第 8章 现代模拟集成电路技术第 8章 现代模拟集成电路技术
8—1 模拟集成电路设计 ——电流模法
8—2 电流反馈型集成运算放大器
8—3 开关电流 ——数字工艺的模拟集成技术
8—4 跨导运算放大器 (OTA)及其应用
8—5 在系统可编程模拟器件 (ispPAC)
原理及其软件平台第 8章 现代模拟集成电路技术
8— 1 模拟集成电路设计 —— 电流模法
8—1—1电流模法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 8章 现代模拟集成电路技术所谓,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 (SR＞ 2000V/μs),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 8章 现代模拟集成电路技术一,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
S
C
TBE
U
u
SC
I
i
Uu
eIi T
BE
ln?
(8— 1)
(8— 2)
其跨导 gm为
T
C
T
U
u
S
BE
C
m U
I
U
eI
du
di
g
T
BE
(8— 3)
第 8章 现代模拟集成电路技术二,跨导线性环 (TL)原理有 n个正向偏置的发射结 uBE构成一个闭合环路 (如图 8—1所示,n为偶数 )。 其中顺时针 (CW)uBE数等于逆时针 (CCW)uBE数,即
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
)()(
)ln()ln(
)()(
n
j
CCW
Sj
Cj
n
j
CW
Sj
Cj
CCW
Sj
Cj
n
j
TCW
Sj
C
n
j
T
CCW
n
j
BEjCW
n
j
BEj
I
I
I
I
I
I
U
I
I
U
uu
(8— 4)
(8— 5)
(8— 6)
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
BE 1
＋
－
＋
－u
BE 3
u
BE 4 ＋
－
＋
－
u
BE 2
I
b
I
d
I
a
I
c
图 8—1简化的跨导线性环原理图第 8章 现代模拟集成电路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：
CCW
n
j
CjCW
n
j
Cj
CCW
n
j j
Cj
CW
n
j j
Cj
SjjSj
II
A
I
A
I
JAI
)()(
)()(
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
(8—7)
(8— 8)
(8— 9)
得到一个最简洁的关系式：
第 8章 现代模拟集成电路技术从此,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 (8—8)可改写为
C C W
Cj
CW
Cj
C C W
j
CW
j
Cj
C C W jCW
Cj
CW j
AA
A
A
I
A
I
A
11
(8— 10)
(8— 11)
(8— 12)
引入面积比系数 λ，
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—1—2 跨导线性环 ——电流模电路举例一,互补跟随输出级互补跟随输出级电路如图 8—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=A4,则有
BCC
CCB
Iii
iiI
21
21
2
若负载电流 iL=0,则可见,静态工作电流等于偏置电流 IB。
若负载电流 iL≠0,则
CLCC iii 12
(8—13)
(8— 14)
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
CC
－ U
EE
I
B
I
B
V
3
V
4
TL 环
V
1
V
2
R
L
i
L
i
C1
i
C2
图 8— 2互补跟随输出级第 8章 现代模拟集成电路技术
LBC
LBC
B
L
BLC
B
L
BLC
iIi
iIi
I
i
Iii
I
i
Iii
2
1
2
1
]1)
2
[(
2
1
]1)
2
[(
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
2
如果负载电流 |iL|<<IB，则有
(8— 15a)
(8— 15b)
(8— 16a)
(8— 17b)
或相反,
0,21 CLC iii
第 8章 现代模拟集成电路技术二,矢量差电路电路如图 8—3所示 。 这里有两个跨导线性环 。
环 1,V1,V2,V4,V5,且有
2
)(
)()(
4
22
)()(
2
2312
23
2
2154
xy
C
CxyCxyCyC
C C WCCWC
WC C WCCCWCC
II
i
iIIiIIiIi
ii
ee
ee
Iiiii
其中面积比系数 λ为环 2,V2,V3，且有
(8— 18)
(8— 19)
(8— 20)
(8— 21)
(8— 22a)
第 8章 现代模拟集成电路技术
e
I
x
e
I
y
V
1
V
2
2 e
I
W
＝?
V
4
V
5
V
3
2 e
e
环 2
环 1
图 8—3矢量差电路第 8章 现代模拟集成电路技术
22
22
21
2
231
4
4
2
yxW
yx
CCW
yx
CxCxC
III
II
iiI
II
IIIIi
而根据环 1，有所以,输出电流与输入电流的关系为
(8— 22b)
(8— 23)
第 8章 现代模拟集成电路技术三,吉尔伯特 (Gilbert)电流增益单元及多级电流放大器电路如图 8— 4所示。其中输入差模电流为
XIIXIXi id 2)1()1( (8— 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,λ=1,根据 TL环原理,有第 8章 现代模拟集成电路技术
( 1 － X )( I ＋ I
E
)
( 1 － X ) I
( 1 ＋ X ) I
( 1 ＋ X )( I ＋ I
E
)
V
1
V
2
V
3
V
4
2 I
E
i
1
i
2
图 8—4 吉尔伯特电流增益单元第 8章 现代模拟集成电路技术
))(1(
))(1(
)1(
)1(
2
)1()1(
142
231
1
2
12
12
3124
ECC
ECC
EC
EC
ECC
CC
CCCC
IIXiii
IIXiii
IXi
IXi
Iii
IXiiIX
iiii
(8— 25)
(8— 26)
(8— 27)
(8— 28a)
(8— 28b)
(8— 29a)
(8— 29b)
第 8章 现代模拟集成电路技术故输出差模电流 iod为
I
I
i
i
A
IIXiii
E
id
od
id
Eod
1
)(2
21
那么，电流增益 Aid为
(8— 30)
(8— 31)
一般 Aid可作到 1~10左右 。
图 8—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
I
I
I
I
I
IA Ekn
k
EE
id?
1
21 11
(8— 32)
而且,两级偏置电压仅差一个 UBE。
第 8章 现代模拟集成电路技术
2 I
E n
2 I
E k
2 I
E 1
信号输出
( 1 ＋ X )( 1 ＋ I
E1
＋ I
E2
＋? ＋ I
E n
)
( 1 － X )( 1 ＋ I
E1
＋ I
E2
＋? ＋ I
E n
)
U
b n
U
b 0
( 1 ＋ X ) I ( 1 － X ) I
信号输入图 8—5吉尔伯特电流增益单元级联第 8章 现代模拟集成电路技术
8—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 SR＞ 1000~5000V/μs,带宽可达
100MHz~1GHz;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 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—1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 8— 6所示。
＋ 1
I
i
( s ) R
T
C
T
＋ 1
＋
－
同相输入端反相输入端输出
R
i
图 8—6 电流模集成运放框图第 8章 现代模拟集成电路技术由图可见,同相输入端经一缓冲级到反相输入端,
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 MΩ数量级 ),CT为等效电容 (主要是相位补偿电容 Cφ1，
1~5pF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 A r(s)的表达式如下：
第 8章 现代模拟集成电路技术
)1()(
)(
)(
)(
)(
1)(
)(
)(
TTi
T
ii
o
i
o
u
TT
T
i
o
r
CsRR
R
RsI
sU
sU
sU
sA
CsR
R
sI
sU
sA
若用开环差模电压增益表示,则
(8— 33)
(8— 34)
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—2 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 8—7所示 。
同相输入端 反相输入端
V
1
V
2
V
3
V
4
i
1
i
2
Z
C M 1
C M 2
C
T
V
7
V
6
V
5
u
o
V
8
－ U
EE
U
CC
图 8—7 电流模运放的典型电路第 8章 现代模拟集成电路技术图中,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 。
V1 ~ V4组成输入缓冲级 。 而且可以看出,V1 ~ V4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 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—3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
8—8所示,同相输入时的闭环电压增益等于
TT
T
i
T
if
T
f
T
if
T
f
f
uf
f
uf
CR
R
R
RR
RR
R
R
s
RR
RR
R
R
R
R
sA
R
R
A
)(1
1
)(
1
11
1
1
0
(8—35)
(8—36)
经推导，该电路的高频响应为第 8章 现代模拟集成电路技术 ＋ 1
I
i
( s ) R
T
C
T
＋ 1
＋
－
R
i
R
1
U
i
( s )
R
f
U
o
( s )
图 8—8 电流模运放的闭环特性第 8章 现代模拟集成电路技术通常 RT约为几 MΩ,Ri约为 10~60Ω,所以可以满足
