模电第3章+模拟集成电路基础.ppt

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1、模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院第第3 3章章 模拟集成电路基础模拟集成电路基础3.1 概述概述3.3 差动放大电路差动放大电路3.2 电流源电路电流源电路3.4 功率放大电路功率放大电路3.5 集成电路集成电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.1概述概述 集成电路是一种将集成电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合的器件，紧密结合的器件，它以半它以半导体单晶硅为芯片，导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，采用专门的制造工艺，把晶体管、把晶体管、场效应场效应管、管、二极管、二极管、电阻

2、和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，整电路制作在一起，使之具有特定的功能。使之具有特定的功能。集成电路体积小、集成电路体积小、重量轻、重量轻、耗电少、耗电少、可靠性高，可靠性高，已成为现代电子器件的主体。已成为现代电子器件的主体。集集成电路分数字与模拟两大类。成电路分数字与模拟两大类。集成电路体积小、集成电路体积小、重量轻、重量轻、耗电少、耗电少、可靠性高，可靠性高，已成为现已成为现代电子器件的主体。代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多，模拟集成电路的种类很多，有集成运

3、算放大器有集成运算放大器(简称集成运放简称集成运放)，集成功率放大器，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成锁相环，集成稳压器集成稳压器等。等。在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、集成运算放大器是最为重要、用途最广用途最广的一种，的一种，这里主要介绍集成运放的内部电路、这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、工作原理、性能指性能指标及常用等效模型。标及常用等效模型。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下

4、做出的，邻近邻近的器件具有良好的的器件具有良好的对称性对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，化也相同，因而特别有因而特别有利于实现利于实现需要需要对称结构对称结构的的电路电路。（2）集成工艺制造的电阻、）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电电容数值范围有一定的限制。集成电路中的路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，的，因而因而很难制造大很难制造大的电阻的电阻，其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间;集成电路中的集成电路中的电容是用电容是用PN结的结电容作结的结电容作

5、的。的。（3）集成工艺制造晶体管、）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，场效应管最容易，众多数量的晶体管众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向集成晶体管有纵向NPN型管型管(值高、性能值高、性能好好)、横向横向PNP 型管型管(值低、但反向耐压高）和场效应管，值低、但反向耐压高）和场效应管，另外，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发射极管、如多发射极管、多集电极管等。多集电极管等。集成二极管、集成二极管、稳压管等一般用稳压管等一般用NPN管的发射结代替。管的发射结代替。3.1.1 集成电路中的元器件特点集成电路中的元

6、器件特点模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（1）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性（2）利用有源器件代替无源元件利用有源器件代替无源元件（3）一般采用直接耦合方式）一般采用直接耦合方式3.1.2 集成电路结构形式上的特点集成电路结构形式上的特点（4）采用较复杂的电路结构）采用较复杂的电路结构（5）适当利用外接分立元件）适当利用外接分立元件模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 根据集成工艺的特点，根据集成工艺的特点，模拟集成放大电路模拟集成放大电路中的

7、中的偏置电路、偏置电路、集电极或发射极负载集电极或发射极负载等，等，一般一般采用晶体管电流源采用晶体管电流源。这不仅能使电路性能具有这不仅能使电路性能具有不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性(做偏置做偏置)，而且能获得高增益、而且能获得高增益、大动态范围的大动态范围的特性特性(做有源负载做有源负载)。3.2 晶体管电流源电路晶体管电流源电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章章晶体管的特性已知，晶体管的特性已知，

8、晶体管晶体管本身便本身便具有近似恒流具有近似恒流的特性。的特性。在集成电路中，在集成电路中，常用的电流源电路有：常用的电流源电路有：镜像电流源镜像电流源、精密电流源精密电流源、微电流源微电流源、比例电流源比例电流源和和多路电流源多路电流源等。等。它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，负载代替高阻值电阻，以提高放大电路的放大倍数。以提高放大电路的放大倍数。3.2.1 电流源电路电流源电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院1.镜像电流源镜像电流源条件：两管参数对称条件：

9、两管参数对称模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.改进型镜像电流源改进型镜像电流源模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.微电流源微电流源模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.3 差动放大电路差动放大电路零点漂移的严重性零点漂移的严重性根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在式一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移温度漂移问题。为了问题。为了抑制抑制温

10、度漂移温度漂移，一种比较有效的电路就是，一种比较有效的电路就是差动放大电路。差动放大电路。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。正常工作，必须有效地抑制零点漂移。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.3.1 差动放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)1.电路组成电路组成 特点：特点：a.两只完全相同的两只完全相同的管子；管子；b

11、.元件参数对称；元件参数对称；模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.输入输出方式输入输出方式输入端：输入端：同相输入端、反相输入端同相输入端、反相输入端输入方式：输入方式：双端输入：双端输入：若信号同时加到同相输入端和反相输入端。若信号同时加到同相输入端和反相输入端。单端输入：单端输入：若信号仅从一个输入端加入，若信号仅从一个输入端加入，另一个输入端接地。另一个输入端接地。输出方式：输出方式：双端输出：双端输出：若从若从C1和和C2两端输出。两端输出。单端输出：单端输出：仅从集电极仅从集电极C1或或C2对地输出称为单端输出。对地输出称为单端输

12、出。输出端：输出端：一个是一个是T1的集电极的集电极C1，另一个是另一个是T2的集电极的集电极C2差动电路的工作模式：差动电路的工作模式：(1)双端输入、双端输入、双端输出（双入双端输出（双入双出）双出）(2)双端输入、双端输入、单端输出（双入单端输出（双入单出）单出）(3)单端输入、单端输入、双端输出（单入双端输出（单入双出）双出）(4)单端输入、单端输入、单端输出（单入单端输出（单入单出）单出）模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.差模信号与共模信号差模信号与共模信号差模输入信号：差模输入信号：差动放大电路两个输入信号之差差动放大电路两个

