则(11.2.1)(11.2.2)第十一章模拟集成电路设计新技术11.2.2电流模运放的典型电路电流模运放的典型电路电流模运算放大器的典型电路如图11.2
10、.2所示。图11.2.2电流模运放的典型电路第十一章模拟集成电路设计新技术图中，V1、V2接成有源负载跟随器，所以同相输入端为高阻。而反相输入端接V3、V4的射极，为低阻。V1V4组成输入缓冲级。而且可以看出，V1V4组成了跨导线性环。CM1和CM2表示两个电流镜，它们将iC3、iC4映射到i1和i2，并在Z点相加。V5、V6组成输出缓冲级。V7、V8组成互补跟随输出级，以保证输出电阻很小，增强带负载能力。第十一章模拟集成电路设计新技术11.2.3电流模运放的闭环特性电流模运放的闭环特性电流模运放的闭环低频增益同电压模运放。如图11.2.3所示，同相输入时的闭环电压增益等于(11.2.3)(1
11、1.2.4)经推导，该电路的高频响应为第十一章模拟集成电路设计新技术图11.2.3电流模运放的闭环特性第十一章模拟集成电路设计新技术通常RT约为几M，Ri约为1060，所以可以满足RTRf,RTRi，故式(11.2.4)可近似为当(Auf0Ri)Rf时,则闭环带宽(11.2.5)(11.2.6)(11.2.7)第十一章模拟集成电路设计新技术该式表明，当低频增益Auf0不太大时，电流模运放的闭环带宽与闭环增益无关，而取决于反馈电阻Rf与补偿电容CT的乘积。这是与电压模运放截然不同的特性。电压模运放增加带宽必然牺牲增益，增益带宽积为常数；而电流模运放的增益带宽积随着增益增大而有所提高，其条件是(A
12、uf0Ri)f信号频率。图11.3.5(a)是一个多功能的二阶RC状态变量滤波器，A1构成有耗积分器，A2组成理想积分器，第三级(A3)组成反相比例放大器(Auf3=1)。用开关电容网络实现的相应电路如图11.3.5(b)所示，利用第一级组成差分有耗积分器，可以省去A3的反相器。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.3.5开关电容滤波器(a)RC状态变量滤波器；(b)相应的开关电容网络实现第十一章模拟集成电路设计新技术11.4开关电流开关电流数字工艺的模拟集成技术数字工艺的模拟集成技术开关电流(SwitchedCurrents)是一种新的模拟采样数据处理技术，也是“电流域”信号处理技术的一个重
13、要内容。在开关电容网络中电容参与运算，而且要求有线性浮地电容，这是非标准工艺，占用硅片面积大，与数字工艺不兼容，用VLSI实现困难。开关电容网络的工作速度受MOS运放和电容电荷转移的限制，一般工作频率仅限于几十kHz音频范围。第十一章模拟集成电路设计新技术比起开关电容网络，开关电流技术具有许多潜在优点，它不需要专门作电容、无浮地电容，完全用标准的数字CMOS工艺实现，工艺简单、工作速度快、动态范围大。下面简要介绍开关电流网络的原理及电路。第十一章模拟集成电路设计新技术11.4.1开关电流镜开关电流镜(Switched Current Mirror)1. 不带开关的电流镜不带开关的电流镜如图11
14、.4.1所示，这是一个不带开关的MOS电流镜。其中A1、Am为各管相对V0管的宽长比，相当于电流加权系数。该电路为高阻输出，可实现加、减、反相、比例(定标)、放大、衰减、存储等功能。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.4.1不带开关的电流镜第十一章模拟集成电路设计新技术我们知道，在MOS管结构参数相同的情况下，场效应管的电流与宽长比W/L成正比，即式中：(11.4.1)(11.4.2)(11.4.3)第十一章模拟集成电路设计新技术故(11.4.4)2. 开关电流镜开关电流镜开关电流镜，又称动态电流镜，如图11.4.2所示。其中，f2为两相时钟驱动。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.4.2
