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东南大学 射频与光电集成电路研究所

第 15 章 模拟与模数混合集成电路

15.1 放大器 15.2 振荡器(Oscillator)

15.3 数模转换器 DAC 15.4 模数转换器ADC

22

东南大学 射频与光电集成电路研究所模拟集成电路与模数混合集成电路

模拟集成电路和模数混合集成电路设计是当今微电子学的重点和难点 .

模拟电路的种类很多 . 常用的可集成实现的模拟电路包括 :

小信号放大器 , 功率放大器 , 运算放大器调制解调器 , 混频器 , 振荡器 , 有源滤波器 , A/D-D/A转换器等 .

33

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15.1.1 小信号放大器 简单反相放大器 可变增益放大器

V i

V o

V r

V d d

V i V o

V d d

15.1 放大器

图 15.1

44

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全差动放大器 差动输入单端输出放大器

V i

V o

V d d

V i

V r2

V d d

V r1

V i

V o

V d d

V i

V d d

V r1

图 15.1

55

东南大学 射频与光电集成电路研究所

• 小信号放大器的特点

66

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电感负载放大器 与 电容源级耦合放大器

VDD

Vin+

Vin-

Out+

Out-

L1 L2

VDD

Vin+

Vin-

Out+

Out-

C1

补充

77

东南大学 射频与光电集成电路研究所输入缓冲 ( 补充 )

• 放大输入的 PCML 信号幅度，调节直流电平，提 供输入匹配

Vn

PCML

SCFL

5 0

VDD=3.3V

5 0

88

东南大学 射频与光电集成电路研究所输出缓冲 ( 补充 )

SCFL

PCML

1 0 0 1 0 0 5 0 5 0

Vn

SCFL

Vp

用限幅放大器提供差分 PCML 输出信号

99

东南大学 射频与光电集成电路研究所15.1.2 限幅放大器

图 15.3 BJT 差分放大器 差分输出特性曲线

图 15.2

1100

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限幅放大器的工作原理

限幅公式的推导：

T

IDEECC V

vthIii 21

1111

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图 15.5 MOS 差分放大器差模特性曲线

图 15.4

1122

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2

21 4

11

thGSQ

ID

thGSQ

IDSSDD VV

v

VV

vIii

1133

东南大学 射频与光电集成电路研究所级连限幅放大器

input

VI

50Å·Ä·

IB A1 A2 A3

Chip

VDD

OB VQ

R11 R12

R21 R22

C1 C2

1144

东南大学 射频与光电集成电路研究所级连限幅放大器

1155

东南大学 射频与光电集成电路研究所15.1.3 运算放大器

CMOS运放在 VLSI内部实现时 , 主要特性与通用的单独运放相比 , 只能达到中等水平 . 例如 , 其典型的电压增益为 1000-20000.

图 15.9 运算放大器电路

1166

东南大学 射频与光电集成电路研究所15. 2 振荡器

图 15. 10 (a) LC 振荡器 (b) 张弛振荡器 , (c) 环形振荡器

1177

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图 15.11 环形振荡器的延迟单元 : (a) 有源负载差动放大 , (b) CMOS 反相放大 , (c) 源级电容耦合放大

1188

东南大学 射频与光电集成电路研究所15. 2 振荡器

图 15.13 RC 网络型环形压控振荡器原理电路

1199

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图 15.14 矢量叠加型环行

VCO

2200

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PLL 输出频谱 相位噪声 -81dBc/Hz@1M

2211

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15.3 数模转换器（ DAC）

15.3.1 原理N位数字量 : D=b12-1+b22-2+ ….

+bN2-N

b1:最高有效位 (MSB)系数

bN:最低有效位 (LSB)系数对应模拟量 : A=KVref D

分辨率 : A = KVref 2-N

2222

东南大学 射频与光电集成电路研究所15.3.2 方框图

图 15.15 D/A变换器方框图

2233

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15.3.3 电路举例

例一：串联电阻分压D/A变换器

图 15.16 串联电阻分压D/A 变换器电路图

2244

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表 15.1

2255

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图 15.17 并联电容分压 D/A 变换器电路

图

2266

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特点 : 并联电容分压网络代替串联电阻网络数字非量通过 PMOS接 Vdd(=KVref), 或

通过 NMOS接 0V(地 )

输出电压 Vout=Vdd Ceq/C

C = C + C/2 + C/4 + C/4 =2C

(C = C + C2-1 + C2-2 … + C21-N + C2-N)

Ceq为接到 Vdd的等值电容

并联电容分压 D/A变换器

2277

东南大学 射频与光电集成电路研究所15.4 模数转换器（ ADC）

模拟量 VA 用 N位数字量 D近似

VA=DVFS=(b12-1+b22-2+ … +bN2-N)VFS

VFS: 满量程输出电压

b1,b2, ...bN: 各位二进制数的系数量化精度 : V = VFS 2-N

15.4.1 原理

2288

东南大学 射频与光电集成电路研究所15.4.2 并联式 ADC

优点 : 高速缺点 : 电路规模 按 2N增加应用 : 高速低量 化精度场合

图 15.18

2299

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15.4.3 逐次逼近式A/D变换器

优点 : 高转换位数 : 10-12缺点 : 低速 .应用 : 低速高量化精度场合

原理方框图

电路图

图 15.19

图 15.20