|
|
|
模拟集成电路新技术
|
|
New Analog IC Technologies
|
|
■清华大学电子工程系 董在望教授
|
近几年来,模拟集成电路得到了飞速发展,其表现之一是使用MOS器件的模拟集成电路逐渐成为主流，改变了模拟集成电路主要使用双极型器件的局面。MOS器件具有尺寸小、功耗低等优点，特别是它与数字电路的主流工艺兼容，这对系统级芯片(SOC)的实现有重要意义。而MOS器件的噪声大，工作频率低的缺点，随着集成电路工艺和电路技术的进步，已有很大改观，完全可以满足一般电子系统对性能的要求。
模拟集成电路发展的表现之二是出现了许多新电路技术，包括电流模电路，抽样数据电路和使用浮栅器件的电路等。
电流模电路
目前常用的电路是电压模电路，它以电压的变化作为信息的载体，完成对电压变量的处理。电流模电路是以电流的变化为信息载体，完成对电流变量的处理。尽管在电路中，电压和电流总是同时存在，但由于载荷信息的物理量不同，电路处理的变量不同，所以电路结构不同，性能不同。
图1(a)和(b)所示分别为MOS电压放大器和电流放大器。电流模电路用标准CMOS工艺制造，具有工作频率高、动态范围大、非线性失真小和适于低电源电压工作等特点，但由于其性能与电路中各MOS器件的宽长比之比有密切关系，因此对电路中各器件的匹配要求很高。
抽样数据电路
抽样数据电路处理的是抽样信号，即时间离散而幅度连续的信号，它是一种离散时间电路，所以其基本单元与数字电路类似，主要是相加、延时、乘系数、微分和积分等电路，其输出输入特性也用差分方程描述。但因它所处理的信号没有量化，所以不会产生量化噪声。由于这种电路处理的主要是模拟信号，故归入模拟电路。
抽样数据电路主要有三种类型：电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device），开关电容电路（SC，Switched Capacitor Circuits），开关电流电路（SI，Switched Current Circuits）。由于开关电容和开关电路中含有有源器件，使其所完成的功能种类和性能均优于电荷耦合器件，所以在抽样数据电路中，得到了广泛的应用。
图2(a)和(b)所示分别为开关电容积分器和开关电流积分器的电路及其输出输入关系。开关电容电路由受时钟控制的开关、电容器和放大器构成，利用电荷的存储和转移实现电路功能。开关电流电路由受时钟控制的开关、电流镜电路构成，利用MOS器件栅－源间电容的电荷存储效应实现对电流信号的处理。
开关电容和开关电流电路只能以集成电路的形式出现，它们是集成电路工艺与电路技术相结合的产物。与模拟电路相比，抽样数据电路易于获得稳定准确的时间常数。模拟集成电路的时间常数主要由电路中的电阻和电容的绝对值决定，而开关电容和开关电流电路中的时间常数主要由时钟频率和元件的比值决定，在开关电容电路中是电容器电容量的比值，在开关电流电路中是各MOS器件之间宽长比的比值。在集成电路制造过程中，实现比值的准确和稳定程度远高于实现绝对值的准确和稳定程度。由于抽样数据电路的这个优点，所以在处理模拟信号的集成滤波器中获得了广泛的应用，并扩展到其它功能电路。除上述优点外，抽样数据电路还可利用改变时钟的频率和控制开关的相位等方法实现电路功能的可编程。这种电路的缺点是，由于抽样数据电路的时钟频率需要比所处理信号的最高频率高几倍，所以工作频率受到限制。
利用浮栅器件的电路
在数字电路中浮栅器件早已被利用。在模拟电路中，特别是浮栅器件可以用标准CMOS工艺制造以后，从作为模拟信号的不挥发存储器开始，正在不断扩大这种电路的应用范围。目前，浮栅器件在模拟集成电路中的主要应用范围有三个方面：模拟浮栅存储器，浮栅电路和自适应浮栅电路。
作为浮栅电路的例子，这里介绍一种多输入跨导线性元件（MITE Multiple-Input Translinear Element）。图3(a)是电压输入、电流输出的基本级电路，浮栅器件MF工作在亚域区，其输出输入关系表示为
I=I_{S}e^{{W_{1}V_{1}+W_{2}V_{2}+ +W_{k}V_{K}}\over{V_{T}}
其中，Is为工作点电流；为第k个输入电压；wk为Vk的加权因子；V_{T}={KT}\over{q}为热电压。
利用这种器件构成的低通滤波器电路如图3(b)所示，它的输出输入关系为
{dI_{out}}\over{dt}+I_{out}=I_{in
H(s)={I_{out}(s)}\over{I_{m}(s)}={1}\over{1+s }
={CV_{I}}\over{wI_{R}}
可以看出，这是一个一阶低通滤波器，其输入和输出信号均为电流，属于电流模电路。它可以工作在低电源电压，高频率，并具有良好的线性度和大动态范围。
利用MOS器件构成模拟电路和研究新电路技术的基本出发点，一个方面是发挥模拟电路的独具优势和克服自身的缺点，提高电路性能；一个方面是尽可能使用与数字电路相同的工艺，以便于与数字电路集成在同一个芯片上。目前，模拟集成电路在提高工作频率、降低电源电压、提高线性度、实现可编程和提高工作稳定性方面均取得很好结果。主要应用于电子系统的模拟信号放大，射频、中频、基带的带通或低通滤波，高速模拟－数字和数字－模拟变换等。下面举出几个模拟集成滤波器的例子，从一个侧面说明模拟集成电路的进展情况。
有源电感射频滤波器
目前在GHz频率范围已经可以将电感制作在芯片上，但Q值比较低，寄生元件比较多，实现片上无源滤波器还有相当困难。可行的办法是用有源器件构成等效电感，以完成射频滤波器的集成电路实现。图4所示为一种用MOS器件构成的有源电感及其等效电路。
一种用这种等效电感构成的射频带通滤波器，其中心频率900MHz，改变有源电感的偏置电流可以调整中心频率；使用2V电源电压，当Q值为31和中心频率为916MHz时，功耗约12mW；在增益为20dB时，IIP3约-30dBm。
电流模基带滤波器
一种使用0.25微米CMOS工艺的宽频带基带滤波器，其截止频率在237-326MHz范围内可调，电源电压1V，功耗24mW，在输入300mV信号时的IM3为-52.5dB。
低功耗视频基带滤波器
一种由MOS器件构成的电阻、接地电容和有源器件构成的视频基带滤波器，其功耗低于1.7mW，截止频率在3.5-8MHz范围内可调，动态范围优于67dB，电源电压5V。 |
|