15、开关电流镜第十一章模拟集成电路设计新技术此时Cgs0被充电，其电压为维持iD0所需的Ugs0。而当时，2为高，1为低，Ugs1=Ugs0,iD1=AiD0。实际上这种状态会继续维持到下一个周期，所以当1为高，t=(n1)Tc时：(11.4.5)(11.4.6)(11.4.7)(11.4.8)而故第十一章模拟集成电路设计新技术这就是说，在带开关的电流镜中，下一个时刻的输出电流等于前一个时刻的输入电流乘以加权系数A。所以，人们又称开关电流镜为“电流复制器”或“电流存贮器”或“电流延迟单元”。实际上，输入电流的1开关往往不加，输出电流表达式也是相同的。第十一章模拟集成电路设计新技术11.4.2开关电
16、流积分器举例开关电流积分器举例第一代同相开关电流积分器如图11.4.3所示。由图可见，V1、V2构成开关电流镜，V2、V3构成另一个开关电流镜，V3、V4、V5构成不带开关的电流镜，if为反馈电流。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.4.3同相型开关电流积分器第十一章模拟集成电路设计新技术首先，找出反馈电流if与输出电流的关系式。由于所以(11.4.9)(11.4.10)(11.4.11)(11.4.12)第十一章模拟集成电路设计新技术2为高时:(11.4.13)(11.4.14)1为高时:(11.4.16)(11.4.15)第十一章模拟集成电路设计新技术这是一个差分方程，其相应的Z变换方程
17、为(11.4.17)(11.4.18)(11.4.19)当B=1时:第十一章模拟集成电路设计新技术代入上式，经过化简，得(11.4.20)当工作频率1/Tc时，即工作频率远低于时钟频率时，式中第二项趋于1，第三项相位移趋向零。可见，传输函数H(j)近似为典型的无耗(理想)积分器，即第十一章模拟集成电路设计新技术(11.4.21)若B1，则该电路将成为有耗积分器。同样，我们将电路稍加改变，就可得到反相积分器或前馈积分器等。第十一章模拟集成电路设计新技术11.5跨导运算放大器跨导运算放大器(OTA)及其应用及其应用前面介绍的是电压模运算放大器(VOA)和电流模运算放大器(IOA)，本节简单介绍跨导
18、运算放大器(OperationalTransconductanceAmplifier，OTA)。该类电路是一种输入电压控制输出电流的增益器件，即用互导增益gm来表征其放大能力。OTA通常的符号如图11.5.1所示，其输出电流与输入差模电压的关系式为io=gm(U+U)=gmUid(11.5.1)相当于一个压控电流源。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.1互导增益单元(OTA)的符号第十一章模拟集成电路设计新技术11.5.1典型的单片集成典型的单片集成OTA电路电路1. 双极型双极型OTA电路电路LM3080LM3080跨导运算放大器电路如图11.5.2所示，它由一对差分对管(V1、V2)
19、和四个恒流源(CM1、CM2、CM3、CM4)组成。其中，CM1CM3为威尔逊恒流源，作电流映射之用；而CM4为镜像恒流源，提供差分对管的射极偏流，该电流受外界的控制偏流IB控制。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.2LM3080电路图第十一章模拟集成电路设计新技术由图11.5.2可知，输出电流io等于差分对管V2、V1集电极电流之差，并受输入差模电压Uid控制，即(11.5.2a)(11.5.2b)可见，跨导与偏置电流IB成正比。控制I的大小，就可以控制跨导的大小，从而控制增益的大小。由LM3080组成的典型OTA电压放大器如图11.5.3所示，其电压增益为第十一章模拟集成电路设计新技
20、术图11.5.3OTA电压放大器第十一章模拟集成电路设计新技术(11.5.3(11.5.4)其中：R为外加的偏置电阻，RL为负载电阻。第十一章模拟集成电路设计新技术2. CMOSOTA电路电路CMOSOTA的典型电路如图11.5.4所示，其中K为电流比例系数(即宽长比的比例)。该电路也是由一对差分对管(V1、V2)以及三个电流镜组成。由图可见，该电路的输出电流io为第十一章模拟集成电路设计新技术(11.5.5)(11.5.6)(11.5.7)(11.5.8)上限频率压摆率输出电阻式中：CN为输出节点等效电容；CL为负载电容；gm1为V1(或V2)管的跨导。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.