RT >>Rf,RT >>Ri,故式 (8—36)可近似为
Tf
H
Tf
uf
uf
Tiuff
uf
uf
CR
f
CsR
A
sA
CRARs
A
sA
2
1
1
)(
][1
)(
0
0
0
当 (Auf0Ri)<<Rf时,则闭环带宽
(8— 37)
(8— 38)
(8— 39)
第 8章 现代模拟集成电路技术该式表明,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 (Auf0Ri)Rf。
图 8—9给出电流模运放 AD811的典型接法及其闭环频率响应 。
表 8—1给出一些电流模运放的型号和主要参数,供读者参考 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i
( a )
－ 1 5 V
＋ 1 5 V
－
＋
0,1 μ5 1 0
u
o
5 1 0
0,1 μ
1M 1 0 M 1 0 0 M
12
9
6
3
0
－ 3
－ 6
U
S
＝ ± 5V
U
S
＝ ±1 5V
G ＝ ＋ 2
R
L
＝ 1 5 0
R
G
＝ R
FB
( b )
G
A
I
N
/
d
B
Ω
f / H z
图 8—9电流模运放典型接法与闭环频率响应
(a)典型接法； (b)频率响应第 8章 现代模拟集成电路技术表 8-1 若干电流模运放的型号及参数第 8章 现代模拟集成电路技术
8—3 开关电流 ——数字工艺的模拟集成技术
8—3—1 开关电流镜 (SwitchedCurrentMirror)
一,不带开关的电流镜如图 8—10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,存贮等功能第 8章 现代模拟集成电路技术
i
D0
V
0
J
U
DD
V
1
A
1
J A
m
J
i
D m
V
m
i
o
1,
A
1
：
A
m
i
1
i
2
i
3
图 8—10不带开关的电流镜第 8章 现代模拟集成电路技术我们知道,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
i
n
i
D
omDm
m
m
m
D
Dm
iJiiiJi
iJAi
A
L
W
L
W
i
i
1
3210
0
0
0
)(
(8— 40)
(8— 41)
(8— 42)
n
i
imDmmDmmo iAiAJAiJAi
1
0
(8— 43)
第 8章 现代模拟集成电路技术二,开关电流镜开关电流镜,又称动态电流镜,如图 8—11所示 。
其中,φ2为两相时钟驱动 。
i
D0
i
i
φ
1
V
0
J
C
gs
0
φ
2
i
D1
V
1
C
gs
1
AJ
i
o
U
DD
1 A：
T
c
0
0
φ
1
φ
2
图 8—11 开关电流镜第 8章 现代模拟集成电路技术此时 Cgs0被充电,其电压为维持 iD0所需的 Ugs0。
而当 时,φ2为高,φ1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 φ1为高,t=(n-1)Tc时：
JTniTni cicD ])1[(])1[(0 (8— 44)
cTnt )2
1(
])1[()(
])1[()(
)()(
01
1
cico
cDcD
cDco
TnAinTi
TnAinTi
nTiAJnTi
(8— 45)
(8—46)
(8— 47)
第 8章 现代模拟集成电路技术这就是说,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 φ1开关往往不加,输出电流表达式也是相同的 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—3—2 第一代开关电流积分器第一代同相开关电流积分器如图 8—12所示 。 由图可见,V1,V2构成开关电流镜,V′2,V3构成另一个开关电流镜,V′3,V′4,V5构成不带开关的电流镜,if为反馈电流 。
首先,找出反馈电流 if与输出电流的关系式 。 由于第 8章 现代模拟集成电路技术
i
1
V
1
J*
i
i
S
1
φ
2
V
2
i
2
i
f
S
2
φ
1
i
3
V
2
′
V
3
′
V
4
′
V
3
V
4
i
4
J
i
o
U
DD
1,1,B,A,1
V
5
反馈电流图 8—12 同相型开关电流积分器第 8章 现代模拟集成电路技术
])1[()(
])1[(])1[(
])1[(])1[(
12
3
4
33
44
cc
coci
cfcii
of
ff
oo
TninTi
Tni
A
B
TniJ
TniTniJi
i
A
B
i
B
A
i
i
iAJiii
iAJiii
(8— 48)
(8— 49)
(8— 50)
(8— 51)
(8— 52)
(8— 53)
φ2为高时,
第 8章 现代模拟集成电路技术
])1[(])1[()()(
]])1[()1([
])1[()(
14
1
14
TnBiTnAiAJnTinTi
Tni
A
B
TniJA
TnAinTi
occco
coc
cc
(8— 54)
(8— 55)
这是一个差分方程,其相应的 Z变换方程为
1
1
1
1
11
1
)(
1)(
)(
)(
)()()(
Bz
Az
zH
Bz
Az
zI
zI
zH
zzBIzzAIzI
i
o
oio
(8— 56)
(8— 57)
(8— 58)
当 B=1时,
第 8章 现代模拟集成电路技术当工作频率 ω1/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(jω)近似为典型的无耗 (理想 )积分器,即
,cc TjsT eez令 代入上式,经过化简,得
A
TjjH c
1)(? (8— 60)
若 B≠1,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 8章 现代模拟集成电路技术
8—3—3 第二代开关电流积分器第二代开关电流积分器电路如图 8—13所示 。 与图
8—12电路比较,该电路用单管完成了电流的存贮,复制和延迟,避免了由于两管参数不匹配给电流镜带来的误差 。
经推导运算,该电路的传递函数
1
1
1)(?
z
AzzH (8— 61)
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
DD
φ
2
J
i
1
V
2
J
Y
N
φ
2
φ
2
φ
1
φ
1
V
1
AJ
V
3
i
o
1,1,A
图 8— 13 第二代开关电流积分器第 8章 现代模拟集成电路技术可见也是一个同相无耗积分器 。 将电路稍加改变,
也可以得到同相有耗积分器,反相有耗积分器,前馈积分器等 。
有了积分器,相加器和数乘器,就可以根据信号流图法构成各种开关电流滤波器 。 限于篇幅,这里不再展开讨论,请读者参考有关文献 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4 跨导运算放大器 (OTA)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)，本节简单介绍跨导运算放大器
(OperationalTransconductanceAmplifier，简称 OTA电路 )。
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
8— 14所示，其输出电流与输入差模电压的关系式为
idmmo UgUUgi )(
(8— 62)
相当于一个压控电流源 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
＋
＋
－
U
id
U
－
g
m
i
o
i
o
＝ g
m
( U
＋
－ U
－
)
图 8—14互导增益单元 (OTA)的符号第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4—1典型的单片集成 OTA电路一,双极型 OTA电路 ——LM3080
LM3080跨导运算放大器电路如图 8—15所示,它由一对差分对管 (V1,V2)和四个恒流源 (CM1,CM2、
CM3,CM4)组成 。 其中,CM1~CM3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 8章 现代模拟集成电路技术由图 8—15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
idmmCCo UgUUgiii )(12
(8— 63a)
T
B
id
CCC
m U
I
U
i
UU
iig
2
212
其中，跨导
(8— 63b)
可见,跨导与偏置电流 IB成正比 。 控制 IＢ 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 8—16所示,其电压增益为第 8章 现代模拟集成电路技术
I
B
5
2
( － )
I
B
V
1
V
2
i
C1
i
C2
U
－
i
C1
i
C1
i
C2
i
o
U
CC
－ U
EE
U
＋
( ＋ )
3
6
4
7
（ C M 3 ）（ C M 4 ）
（ C M 2 ）（ C M 1 ）
图 8— 15 LM3080电路图第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i
＋
－
g
m
3
2
R
B
I
B
5
R
L
i
o
6
u
o
图 8— 16 OTA电压放大器第 8章 现代模拟集成电路技术
T
BEEEE
T
B
m
Lm
i
Lo
i
o
u
U
RUU
U
I
g
Rg
U
Ri
U
U
A
2
/)(
2
(8— 64)
(8— 65)
其中：
RＢ 为外加的偏置电阻,RL为负载电阻 。
第 8章 现代模拟集成电路技术二,CMOSOTA电路
CMOSOTA的典型电路如图 8—17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
LN
B
R
LNo
H
dsdso
idmmo
CC
KI
S
CCR
f
rrR
UgUUgi
)(2
1
)(
86
(8— 66)
(8— 67)
(8— 68)
(8— 69)
输出电阻上限频率压摆率第 8章 现代模拟集成电路技术
i
o
U
DD
－ U
SS
V
8
V
7
I
B
1,1
u
N
u
P
V
1
V
2
V
3
V
4
V
5
V
6
K,1
1,K
C M 2C M 1
C M 3
图 8-17 对称 CMOS OTA电路第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4—2 OTA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；双极型为 500MHz;GaAs为 1GHz左右 。
下面简单介绍跨导 — 电容滤波器 。
第 8章 现代模拟集成电路技术一,基本跨导标准部件
1.电压放大器电路如图 8—18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
