第五章 模拟电路设计总结

材料与能源学院微电子材料与工程系
Fundamentals of IC Analysis and Design (7)
5.2 设计流程 与数字电路相比，模拟电路的难点： 模电设计涉及到速度、功耗、增益、精度、工作频率和宽度

等诸多因素。 模电信号处理过程中，在要求速度和精度的同时，对噪声、 串扰和其他干扰信号比数电敏感 器件的二阶效应对模电的影响比对数电的影响严重 高性能模电的设计很少能够自动完成，通常每一个器件都需 要“手工设计”；而数电通常用自动综合和自动布局布线的 方法来完成。 对设计者的知识和经验要求更高。
M2
M1管的栅源相接，则VGS= VDS, 有
VGS-VT1< VDS 器件M1一定工作在饱和区！ 如果给M2提供合适的偏置电压，使其也工作在饱和区则有
1 εox1µ W 2 ⋅ ⋅ (Vgs1 − Vt1 ) (1 + λVds1 ) 2 tox1 L 1 2 1 ε ox 2 µ W I ds= V V ⋅ ⋅ − 2 ( gs 2 t 2 ) (1 + λVds 2 ) 2 tox 2 L 2 I ds1 =
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模拟集成电路的种类
线性模拟集成电路：输出信号随输入信号的变化成线性 关系（即成比例的关系）的集成电路，如各种运算放大 器，直流、高频、低频放大器、集成稳压电源（因其主 要晶体管工作于线性工作态）等。 非线性模拟集成电路：限幅放大器、对数放大器、乘法 器、信号变换电路、电压比较器等。 功率线性模拟集成电路：输出功率大于1W的线性模拟 集成电路。 微波及毫米波线性模拟集成电路：工作频率在300MHz ~30GHz及30GHz~300GHz范围内。 A/D及D/A转换电路。
否
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5.3 电路设计与仿真 - 电流源电路设计
电流源电路不仅可用作各种放大电路的恒流偏置，而且可用
它取代电阻作为放大器的负载，是集成运放中应用广泛单元 电路之一。 对电流源的基本要求是：足够大的动态内阻，对温度的敏感 度极低，能抵抗电源电压或其他外因的变化。
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模拟集成电路的设计流程图
参数指标,如放大倍数，增益，功耗等 性能指标要求明细表 选掺合适的电路结构 手工计算电路器件参数 电路图编辑和修改 电路仿真 否 满足指标要求？ 是 版图设计和验证 满足设计要求？ 是 流片和封装测试 既能达到性能要求，又避免复杂 估算电路中所有器件的初始参考数值 根据电路结构，完成电路图 对电路进行各种性能的仿真 与设计要求对比，重复上述步骤进行优化 工艺规则下对电路进行版图设计并与电路验证 对比电路与版图是否可以实现相同的功能
模拟集成电路与数字集成电路区别
模拟集成电路主要用于处理连续信号，即模拟信号。数 字集成电路常用二进制数量化连续变化的模拟信号。 模拟集成电路要求电路的每一组成单元必须是精确的， 其性能与版图设计的相关性比数字集成电路要强得多。 模拟集成电路的版图设计从平面布局到各器件几何图形 的设计都要十分 “讲究”，需要考虑的问题往往比数字 集成电路要多。 一个数字集成电路如果在电路级而不是在逻辑级考虑和 优化性能，将与模拟集成电路有许多共同点。对高速数 字集成电路设计尤其如此。
M1 VSS Ir Io
1 εox1µ W 2 I r = I ds1 = ⋅ ⋅ (Vgs1 − Vt1 ) (1 + λVds1 ) 2 tox1 L 1
M2
假定两个管子材料相同，且阀值电压一样，则
I 0 (W / L) 2 (1 + λVds 2 ) = I r (W / L)1 (1 + λVds1 )
只要选择好两个管的栅级宽长比，就可实现输出电流I0与输入
电流Ir按比例输出。 当忽略了沟道调制效应时，参考电流Ir和输出电流I0的关系为
I 0 (W / L) 2 = I r (WLeabharlann Baidu/ L)1
比例电流镜
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MOS电流源
（1）NMOS基本电流镜 NMOS基本电流镜由两个NMOS 晶体管组成，如右图所示。 考虑沟道长度调制效应的晶体管 饱和区电流方程：
I ds =
Ir Io
M1 VSS
1 εoxµ W 2 ⋅ ⋅ (Vgs − Vt ) (1 + λVds ) 2 tox L
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MOS电流源
I 0 = I ds 2 1 εox 2 µ W 2 ⋅ ⋅ (Vgs 2 − Vt 2 ) (1 + λVds 2 ) = 2 tox 2 L 2
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第五章
模拟集成电路晶体管级设计
引言 设计流程 电路设计与仿真 版图设计 设计举例
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5
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如果有多个输出支路(如下图所示)，则各支路的电流的比值
就等于各NMOS晶体管的宽长比的比值：
W W W W W Ir : I 01 : I 02 : I 03 : …… : I 0 n = : : : : …… : L r L 1 L 2 L 3 L n