21、5.4对称CMOSOTA电路第十一章模拟集成电路设计新技术11.5.2OTA组成的连续时间滤波器组成的连续时间滤波器到目前为止，我们已经讨论过RC有源滤波器。这种滤波器高频性能差(一般只能做到100kHz左右)，且不能全集成化。开关电容滤波器和开关电流滤波器是一种采样数据处理系统，存在许多开关，故尖峰干扰较大。而用OTA构成的滤波器是连续时间系统，其高频性能好，可实现片内电子调谐，低电压工作，与数字工艺兼容，故得到广泛应用。跨导运放电路的工作频率范围：CMOS为50MHz；极型为500MHz;GaAs为1GHz左右。下面简单介绍跨导电容滤波器。第十一章模拟集成电路设计新技术1.基本跨导标准部件
22、基本跨导标准部件1）电压放大器电路如图11.5.5所示。图中OTA2的输出全部反馈到输入，构成一个等效电阻R，其值为(11.5.9)(11.5.10)且有第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.5标准单元之一电压放大器第十一章模拟集成电路设计新技术2)相加、相减电路电路如图11.5.6所示。由图可得若gm1=gm2=gm，则若将ui2从OTA2的反相端输入，则可实现相减，即(11.5.11a)(11.5.11b)(11.5.11c)第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.6OTA相加或相减电路第十一章模拟集成电路设计新技术3)OTA积分器OTA积分器电路如图11.5.7所示。图中C为积分电
23、容，OTA2的等效输入阻抗R作为积分电阻。由图可得第十一章模拟集成电路设计新技术(11.5.12)从式(11.5.12)可见，该电路构成有耗积分器或一阶低通滤波器；若不接OTA2电路，则变成无耗(理想)积分器。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.7OTA积分器第十一章模拟集成电路设计新技术2. OTA电路应用举例电路应用举例OTA二阶带通滤波器二阶带通滤波器由三个OTA构成的二阶带通滤波器如图11.5.8所示。其中OTA1和OTA2以及电容C构成一个等效的电感，而OTA3等效为一个电流源和一个电阻。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.8OTA二阶带通滤波器第十一章模拟集成电路设计新
24、技术设点电压为uo，OTA2的输出电流为I2,则(11.5.13)(11.5.14)点向左看的等效阻抗第十一章模拟集成电路设计新技术(11.5.15)(11.5.16)可见，等效电感又可见，OTA3可等效为一个电流源I和一个电导G，即(11.5.17)(11.5.18)那么该电路可等效为图11.5.9的无源网络。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.9三个OTA构成的带通滤波器等效电路第十一章模拟集成电路设计新技术图11.5.9所示电路相当于一个二阶带通滤波器。令C=C，则其传递函数(11.5.19)第十一章模拟集成电路设计新技术可见，该带通滤波器的中心频率f0、3dB带宽BW、Q值及中心
25、频率增益H(f0)分别为(11.5.20)(11.5.22)(11.5.21)(11.5.23)第十一章模拟集成电路设计新技术 11.6在系统可编程模拟器件在系统可编程模拟器件(ispPAC)原理及其软件平台原理及其软件平台11.6.1 在系统可编程模拟电路的结构及原理在系统可编程模拟电路的结构及原理Lattice公司发布的模拟可编程器件有三种：ispPAC10、 ispPAC20、 ispPAC80。 下 面 分 别 介 绍ispPAC10和ispPAC20。第十一章模拟集成电路设计新技术1. ispPAC10的结构和原理的结构和原理ispPAC10的结构如图11.6.1(a)所示。其中包括
26、四个独立的PAC块、配置存贮器、模拟布线池、参考电压和自校正单元以及isp接口等。器件用+5V电源供电。ispPAC10为28脚双联直插封装，管脚排列如图11.6.1(b)所示。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.1ispPAC10内部结构图及管脚封装图(a)内部结构图；(b)管脚封装图第十一章模拟集成电路设计新技术四个基本单元电路称之为PAC块，其简化电路如图11.6.2所示。每一个PAC块由两个差分输入的仪用放大器和一个双端输出的输出放大器组成。输入阻抗高达109，共模抑制比为69dB，增益调节范围为10+10。 输 出 放 大 器 的 反 馈 电 容 Cf有 128种 值(1pF6