)(
1
12
2
1
1
22
ii
m
m
ooo
mmo
oo
uu
g
g
RIuu
ggu
u
I
u
R
(8— 70)
(8— 71)
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i2
u
o
u
i1
O T A 1
I
o1
I
u
o
R
O T A 2
′
＋
－
g
m1
＋
－
g
m2
图 8—18 标准单元之一 ——电压放大器第 8章 现代模拟集成电路技术
2,相加,相减电路电路如图 8—19所示 。 由图可得
O TA 2
u
i1
＋
－
g
m1
O TA 1
I
o1
u
i2
＋
－
g
m2
I
o2
u
o
R ＝ 1/ g
m3
O TA 3
u
o
′
＋
－
g
m3
图 8—19 OTA相加或相减电路第 8章 现代模拟集成电路技术
)(
)(
)(
1
)(
21
3
21
3
2211
3
0301
ii
m
m
o
ii
m
m
o
imim
m
oo
uu
g
g
u
uu
g
g
u
ugug
g
IIRuu
若 gm1=gm2=gm,则若将 ui2从 OTA2的反相端输入,则可实现相减,即
(8— 72a)
(8— 72b)
(8— 72c)
第 8章 现代模拟集成电路技术
3,OTA积分器
OTA积分器电路如图 8—20所示 。 图中 C为积分电容,
OTA2的等效输入阻抗 R作为积分电阻 。
u
i
＋
－
g
m1
u
o
O T A 1
I
o1
u
o
R ＝ 1/ g
m2
O T A 2
′
C
＋
－
g
m2
图 8— 20 OTA积分器第 8章 现代模拟集成电路技术
i
m
m
m
m
m
im
ooo
imiimo
u
g
sC
g
g
sCg
sCg
ug
sC
RIuu
uguugI
2
2
1
2
2
1
1
2111
1
1
1
11
11
)
1
(
)(
(8— 73)
由图可得第 8章 现代模拟集成电路技术二,OTA电路应用举例 ——OTA二阶带通滤波器由三个 OTA构成的二阶带通滤波器如图 8—21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 。
设 Σ点电压为 u′o,OTA2的输出电流为 I2,则
r
mm
o
ommmm
sL
gg
C
s
I
u
Z
ug
Cs
g
Cs
IgUgI
212
1212222
)(
11
(8— 74)
(8— 75)
Σ点向左看的等效阻抗第 8章 现代模拟集成电路技术图 8—21 OTA二阶带通滤波器
＋
－
g
m1
＋
－
g
m2
C′
O T A 1
O T A 2
I
1
I
2
∑
u
o
′
＋
－
g
m3
I
3
C
u
o
u
i
R
O T A 3
－ g
m 1
u
o
′
第 8章 现代模拟集成电路技术
omimoim
mm
r
uguguugI
gg
C
L
3333
21
)(
(8— 76)
(8— 77)
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
3
3
m
im
gG
ugI
那么该电路可等效为图 8—22的 LCR 无源网络 。 图
8— 22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
(8— 78)
(8— 79)
第 8章 现代模拟集成电路技术
I G
L
r
C u
o
I
3
G ＝
1
R
＝ g
m3
L
r
＝
C
g
m1
g
m2
I ＝ g
m3
u
i
＋
－
′
′
′
图 8—22三个 OTA构成的带通滤波器等效电路第 8章 现代模拟集成电路技术
2
1232
3
3
1
1
)(
)(
)(
C
gg
C
g
s
C
sg
G
sL
sC
g
sU
sU
sH
mmm
m
r
m
i
o
(8— 80)
可见,该带通滤波器的中心频率 f0,-3dB带宽 BW、
Q值及中心频率增益 H(f0)分别为第 8章 现代模拟集成电路技术
1)(
2
1
2
1
3
21
3
3
2
21
o
m
mm
m
dB
mm
o
fH
g
gg
Q
C
g
BW
C
gg
f
(8— 81)
(8— 83)
(8— 82)
(8— 84)
第 8章 现代模拟集成电路技术
8— 5 在系统可编程模拟器件 (ispPAC)
原理及其软件平台
8—5—1 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 8章 现代模拟集成电路技术一,ispPAC10的结构和原理
ispPAC10的结构如图 8—23(a)所示 。 其中包括四个独立的 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 8— 23(b)
所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
P A C 块配 置 存 贮 器
( a )
P A C 块模 拟 布 线 池参 考 电 压 自 校 正
P A C 块 P A C 块
1O U T 2 ＋
O U T 2 －
I N 2 ＋
I N 2 －
T D 1
T R S T
T D O
T C K
T M S
I N 4 ＋
I N 4 －
O U T 4 ＋
O U T 4 －
V S ( 5 V )
O U T 1 ＋
O U T 1 －
I N 1 ＋
I N 1 －
T E S T ( t i e t o G N D )
T E S T ( t i e t o G N D )
V R E F o u t
G N D ( 0 V )
C A L
C M V i n
I N 3 ＋
I N 3 －
O U T 3 ＋
O U T 3 －
i
s
p
P
A
C
1
0
( b )
图 8—23ispPAC10
(a)内部结构图； (b)管脚封装图第 8章 现代模拟集成电路技术四个基本单元电路称之为 PAC块,其简化电路如图 8—24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 109Ω,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 (1pF~62pF),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 1~10000倍的放大器或复杂的滤波器电路 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
O U T 2
1
1
I A 2
1
1
I A 3
I A 4
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
O A 1
O A 2
1,0 7 p
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1
I A 5
I A 6
I A 7
I A 8
P A C B l o c k 3
P A C B l o c k 4
O U T 3
I N 3
I N 4
O U T 4
I A 1
1
O A 3
O A 4
1,0 7 p
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1
1
图 8—24 ispPAC10内部的四个基本放大单元 (PAC块 )的简化电路第 8章 现代模拟集成电路技术二,ispPAC10基本放大单元 (PAC块 )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 8--25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 8章 现代模拟集成电路技术
U
o ＋
U
o—
U
i ＋
U
i －
U
i
U
o
C
f
I A F
g
m3
C
f
I A 1
g
m1
g
m2
I A 2
U
i ＋
U
i －
U
i
图 8— 25 Fi/Sum(滤波 /相加 )PAC块第 8章 现代模拟集成电路技术两个仪用放大器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,如图 8— 26所示 。 图中
imM
imp
UgI
UgI
(8— 85)
(8— 86)
其中,跨导 gm在 2μA/V和 20μA/V范围内分 10级可编程,且极性也是可程控的 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
i ＋
U
i －
U
i
g
m
I
M
I
P
＋ －
＋－
图 8— 26 差分 I/O的 OTA电路第 8章 现代模拟集成电路技术
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 (参考 8—4—2节 )。 ispPAC10PAC块的输出级如图 8— 27所示 。
根据基尔霍夫电流定理,有
0 aa II (8— 87)
首先只计算一个差分输入级的输出电流，得
fomomifomomi sCUUgUgUsCUUgUgU )()( 3131
第 8章 现代模拟集成电路技术
I A F
A
C
f
C
f
a
a′
U
o1
U
o2
U
o
－ g
m1
U
i
g
m1
U
i
g
m3
( U
o ＋
)
( U
o －
)
图 8— 27 ispPAC10 PAC块的输出级第 8章 现代模拟集成电路技术运放输入端为虚短路,即 U-=U+,且有
Uo=Uo+-Uo-,所以
f
m
m
f
H
m
m
H
m
f
m
m
f
m
m
i
o
C
g
g
C
f
g
g
H
j
H
jH
g
sC
g
g
sC
g
g
sU
sU
sH
3
3
3
1
3
3
1
3
1
2
1
2
1
)0(
1
)0(
)(
2
1
1
2
)(
)(
)(
(8— 88)
(8— 89)
(8— 90)
第 8章 现代模拟集成电路技术可见,是一个有耗积分器 (一阶低通滤波器 )电路 。
实际上,有两个跨导输入级,所以总的输出电压 Uo应为
22 3
2211
3
2211
f
m
imim
f
m
imim
o C
sg
UgKUgK
C
sg
UgUgU
总
(8— 91)
第 8章 现代模拟集成电路技术式中,OTAIA1 的跨导 gm1=K1gm=K1·2μA/V ；
OTAIA2的跨导 gm2=K2 · gm= K2 ·2μA/V； K1,K2均为可编程,其范围为 ± 1~± 10,步进为 1。 电路中等效电阻 Rf
的跨导放大器 OTAIAF的跨导 gm3 是一个固定值,且
gm3=2μA/V。 所以,PAC块的单边低频增益
10~1)0( 1
3
1
2
1 K
g
gK
g
gH
m
m
m
m
(8— 92)
若令 OTAIAF的 gm3=0,则相当于等效电阻 Rf断开 。
电路则由一阶低通 (有耗积分器 )变成无耗积分器 (即理想积分器 ),其传递函数为
12
1
)(
m
f
g
C
s
sH?
(8— 93)
第 8章 现代模拟集成电路技术三,ispPAC20的结构及原理
ispPAC20的结构如图 8—28(a)所示 。 它由两个基本单元 PAC块,两个比较器,一个八位 D/A转换器,配置存贮器,参考电压,自动校正单元,模拟布线池及 isp
接口所组成 。 该器件为 44脚封装,如图 8— 28(b)所示第 8章 现代模拟集成电路技术
( a )
P A C 块 比 较 器模 拟 布 线 池参 考 电 压
P A C 块 比 较 器
D A C
自 校 正 配 置 存 贮 器图 8—28ispPAC20
(a)内部结构； (b)引脚图第 8章 现代模拟集成电路技术
1
( b )
6 5 4 3 2 1 44 43 42 41 40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
2827262524232221201918
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
M
S
EL
E
N
S
P
I
T
ES
T
V
R
E
F
O
U
T
GND C
A
L
C
M
V
i
n
D
A
C
O
U
T
＋
D
A
C
O
U
T
－
VS
i s p P A C 2 0
C
P
2
O
U
T
C
P
1
O
U
T
W
I
N
D
O
W
VS
D
M
O
D
E
T
D
O
CSPC
T
C
K
T
M
S
T
D
I
I N 1 － I
N
3
－
I N 1 ＋
I N 3 ＋
O U T 1 －
O U T 1 ＋
G N D
O U T 2 ＋
O U T 2 －
I N 2 －
I N 2 ＋
VS
D 7 ( M S B )
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D 0 ( L S B )
C P I N ＋
C P I N －
G N D
4 4 - Pi n PL C C
图 8—28ispPAC20
(a)内部结构； (b)引脚图第 8章 现代模拟集成电路技术
ispPAC20的内部电原理图如图 8—29所示 。 现在将
ispPAC20与 ispPAC10的不同点加以说明 。
1.输入控制如图 8—29所示,当外部引脚 MSEL=0时,输入 IN1
被接至 IA1的 a端；反之,MSEL=1时,输入 IN1被接至
IA1的 b端 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
2,极性控制在 ispPAC20中,前置互导放大器 IA1,IA2,IA3的增益为 -10~-1；而 IA4的增益极性可控,当外部引脚
PC=1时,增益调整范围为 -10~-1,而当 PC=0时,增益调整范围变为 +10~+1。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
I N 3
O U T 2
3V
1,5 V
PC ＝ 0
P o l a r i t y C o n t r o l,P C p i n
－ 1
1
I A 3
I A 4
I A 1
I A 2
1
1
a
b
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
S R E ＝ on
O A 2
2,5 V
1,0 7 p
O A 1
1,0 7 p
M S E L ＝ A
C P 1
H y s t ＝ on
C P 2
C o d e,a c n
0,0 0 0 0 V
E 2 C e l s / P a r a l l e l I n p u t s
U E S B i t s ＝ 0 0 0 0 0 0 0
3V
1,5 V
D A C O U T
C P 2 O U T
O l g i t a l o u t p u t s ＝ e n a b l e d
X O R
D i r e c t
W I N D O W
C P 1 O U T
C P I N
2,5 V
图 8— 29 ispPAC20内部电路第 8章 现代模拟集成电路技术
3.比较器 CP1和 CP2
在 ispPAC20中,有两个可编程双差分比较器 CP1和
CP2。 该电压比较器和普通的电压比较器没有太大的差别,只是它们的输入是可编程的 。 即可来自于外部输入,
也可以是基本单元电路 PAC块的输出,也可以是固定的参考电压 1.5V或 3V,还可以来自 DAC的输出等等 。 当输入的比较信号变化缓慢或混有较大噪声和干扰时,也可以施加正反馈而改接成迟滞比较器 。
比较器 CP1和 CP2可直接输出,也可以经异或门
(XOR)输出 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
4.八位 D/A转换器这是一个八位,电压输出的 DAC。 接口方式可自由选择：八位并行方式；串行 JTAG寻址方式；串行
SPI寻址方式等 。 DAC输出是差分的,可以与器件内部的比较器相连或和仪用放大器输入端连接,也可以直接输出 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—5—2 PAC—Designer软件及开发实例
Lattice公司创建了 PAC—Designer软件来支持可编程模拟器件的设计与开发。在安装好该软件之后，在
Windows95中，按 Start Programs
LatticeSemiconductor PAC—Designer菜单，进入 PAC—
Designer软件集成开发环境 (主窗口 )。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。
第 8章 现代模拟集成电路技术一,用两个 PAC块构成双二阶滤波器电路如图 8—30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 8章 现代模拟集成电路技术
U
i1
I A 1
I A 2
k
11
k
21
2,5 V
O A 1
R
f1
C
f1
U
o1
I A 3
I A 4
k
12
k
22
C
f2
U
o2
O A 2
2,5 V
图 8—30 用 PAC块构成的双二阶滤波器第 8章 现代模拟集成电路技术
))((
))((
)(
))((
)(
21
2112
1
2
21
1211
1
2
21
2112
1
2
1
11
1
1
ffffff
ffff
i
o
LP
ffffff
ff
i
o
BP
RCRC
kk
RC
s
s
RCRC
kk
U
U
sH
RCRC
kk
RC
s
s
RC
sk
U
U
sH
(8— 94)
(8— 95)
式中,k11,k12,k21分别为 IA1,IA3,IA2的可编程增益 。
第 8章 现代模拟集成电路技术二,设计步骤
1,选择器件在 PAC—Designer软件主窗口中按 File=>New菜单,
将弹出如图 8—31所示的对话框 。
图 8— 31 产生新文件的对话框第 8章 现代模拟集成电路技术首先选择器件 。 如选中 ispPAC10,则进入图 8—32
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 。
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 。
根据你的需要连线即可 。 如图 8—30,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 8—32所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
O U T 2
O U T 3
I N 3
I N 4
O U T 4
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
I A 1
I A 2
－ 3
1
－ 1
I A 3
I A 4
1
O A 2
2,5 V
5,9 2 p
2,5 V
2 5,4 9 p
O A 1 O A 3
O A 4
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1,0 7 p
P A C B l o c k 3
P A C B l o c k 4
1
1
1
1
I A 5
I A 6
I A 7
I A 8
图 8— 32 图形设计输入环境及双二次滤波器设计实例第 8章 现代模拟集成电路技术
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,以 1步进 。
Cf的可调范围为 1.07~62pF,分 128级可选 。
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,从而自动产生你所需的二阶滤波器电路 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
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特性及相频特性 。 具体步骤如下：
1) 设置仿真参数按 Operations=>Simulator菜单,弹出如图 8—33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 。 在我们的例子中,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 8章 现代模拟集成电路技术图 8— 33 仿真参数设置对话框第 8章 现代模拟集成电路技术
2) 执行仿真操作完成参数设置后,按 Tools=>RunSimulator菜单进行仿真 。 本例的仿真结果如图 8— 34所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
G a i n P l o t ( d B )
1 9,0
0
－ 20
－ 40
－ 60
－ 8 5,1
6,3 2 1 0 0 1k 1 0 k 1 0 0 k 1M 1 5,0 M
V o 2 / V i 1
V o 2 / V i 1
－ 30
－ 60
－ 90
－ 1 2 0
－ 1 5 0
－ 1 8 5,8
5,3
P h a s e P l o t [ D e g ]
6,3 2 1 0 0 1k 1 0 k 1 0 0 k 1M
1 5,0 M
图 8—34 双二阶滤波器实例的仿真曲线第 8章 现代模拟集成电路技术
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Ｔ ools
Downloacl菜单即可 。
6,PAC—Designer软件的几个重要的功能至此,PAC—Designer软件的重要操作流程已经介绍完毕 。 为了进一步熟练运用该软件,这里介绍一下该软件的其它几个重要的功能 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
Tools=>RunMacro菜单该菜单具有根据用户定义的参数值自动生成满足条件的双二阶,巴特沃斯 (Butterworth),切比雪夫
(Chebyshev)等类型的滤波器 。 启动该菜单会产生如图
8—35所示的对话框 。
第 8章 现代模拟集成电路技术图 8—35 RunMacro对话框第 8章 现代模拟集成电路技术对话框中有三种 Macro可运行：
ispPAC10-Biquad.exe——产生适用于 ispPAC10的双二阶滤波器；
ispPAC10-Ladder.exe——产生适用于 ispPAC10的巴特沃斯 (Butterworth),切比雪夫 (Chebyshev)等类型的滤波器；
ispPAC20-Biquad.exe—— 产生适用于 ispPAC20的双二阶滤波器。
第 8章 现代模拟集成电路技术
File=>BrowseLibrary
安装完 PAC—Designer软件后,会在存放该软件目录的 \libarary子目录下生成一系列,pac的设计源文件作为库文件 。 用户可在设计中按 File BrowseLibarary菜单调用这些文件,并在此基础上改进从而方便地完成自己的设计 。 用户也可将自己已有的设计文件 (*.pac)
放入该目录下作为新的库文件,以备以后的设计调用 。
Edit=>Security
该菜单可以用来选择设计下载至 ispPAC器件后能否允许被读出，起加密保护作用。
8—1 模拟集成电路设计 ——电流模法
8—2 电流反馈型集成运算放大器
8—3 开关电流 ——数字工艺的模拟集成技术
8—4 跨导运算放大器 (OTA)及其应用
8—5 在系统可编程模拟器件 (ispPAC)
原理及其软件平台第 8章 现代模拟集成电路技术
8— 1 模拟集成电路设计 —— 电流模法
8—1—1电流模法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 8章 现代模拟集成电路技术所谓,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 (SR＞ 2000V/μs),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 8章 现代模拟集成电路技术一,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
S
C
TBE
U
u
SC
I
i
Uu
eIi T
BE
ln?