27、2pF)，反馈电阻Rf可接入或断开。各放大块或放大块之间可通过模拟布线池实现可编程和级联，以构成110000倍的放大器或复杂的滤波器电路。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.2ispPAC10内部的四个基本放大单元(PAC块)的简化电路第十一章模拟集成电路设计新技术2. ispPAC10基本放大单元基本放大单元(PAC块块)的工作原理的工作原理ispPAC10的PAC块由两个差分输入的仪用放大器和一个输出相加放大器组成，如图11.6.3所示。该PAC输出级兼有滤波/相加功能，所以称之为Fi/Sum(Filtering/Summation)PAC块。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6
28、.3Fi/Sum(滤波/相加)PAC块第十一章模拟集成电路设计新技术两个仪用放大器（IA1、IA2）是具有差分输入/输出(I/O)的跨导运算放大器(OTA)电路，将输入差模电压转换为输出差分电流，其跨导gm在2A/V和20A/V范围内分10级可编程，且极性也是可程控的。ispPAC10PAC块的输出级是一个双端输入双端输出的运算放大器，其中反馈支路中的电容Cf是一个具有128种数值的可编程阵列。而反馈电阻Rf则由另一个OTA(IAF)电路构成。第十一章模拟集成电路设计新技术11.6.2PACDesigner软件及开发实例软件及开发实例PAC-Designer软件支持可编程模拟器件的设计与开发。
29、下面，我们以设计一个二阶状态变量滤波器为例，来简单介绍PAC-Designer软件的应用过程。1. 用两个用两个PAC块构成双二阶滤波器块构成双二阶滤波器电路如图11.6.4所示。该电路从Uo1输出和Uo2输出分别构成二阶带通滤波器和二阶低通滤波器，用两个PAC块构成，第一个PAC块接成有耗积分器，第二个PAC块接成无耗积分器。Uo1输出接到第二个PAC块输入，Uo1输出反馈到第一个PAC块的输入端(IA2)，完成相加功能。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.4用PAC块构成的双二阶滤波器第十一章模拟集成电路设计新技术2. 设计步骤设计步骤1)选择器件在PAC-Designer软件主窗口
30、中按FileNew菜单，将弹出如图11.6.5所示的对话框。图11.6.5产生新文件的对话框第十一章模拟集成电路设计新技术首先选择器件。如选中ispPAC10，则进入图11.6.6所示的图形设计输入环境，清晰地展示出ispPAC10的内部结构。然后，可根据传递函数的要求连线并选择参数。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.6图形设计输入环境及双二次滤波器设计实例第十一章模拟集成电路设计新技术2)根据要求连线只要双击某一节点，就会弹出连线信息对话框。根据自己的需要连线即可。将IN1连到IA1输入端，OA1的输出连到IA3的输入端，OA2的输出又反馈到IA2的输入端，等等，如图11.6.6所示
31、。第十一章模拟集成电路设计新技术3)选择参数例如，分别双击IA1、IA3、IA2，选择增益k11=3,k12=1,k21=1。双击电容Cf1,选Cf1=25.49pF，Cf2=5.92pF。OTA1的反馈电阻Rf连通，而OTA2的反馈电阻断开。可编程增益k可调范围为10+10，步进为1。Cf的可调范围为1.0762pF，分128级可选。第十一章模拟集成电路设计新技术实际上，PAC-Designer软件中含有一个“宏”，专门用于滤波器的设计。只要输入f0、Q等参数，即可自动连线和自动选择参数，从而自动产生所需的二阶滤波器电路。4)模拟(设计仿真)开发软件有一个模拟器，用于模拟放大器或滤波器的幅频
32、特性及相频特性。具体步骤如下：第十一章模拟集成电路设计新技术(1)设置仿真参数。按OperationsSimulator菜单，弹出如图11.6.7所示的对话框。在该对话框中确定仿真频率的起始值和终止值，仿真点数，以及输入、输出节点。该软件可同时仿真四条幅频特性和四条相频特性。在本例中，将仿真Cuve1，其相应的输入节点为Ui1，输出节点为Uo1；对于Cuve2，其相应的输入节点为Ui1，输出节点为Uo2。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.7仿真参数设置对话框第十一章模拟集成电路设计新技术(2)执行仿真操作。完成参数设置后，按ToolsRunSimulator菜单进行仿真。本例的仿真结果如图11.6.8所示。第十一章模拟集成电路设计新技术图11.6.8双二阶滤波器实例的仿真曲线第十一章模拟集成电路设计新技术5)器件编程和下载仿真结果达到设计要求后，最后一步是对PAC器件配置编程。通过编程电缆给器件下载，执行ToolsDownloacl菜单即可。