(8— 1)
(8— 2)
其跨导 gm为
T
C
T
U
u
S
BE
C
m U
I
U
eI
du
di
g
T
BE
(8— 3)
第 8章 现代模拟集成电路技术二,跨导线性环 (TL)原理有 n个正向偏置的发射结 uBE构成一个闭合环路 (如图 8—1所示,n为偶数 )。 其中顺时针 (CW)uBE数等于逆时针 (CCW)uBE数,即
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
)()(
)ln()ln(
)()(
n
j
CCW
Sj
Cj
n
j
CW
Sj
Cj
CCW
Sj
Cj
n
j
TCW
Sj
C
n
j
T
CCW
n
j
BEjCW
n
j
BEj
I
I
I
I
I
I
U
I
I
U
uu
(8— 4)
(8— 5)
(8— 6)
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
BE 1
＋
－
＋
－u
BE 3
u
BE 4 ＋
－
＋
－
u
BE 2
I
b
I
d
I
a
I
c
图 8—1简化的跨导线性环原理图第 8章 现代模拟集成电路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：
CCW
n
j
CjCW
n
j
Cj
CCW
n
j j
Cj
CW
n
j j
Cj
SjjSj
II
A
I
A
I
JAI
)()(
)()(
2/
1
2/
1
2/
1
2/
1
(8—7)
(8— 8)
(8— 9)
得到一个最简洁的关系式：
第 8章 现代模拟集成电路技术从此,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 (8—8)可改写为
C C W
Cj
CW
Cj
C C W
j
CW
j
Cj
C C W jCW
Cj
CW j
AA
A
A
I
A
I
A
11
(8— 10)
(8— 11)
(8— 12)
引入面积比系数 λ，
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—1—2 跨导线性环 ——电流模电路举例一,互补跟随输出级互补跟随输出级电路如图 8—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=A4,则有
BCC
CCB
Iii
iiI
21
21
2
若负载电流 iL=0,则可见,静态工作电流等于偏置电流 IB。
若负载电流 iL≠0,则
CLCC iii 12
(8—13)
(8— 14)
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
CC
－ U
EE
I
B
I
B
V
3
V
4
TL 环
V
1
V
2
R
L
i
L
i
C1
i
C2
图 8— 2互补跟随输出级第 8章 现代模拟集成电路技术
LBC
LBC
B
L
BLC
B
L
BLC
iIi
iIi
I
i
Iii
I
i
Iii
2
1
2
1
]1)
2
[(
2
1
]1)
2
[(
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
2
如果负载电流 |iL|<<IB，则有
(8— 15a)
(8— 15b)
(8— 16a)
(8— 17b)
或相反,
0,21 CLC iii
第 8章 现代模拟集成电路技术二,矢量差电路电路如图 8—3所示 。 这里有两个跨导线性环 。
环 1,V1,V2,V4,V5,且有
2
)(
)()(
4
22
)()(
2
2312
23
2
2154
xy
C
CxyCxyCyC
C C WCCWC
WC C WCCCWCC
II
i
iIIiIIiIi
ii
ee
ee
Iiiii
其中面积比系数 λ为环 2,V2,V3，且有
(8— 18)
(8— 19)
(8— 20)
(8— 21)
(8— 22a)
第 8章 现代模拟集成电路技术
e
I
x
e
I
y
V
1
V
2
2 e
I
W
＝?
V
4
V
5
V
3
2 e
e
环 2
环 1
图 8—3矢量差电路第 8章 现代模拟集成电路技术
22
22
21
2
231
4
4
2
yxW
yx
CCW
yx
CxCxC
III
II
iiI
II
IIIIi
而根据环 1，有所以,输出电流与输入电流的关系为
(8— 22b)
(8— 23)
第 8章 现代模拟集成电路技术三,吉尔伯特 (Gilbert)电流增益单元及多级电流放大器电路如图 8— 4所示。其中输入差模电流为
XIIXIXi id 2)1()1( (8— 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,λ=1,根据 TL环原理,有第 8章 现代模拟集成电路技术
( 1 － X )( I ＋ I
E
)
( 1 － X ) I
( 1 ＋ X ) I
( 1 ＋ X )( I ＋ I
E
)
V
1
V
2
V
3
V
4
2 I
E
i
1
i
2
图 8—4 吉尔伯特电流增益单元第 8章 现代模拟集成电路技术
))(1(
))(1(
)1(
)1(
2
)1()1(
142
231
1
2
12
12
3124
ECC
ECC
EC
EC
ECC
CC
CCCC
IIXiii
IIXiii
IXi
IXi
Iii
IXiiIX
iiii
(8— 25)
(8— 26)
(8— 27)
(8— 28a)
(8— 28b)
(8— 29a)
(8— 29b)
第 8章 现代模拟集成电路技术故输出差模电流 iod为
I
I
i
i
A
IIXiii
E
id
od
id
Eod
1
)(2
21
那么，电流增益 Aid为
(8— 30)
(8— 31)
一般 Aid可作到 1~10左右 。
图 8—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
I
I
I
I
I
IA Ekn
k
EE
id?
1
21 11
(8— 32)
而且,两级偏置电压仅差一个 UBE。
第 8章 现代模拟集成电路技术
2 I
E n
2 I
E k
2 I
E 1
信号输出
( 1 ＋ X )( 1 ＋ I
E1
＋ I
E2
＋? ＋ I
E n
)
( 1 － X )( 1 ＋ I
E1
＋ I
E2
＋? ＋ I
E n
)
U
b n
U
b 0
( 1 ＋ X ) I ( 1 － X ) I
信号输入图 8—5吉尔伯特电流增益单元级联第 8章 现代模拟集成电路技术
8—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 SR＞ 1000~5000V/μs,带宽可达
100MHz~1GHz;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 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—1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 8— 6所示。
＋ 1
I
i
( s ) R
T
C
T
＋ 1
＋
－
同相输入端反相输入端输出
R
i
图 8—6 电流模集成运放框图第 8章 现代模拟集成电路技术由图可见,同相输入端经一缓冲级到反相输入端,
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 MΩ数量级 ),CT为等效电容 (主要是相位补偿电容 Cφ1，
1~5pF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 A r(s)的表达式如下：
第 8章 现代模拟集成电路技术
)1()(
)(
)(
)(
)(
1)(
)(
)(
TTi
T
ii
o
i
o
u
TT
T
i
o
r
CsRR
R
RsI
sU
sU
sU
sA
CsR
R
sI
sU
sA
若用开环差模电压增益表示,则
(8— 33)
(8— 34)
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—2 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 8—7所示 。
同相输入端 反相输入端
V
1
V
2
V
3
V
4
i
1
i
2
Z
C M 1
C M 2
C
T
V
7
V
6
V
5
u
o
V
8
－ U
EE
U
CC
图 8—7 电流模运放的典型电路第 8章 现代模拟集成电路技术图中,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 。
V1 ~ V4组成输入缓冲级 。 而且可以看出,V1 ~ V4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 8章 现代模拟集成电路技术
8—2—3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
8—8所示,同相输入时的闭环电压增益等于
TT
T
i
T
if
T
f
T
if
T
f
f
uf
f
uf
CR
R
R
RR
RR
R
R
s
RR
RR
R
R
R
R
sA
R
R
A
)(1
1
)(
1
11
1
1
0
(8—35)
(8—36)
经推导，该电路的高频响应为第 8章 现代模拟集成电路技术 ＋ 1
I
i
( s ) R
T
C
T
＋ 1
＋
－
R
i
R
1
U
i
( s )
R
f
U
o
( s )
图 8—8 电流模运放的闭环特性第 8章 现代模拟集成电路技术通常 RT约为几 MΩ,Ri约为 10~60Ω,所以可以满足
RT >>Rf,RT >>Ri,故式 (8—36)可近似为
Tf
H
Tf
uf
uf
Tiuff
uf
uf
CR
f
CsR
A
sA
CRARs
A
sA
2
1
1
)(
][1
)(
0
0
0
当 (Auf0Ri)<<Rf时,则闭环带宽
(8— 37)
(8— 38)
(8— 39)
第 8章 现代模拟集成电路技术该式表明,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 (Auf0Ri)Rf。
图 8—9给出电流模运放 AD811的典型接法及其闭环频率响应 。
表 8—1给出一些电流模运放的型号和主要参数,供读者参考 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i
( a )
－ 1 5 V
＋ 1 5 V
－
＋
0,1 μ5 1 0
u
o
5 1 0
0,1 μ
1M 1 0 M 1 0 0 M
12
9
6
3
0
－ 3
－ 6
U
S
＝ ± 5V
U
S
＝ ±1 5V
G ＝ ＋ 2
R
L
＝ 1 5 0
R
G
＝ R
FB
( b )
G
A
I
N
/
d
B
Ω
f / H z
图 8—9电流模运放典型接法与闭环频率响应
(a)典型接法； (b)频率响应第 8章 现代模拟集成电路技术表 8-1 若干电流模运放的型号及参数第 8章 现代模拟集成电路技术
8—3 开关电流 ——数字工艺的模拟集成技术
8—3—1 开关电流镜 (SwitchedCurrentMirror)
一,不带开关的电流镜如图 8—10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,存贮等功能第 8章 现代模拟集成电路技术
i
D0
V
0
J
U
DD
V
1
A
1
J A
m
J
i
D m
V
m
i
o
1,
A
1
：
A
m
i
1
i
2
i
3
图 8—10不带开关的电流镜第 8章 现代模拟集成电路技术我们知道,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
i
n
i
D
omDm
m
m
m
D
Dm
iJiiiJi
iJAi
A
L
W
L
W
i
i
1
3210
0
0
0
)(
(8— 40)
(8— 41)
(8— 42)
n
i
imDmmDmmo iAiAJAiJAi
1
0
(8— 43)
第 8章 现代模拟集成电路技术二,开关电流镜开关电流镜,又称动态电流镜,如图 8—11所示 。
其中,φ2为两相时钟驱动 。
i
D0
i
i
φ
1
V
0
J
C
gs
0
φ
2
i
D1
V
1
C
gs
1
AJ
i
o
U
DD
1 A：
T
c
0
0
φ
1
φ
2
图 8—11 开关电流镜第 8章 现代模拟集成电路技术此时 Cgs0被充电,其电压为维持 iD0所需的 Ugs0。
而当 时,φ2为高,φ1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 φ1为高,t=(n-1)Tc时：
JTniTni cicD ])1[(])1[(0 (8— 44)
cTnt )2
1(
])1[()(
])1[()(
)()(
01
1
cico
cDcD
cDco
TnAinTi
TnAinTi
nTiAJnTi
(8— 45)
(8—46)
(8— 47)
第 8章 现代模拟集成电路技术这就是说,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 φ1开关往往不加,输出电流表达式也是相同的 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—3—2 第一代开关电流积分器第一代同相开关电流积分器如图 8—12所示 。 由图可见,V1,V2构成开关电流镜,V′2,V3构成另一个开关电流镜,V′3,V′4,V5构成不带开关的电流镜,if为反馈电流 。
首先,找出反馈电流 if与输出电流的关系式 。 由于第 8章 现代模拟集成电路技术
i
1
V
1
J*
i
i
S
1
φ
2
V
2
i
2
i
f
S
2
φ
1
i
3
V
2
′
V
3
′
V
4
′
V
3
V
4
i
4
J
i
o
U
DD
1,1,B,A,1
V
5
反馈电流图 8—12 同相型开关电流积分器第 8章 现代模拟集成电路技术
])1[()(
])1[(])1[(
])1[(])1[(
12
3
4
33
44
cc
coci
cfcii
of
ff
oo
TninTi
Tni
A
B
TniJ
TniTniJi
i
A
B
i
B
A
i
i
iAJiii
iAJiii
(8— 48)
(8— 49)
(8— 50)
(8— 51)
(8— 52)
(8— 53)
φ2为高时,
第 8章 现代模拟集成电路技术
])1[(])1[()()(
]])1[()1([
])1[()(
14
1
14
TnBiTnAiAJnTinTi
Tni
A
B
TniJA
TnAinTi
occco
coc
cc
(8— 54)
(8— 55)
这是一个差分方程,其相应的 Z变换方程为
1
1
1
1
11
1
)(
1)(
)(
)(
)()()(
Bz
Az
zH
Bz
Az
zI
zI
zH
zzBIzzAIzI
i
o
oio
(8— 56)
(8— 57)
(8— 58)
当 B=1时,
第 8章 现代模拟集成电路技术当工作频率 ω1/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(jω)近似为典型的无耗 (理想 )积分器,即
,cc TjsT eez令 代入上式,经过化简,得
A
TjjH c
1)(? (8— 60)
若 B≠1,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 8章 现代模拟集成电路技术
8—3—3 第二代开关电流积分器第二代开关电流积分器电路如图 8—13所示 。 与图
8—12电路比较,该电路用单管完成了电流的存贮,复制和延迟,避免了由于两管参数不匹配给电流镜带来的误差 。
经推导运算,该电路的传递函数
1
1
1)(?
z
AzzH (8— 61)
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
DD
φ
2
J
i
1
V
2
J
Y
N
φ
2
φ
2
φ
1
φ
1
V
1
AJ
V
3
i
o
1,1,A
图 8— 13 第二代开关电流积分器第 8章 现代模拟集成电路技术可见也是一个同相无耗积分器 。 将电路稍加改变,
也可以得到同相有耗积分器,反相有耗积分器,前馈积分器等 。
有了积分器,相加器和数乘器,就可以根据信号流图法构成各种开关电流滤波器 。 限于篇幅,这里不再展开讨论,请读者参考有关文献 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4 跨导运算放大器 (OTA)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)，本节简单介绍跨导运算放大器
(OperationalTransconductanceAmplifier，简称 OTA电路 )。
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
8— 14所示，其输出电流与输入差模电压的关系式为
idmmo UgUUgi )(
(8— 62)
相当于一个压控电流源 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
＋
＋
－
U
id
U
－
g
m
i
o
i
o
＝ g
m
( U
＋
－ U
－
)
图 8—14互导增益单元 (OTA)的符号第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4—1典型的单片集成 OTA电路一,双极型 OTA电路 ——LM3080
LM3080跨导运算放大器电路如图 8—15所示,它由一对差分对管 (V1,V2)和四个恒流源 (CM1,CM2、
CM3,CM4)组成 。 其中,CM1~CM3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 8章 现代模拟集成电路技术由图 8—15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
idmmCCo UgUUgiii )(12
(8— 63a)
T
B
id
CCC
m U
I
U
i
UU
iig
2
212
其中，跨导
(8— 63b)
可见,跨导与偏置电流 IB成正比 。 控制 IＢ 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 8—16所示,其电压增益为第 8章 现代模拟集成电路技术
I
B
5
2
( － )
I
B
V
1
V
2
i
C1
i
C2
U
－
i
C1
i
C1
i
C2
i
o
U
CC
－ U
EE
U
＋
( ＋ )
3
6
4
7
（ C M 3 ）（ C M 4 ）
（ C M 2 ）（ C M 1 ）
图 8— 15 LM3080电路图第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i
＋
－
g
m
3
2
R
B
I
B
5
R
L
i
o
6
u
o
图 8— 16 OTA电压放大器第 8章 现代模拟集成电路技术
T
BEEEE
T
B
m
Lm
i
Lo
i
o
u
U
RUU
U
I
g
Rg
U
Ri
U
U
A
2
/)(
2
(8— 64)
(8— 65)
其中：
RＢ 为外加的偏置电阻,RL为负载电阻 。
第 8章 现代模拟集成电路技术二,CMOSOTA电路
CMOSOTA的典型电路如图 8—17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
LN
B
R
LNo
H
dsdso
idmmo
CC
KI
S
CCR
f
rrR
UgUUgi
)(2
1
)(
86
(8— 66)
(8— 67)
(8— 68)
(8— 69)
输出电阻上限频率压摆率第 8章 现代模拟集成电路技术
i
o
U
DD
－ U
SS
V
8
V
7
I
B
1,1
u
N
u
P
V
1
V
2
V
3
V
4
V
5
V
6
K,1
1,K
C M 2C M 1
C M 3
图 8-17 对称 CMOS OTA电路第 8章 现代模拟集成电路技术
8—4—2 OTA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；双极型为 500MHz;GaAs为 1GHz左右 。
下面简单介绍跨导 — 电容滤波器 。
第 8章 现代模拟集成电路技术一,基本跨导标准部件
1.电压放大器电路如图 8—18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
)(
1
12
2
1
1
22
ii
m
m
ooo
mmo
oo
uu
g
g
RIuu
ggu
u
I
u
R
(8— 70)
(8— 71)
第 8章 现代模拟集成电路技术
u
i2
u
o
u
i1
O T A 1
I
o1
I
u
o
R
O T A 2
′
＋
－
g
m1
＋
－
g
m2
图 8—18 标准单元之一 ——电压放大器第 8章 现代模拟集成电路技术
2,相加,相减电路电路如图 8—19所示 。 由图可得
O TA 2
u
i1
＋
－
g
m1
O TA 1
I
o1
u
i2
＋
－
g
m2
I
o2
u
o
R ＝ 1/ g
m3
O TA 3
u
o
′
＋
－
g
m3
图 8—19 OTA相加或相减电路第 8章 现代模拟集成电路技术
)(
)(
)(
1
)(
21
3
21
3
2211
3
0301
ii
m
m
o
ii
m
m
o
imim
m
oo
uu
g
g
u
uu
g
g
u
ugug
g
IIRuu
若 gm1=gm2=gm,则若将 ui2从 OTA2的反相端输入,则可实现相减,即
(8— 72a)
(8— 72b)
(8— 72c)
第 8章 现代模拟集成电路技术
3,OTA积分器
OTA积分器电路如图 8—20所示 。 图中 C为积分电容,
OTA2的等效输入阻抗 R作为积分电阻 。
u
i
＋
－
g
m1
u
o
O T A 1
I
o1
u
o
R ＝ 1/ g
m2
O T A 2
′
C
＋
－
g
m2
图 8— 20 OTA积分器第 8章 现代模拟集成电路技术
i
m
m
m
m
m
im
ooo
imiimo
u
g
sC
g
g
sCg
sCg
ug
sC
RIuu
uguugI
2
2
1
2
2
1
1
2111
1
1
1
11
11
)
1
(
)(
(8— 73)
由图可得第 8章 现代模拟集成电路技术二,OTA电路应用举例 ——OTA二阶带通滤波器由三个 OTA构成的二阶带通滤波器如图 8—21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 。
设 Σ点电压为 u′o,OTA2的输出电流为 I2,则
r
mm
o
ommmm
sL
gg
C
s
I
u
Z
ug
Cs
g
Cs
IgUgI
212
1212222
)(
11
(8— 74)
(8— 75)
Σ点向左看的等效阻抗第 8章 现代模拟集成电路技术图 8—21 OTA二阶带通滤波器
＋
－
g
m1
＋
－
g
m2
C′
O T A 1
O T A 2
I
1
I
2
∑
u
o
′
＋
－
g
m3
I
3
C
u
o
u
i
R
O T A 3
－ g
m 1
u
o
′
第 8章 现代模拟集成电路技术
omimoim
mm
r
uguguugI
gg
C
L
3333
21
)(
(8— 76)
(8— 77)
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
3
3
m
im
gG
ugI
那么该电路可等效为图 8—22的 LCR 无源网络 。 图
8— 22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
(8— 78)
(8— 79)
第 8章 现代模拟集成电路技术
I G
L
r
C u
o
I
3
G ＝
1
R
＝ g
m3
L
r
＝
C
g
m1
g
m2
I ＝ g
m3
u
i
＋
－
′
′
′
图 8—22三个 OTA构成的带通滤波器等效电路第 8章 现代模拟集成电路技术
2
1232
3
3
1
1
)(
)(
)(
C
gg
C
g
s
C
sg
G
sL
sC
g
sU
sU
sH
mmm
m
r
m
i
o
(8— 80)
可见,该带通滤波器的中心频率 f0,-3dB带宽 BW、
Q值及中心频率增益 H(f0)分别为第 8章 现代模拟集成电路技术
1)(
2
1
2
1
3
21
3
3
2
21
o
m
mm
m
dB
mm
o
fH
g
gg
Q
C
g
BW
C
gg
f
(8— 81)
(8— 83)
(8— 82)
(8— 84)
第 8章 现代模拟集成电路技术
8— 5 在系统可编程模拟器件 (ispPAC)
原理及其软件平台
8—5—1 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 8章 现代模拟集成电路技术一,ispPAC10的结构和原理
ispPAC10的结构如图 8—23(a)所示 。 其中包括四个独立的 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 8— 23(b)
所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
P A C 块配 置 存 贮 器
( a )
P A C 块模 拟 布 线 池参 考 电 压 自 校 正
P A C 块 P A C 块
1O U T 2 ＋
O U T 2 －
I N 2 ＋
I N 2 －
T D 1
T R S T
T D O
T C K
T M S
I N 4 ＋
I N 4 －
O U T 4 ＋
O U T 4 －
V S ( 5 V )
O U T 1 ＋
O U T 1 －
I N 1 ＋
I N 1 －
T E S T ( t i e t o G N D )
T E S T ( t i e t o G N D )
V R E F o u t
G N D ( 0 V )
C A L
C M V i n
I N 3 ＋
I N 3 －
O U T 3 ＋
O U T 3 －
i
s
p
P
A
C
1
0
( b )
图 8—23ispPAC10
(a)内部结构图； (b)管脚封装图第 8章 现代模拟集成电路技术四个基本单元电路称之为 PAC块,其简化电路如图 8—24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 109Ω,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 (1pF~62pF),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 1~10000倍的放大器或复杂的滤波器电路 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
O U T 2
1
1
I A 2
1
1
I A 3
I A 4
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
O A 1
O A 2
1,0 7 p
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1
I A 5
I A 6
I A 7
I A 8
P A C B l o c k 3
P A C B l o c k 4
O U T 3
I N 3
I N 4
O U T 4
I A 1
1
O A 3
O A 4
1,0 7 p
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1
1
图 8—24 ispPAC10内部的四个基本放大单元 (PAC块 )的简化电路第 8章 现代模拟集成电路技术二,ispPAC10基本放大单元 (PAC块 )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 8--25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 8章 现代模拟集成电路技术
U
o ＋
U
o—
U
i ＋
U
i －
U
i
U
o
C
f
I A F
g
m3
C
f
I A 1
g
m1
g
m2
I A 2
U
i ＋
U
i －
U
i
图 8— 25 Fi/Sum(滤波 /相加 )PAC块第 8章 现代模拟集成电路技术两个仪用放大器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,如图 8— 26所示 。 图中
imM
imp
UgI
UgI
(8— 85)
(8— 86)
其中,跨导 gm在 2μA/V和 20μA/V范围内分 10级可编程,且极性也是可程控的 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
U
i ＋
U
i －
U
i
g
m
I
M
I
P
＋ －
＋－
图 8— 26 差分 I/O的 OTA电路第 8章 现代模拟集成电路技术
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 (参考 8—4—2节 )。 ispPAC10PAC块的输出级如图 8— 27所示 。
根据基尔霍夫电流定理,有
0 aa II (8— 87)
首先只计算一个差分输入级的输出电流，得
fomomifomomi sCUUgUgUsCUUgUgU )()( 3131
第 8章 现代模拟集成电路技术
I A F
A
C
f
C
f
a
a′
U
o1
U
o2
U
o
－ g
m1
U
i
g
m1
U
i
g
m3
( U
o ＋
)
( U
o －
)
图 8— 27 ispPAC10 PAC块的输出级第 8章 现代模拟集成电路技术运放输入端为虚短路,即 U-=U+,且有
Uo=Uo+-Uo-,所以
f
m
m
f
H
m
m
H
m
f
m
m
f
m
m
i
o
C
g
g
C
f
g
g
H
j
H
jH
g
sC
g
g
sC
g
g
sU
sU
sH
3
3
3
1
3
3
1
3
1
2
1
2
1
)0(
1
)0(
)(
2
1
1
2
)(
)(
)(
(8— 88)
(8— 89)
(8— 90)
第 8章 现代模拟集成电路技术可见,是一个有耗积分器 (一阶低通滤波器 )电路 。
实际上,有两个跨导输入级,所以总的输出电压 Uo应为
22 3
2211
3
2211
f
m
imim
f
m
imim
o C
sg
UgKUgK
C
sg
UgUgU
总
(8— 91)
第 8章 现代模拟集成电路技术式中,OTAIA1 的跨导 gm1=K1gm=K1·2μA/V ；
OTAIA2的跨导 gm2=K2 · gm= K2 ·2μA/V； K1,K2均为可编程,其范围为 ± 1~± 10,步进为 1。 电路中等效电阻 Rf
的跨导放大器 OTAIAF的跨导 gm3 是一个固定值,且
gm3=2μA/V。 所以,PAC块的单边低频增益
10~1)0( 1
3
1
2
1 K
g
gK
g
gH
m
m
m
m
(8— 92)
若令 OTAIAF的 gm3=0,则相当于等效电阻 Rf断开 。
电路则由一阶低通 (有耗积分器 )变成无耗积分器 (即理想积分器 ),其传递函数为
12
1
)(
m
f
g
C
s
sH?
(8— 93)
第 8章 现代模拟集成电路技术三,ispPAC20的结构及原理
ispPAC20的结构如图 8—28(a)所示 。 它由两个基本单元 PAC块,两个比较器,一个八位 D/A转换器,配置存贮器,参考电压,自动校正单元,模拟布线池及 isp
接口所组成 。 该器件为 44脚封装,如图 8— 28(b)所示第 8章 现代模拟集成电路技术
( a )
P A C 块 比 较 器模 拟 布 线 池参 考 电 压
P A C 块 比 较 器
D A C
自 校 正 配 置 存 贮 器图 8—28ispPAC20
(a)内部结构； (b)引脚图第 8章 现代模拟集成电路技术
1
( b )
6 5 4 3 2 1 44 43 42 41 40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
2827262524232221201918
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
M
S
EL
E
N
S
P
I
T
ES
T
V
R
E
F
O
U
T
GND C
A
L
C
M
V
i
n
D
A
C
O
U
T
＋
D
A
C
O
U
T
－
VS
i s p P A C 2 0
C
P
2
O
U
T
C
P
1
O
U
T
W
I
N
D
O
W
VS
D
M
O
D
E
T
D
O
CSPC
T
C
K
T
M
S
T
D
I
I N 1 － I
N
3
－
I N 1 ＋
I N 3 ＋
O U T 1 －
O U T 1 ＋
G N D
O U T 2 ＋
O U T 2 －
I N 2 －
I N 2 ＋
VS
D 7 ( M S B )
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D 0 ( L S B )
C P I N ＋
C P I N －
G N D
4 4 - Pi n PL C C
图 8—28ispPAC20
(a)内部结构； (b)引脚图第 8章 现代模拟集成电路技术
ispPAC20的内部电原理图如图 8—29所示 。 现在将
ispPAC20与 ispPAC10的不同点加以说明 。
1.输入控制如图 8—29所示,当外部引脚 MSEL=0时,输入 IN1
被接至 IA1的 a端；反之,MSEL=1时,输入 IN1被接至
IA1的 b端 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
2,极性控制在 ispPAC20中,前置互导放大器 IA1,IA2,IA3的增益为 -10~-1；而 IA4的增益极性可控,当外部引脚
PC=1时,增益调整范围为 -10~-1,而当 PC=0时,增益调整范围变为 +10~+1。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
I N 3
O U T 2
3V
1,5 V
PC ＝ 0
P o l a r i t y C o n t r o l,P C p i n
－ 1
1
I A 3
I A 4
I A 1
I A 2
1
1
a
b
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
S R E ＝ on
O A 2
2,5 V
1,0 7 p
O A 1
1,0 7 p
M S E L ＝ A
C P 1
H y s t ＝ on
C P 2
C o d e,a c n
0,0 0 0 0 V
E 2 C e l s / P a r a l l e l I n p u t s
U E S B i t s ＝ 0 0 0 0 0 0 0
3V
1,5 V
D A C O U T
C P 2 O U T
O l g i t a l o u t p u t s ＝ e n a b l e d
X O R
D i r e c t
W I N D O W
C P 1 O U T
C P I N
2,5 V
图 8— 29 ispPAC20内部电路第 8章 现代模拟集成电路技术
3.比较器 CP1和 CP2
在 ispPAC20中,有两个可编程双差分比较器 CP1和
CP2。 该电压比较器和普通的电压比较器没有太大的差别,只是它们的输入是可编程的 。 即可来自于外部输入,
也可以是基本单元电路 PAC块的输出,也可以是固定的参考电压 1.5V或 3V,还可以来自 DAC的输出等等 。 当输入的比较信号变化缓慢或混有较大噪声和干扰时,也可以施加正反馈而改接成迟滞比较器 。
比较器 CP1和 CP2可直接输出,也可以经异或门
(XOR)输出 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
4.八位 D/A转换器这是一个八位,电压输出的 DAC。 接口方式可自由选择：八位并行方式；串行 JTAG寻址方式；串行
SPI寻址方式等 。 DAC输出是差分的,可以与器件内部的比较器相连或和仪用放大器输入端连接,也可以直接输出 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
8—5—2 PAC—Designer软件及开发实例
Lattice公司创建了 PAC—Designer软件来支持可编程模拟器件的设计与开发。在安装好该软件之后，在
Windows95中，按 Start Programs
LatticeSemiconductor PAC—Designer菜单，进入 PAC—
Designer软件集成开发环境 (主窗口 )。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。
第 8章 现代模拟集成电路技术一,用两个 PAC块构成双二阶滤波器电路如图 8—30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 8章 现代模拟集成电路技术
U
i1
I A 1
I A 2
k
11
k
21
2,5 V
O A 1
R
f1
C
f1
U
o1
I A 3
I A 4
k
12
k
22
C
f2
U
o2
O A 2
2,5 V
图 8—30 用 PAC块构成的双二阶滤波器第 8章 现代模拟集成电路技术
))((
))((
)(
))((
)(
21
2112
1
2
21
1211
1
2
21
2112
1
2
1
11
1
1
ffffff
ffff
i
o
LP
ffffff
ff
i
o
BP
RCRC
kk
RC
s
s
RCRC
kk
U
U
sH
RCRC
kk
RC
s
s
RC
sk
U
U
sH
(8— 94)
(8— 95)
式中,k11,k12,k21分别为 IA1,IA3,IA2的可编程增益 。
第 8章 现代模拟集成电路技术二,设计步骤
1,选择器件在 PAC—Designer软件主窗口中按 File=>New菜单,
将弹出如图 8—31所示的对话框 。
图 8— 31 产生新文件的对话框第 8章 现代模拟集成电路技术首先选择器件 。 如选中 ispPAC10,则进入图 8—32
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 。
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 。
根据你的需要连线即可 。 如图 8—30,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 8—32所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
O U T 1
I N 1
I N 2
O U T 2
O U T 3
I N 3
I N 4
O U T 4
P A C B l o c k 1
P A C B l o c k 2
I A 1
I A 2
－ 3
1
－ 1
I A 3
I A 4
1
O A 2
2,5 V
5,9 2 p
2,5 V
2 5,4 9 p
O A 1 O A 3
O A 4
1,0 7 p
2,5 V
2,5 V
1,0 7 p
P A C B l o c k 3
P A C B l o c k 4
1
1
1
1
I A 5
I A 6
I A 7
I A 8
图 8— 32 图形设计输入环境及双二次滤波器设计实例第 8章 现代模拟集成电路技术
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,以 1步进 。
Cf的可调范围为 1.07~62pF,分 128级可选 。
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,从而自动产生你所需的二阶滤波器电路 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
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特性及相频特性 。 具体步骤如下：
1) 设置仿真参数按 Operations=>Simulator菜单,弹出如图 8—33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 。 在我们的例子中,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 8章 现代模拟集成电路技术图 8— 33 仿真参数设置对话框第 8章 现代模拟集成电路技术
2) 执行仿真操作完成参数设置后,按 Tools=>RunSimulator菜单进行仿真 。 本例的仿真结果如图 8— 34所示 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
G a i n P l o t ( d B )
1 9,0
0
－ 20
－ 40
－ 60
－ 8 5,1
6,3 2 1 0 0 1k 1 0 k 1 0 0 k 1M 1 5,0 M
V o 2 / V i 1
V o 2 / V i 1
－ 30
－ 60
－ 90
－ 1 2 0
－ 1 5 0
－ 1 8 5,8
5,3
P h a s e P l o t [ D e g ]
6,3 2 1 0 0 1k 1 0 k 1 0 0 k 1M
1 5,0 M
图 8—34 双二阶滤波器实例的仿真曲线第 8章 现代模拟集成电路技术
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Ｔ ools
Downloacl菜单即可 。
6,PAC—Designer软件的几个重要的功能至此,PAC—Designer软件的重要操作流程已经介绍完毕 。 为了进一步熟练运用该软件,这里介绍一下该软件的其它几个重要的功能 。
第 8章 现代模拟集成电路技术
Tools=>RunMacro菜单该菜单具有根据用户定义的参数值自动生成满足条件的双二阶,巴特沃斯 (Butterworth),切比雪夫
(Chebyshev)等类型的滤波器 。 启动该菜单会产生如图
8—35所示的对话框 。
第 8章 现代模拟集成电路技术图 8—35 RunMacro对话框第 8章 现代模拟集成电路技术对话框中有三种 Macro可运行：
ispPAC10-Biquad.exe——产生适用于 ispPAC10的双二阶滤波器；
ispPAC10-Ladder.exe——产生适用于 ispPAC10的巴特沃斯 (Butterworth),切比雪夫 (Chebyshev)等类型的滤波器；
ispPAC20-Biquad.exe—— 产生适用于 ispPAC20的双二阶滤波器。
第 8章 现代模拟集成电路技术
File=>BrowseLibrary
安装完 PAC—Designer软件后,会在存放该软件目录的 \libarary子目录下生成一系列,pac的设计源文件作为库文件 。 用户可在设计中按 File BrowseLibarary菜单调用这些文件,并在此基础上改进从而方便地完成自己的设计 。 用户也可将自己已有的设计文件 (*.pac)
放入该目录下作为新的库文件,以备以后的设计调用 。
Edit=>Security
该菜单可以用来选择设计下载至 ispPAC器件后能否允许被读出，起加密保护作用。