13、输入信号之差差模信号：差模信号：指在两个输入端加上大小相等，指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号极性相反的信号共模信号：共模信号：指在两个输入端加上大小相等，指在两个输入端加上大小相等，极性相同的信号极性相同的信号共模输入信号：共模输入信号：差动放大电路两个输入信号的平均值差动放大电路两个输入信号的平均值模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院4.抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 原理：原理：静态时，输入信号为零，即将输入端静态时，输入信号为零，即将输入端和和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条短接。由于两管特性相同，所以当温度

14、或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和和ICQ2的变化规的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终始终相等，从而使相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。因此消除了零点漂移。具体实践：具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用在实践中，两个特性相同的管子采用“差差分对管分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。尽可能保证阻值对称性精度满足要求。结论：结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大可想

15、而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.信号的输入方式和电路的响应信号的输入方式和电路的响应（1）差模输入方式）差模输入方式差模输入信号为差模输入信号为Ui1 Ui2=UId差模输入方式差模输入方式若若Ui1的瞬时极性与参考的瞬时极性与参考极性一致，则极性一致，则Ui2的的瞬时瞬时极性与参考极性相反。极性与参考极性相反。则有：则有：ui1ib1

16、ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 输出电压uO=uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。定义：定义：Ad=Uod/UId模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（2）共模输入方式）共模输入方式Ui1=Ui2=UIC在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。流和电压的变化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0Ui1=Ui2=Uic时，时，Uoc=0。定义：定义：Ac=Uoc/UIc共模输入方式下的差放电路共模输入方式下的差放电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信

17、息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为为0，实际上，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般一般Ac1。既然既然UOC=0或者或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在的影响和作用，都等效成共模输入信号。如

18、果在Uic作用作用下，下，Uoc=0或或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。而引起的零漂。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（3）任意输入方式）任意输入方式 任意输入方式任意输入方式模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若若则则Uid=(Ui1-Ui2)/2例如例如：Ui1=10mVUi2=6m

19、V则则 Uid=2mV Uic=8mV利用叠加原理得到利用叠加原理得到：Uo=Ad2Uid+AcUic=Ad（Ui1-Ui2）结论：在任意输入结论：在任意输入方式下，被放大的方式下，被放大的是输入信号是输入信号Ui1和和Ui2的差值。这也是的差值。这也是这种电路为什么叫这种电路为什么叫做做“差动放大的原差动放大的原因因”。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（4）存在的问题及改进的方案）存在的问题及改进的方案以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对

20、称。另外，如果从一管输出，则与漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出单端输出”方式的形式又是经常采用的。方式的形式又是经常采用的。稳定静态工作点，就是要减小稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减的变化，而抑制零点漂移也同样是减小小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻射极上接一电

21、阻。这。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院在上图电路中，在上图电路中，RE越大越大，则，则工作点越稳定工作点越稳定，零点漂移也越零点漂移也越小小。但。但RE太大，在一定的工作电流下，太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太上的压降太大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作电流和动态范围，而电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源供又希望取得大些，常采用双电源供电，用电源电，用电源VEE提供

22、提供RE上所需的电压。采用双电源供电上所需的电压。采用双电源供电后，输出电压的动态范围大多了。后，输出电压的动态范围大多了。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾长尾电路。电路。射极耦合差动放大电路射极耦合差动放大电路1 12 22 2RC CRC CR1 1R1 1T1 1 T2 2+-Uo o.RL LRWWRE EC1 1C2 2Ui i.+_VCCCCVEEEE模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院因为有负电源因

23、为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可可以去掉。以去掉。T1和和T2的射极之间还接入了电位器的射极之间还接入了电位器RW，用于电路调用于电路调零。零。3.3.2 基本性能分析基本性能分析1.静态分析静态分析 忽略Ib，有：VB1=VB2=0V模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.动态分析动态分析-半等效电路分析法半等效电路分析法 差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输

24、出（双端输入、双端输出（双入双出双入双出）2.双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出）3.单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出）4.单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压放大倍数差模电压放大倍数 共模电压放大倍数共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数（3）差模输入电阻）差模输

25、入电阻（4）输出电阻）输出电阻输入幅值不同，如何处理?模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）输出电阻）输出电阻模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数共模等效电路：共模等效电路：模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 3.单端输入双端输出单端输入双端输出-R

26、e化单入为双化单入为双入入单端输入等效双端输入单端输入等效双端输入:因为右侧的因为右侧的Rb+rbe归算到发射极归算到发射极回路的值回路的值(Rs+rbe)/(1+)0 T1 导通导通 T2 截止截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui u时，时，uo=Uomaxu+80 dB模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院7)最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdM共模输入共模输入 U IC 过大，过大，K CMR下降下降当当 UId 过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿。结可能因反压过大而被击穿。NPN 管管 UI

27、dM=5 V横向横向 PNP 管管 UIdM=30 VCF741 为为 30 V8)最大共模输入电压最大共模输入电压 UICM9)最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP输出级为输出级为 OCL 电路电路一般比电源电压小一个一般比电源电压小一个 UCE(sat)如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VCF741 为为 13 V模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院二二、集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项(一一)集成运放的封装和引脚排列集成运放的封装和引脚排列封装形式封装形式:金属圆形、双列直插式金属圆形、双列直插式

28、、扁平式扁平式封装材料封装材料:陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料例例:塑封双列直插式塑封双列直插式(DIP)CF741DIPDual In-Line Pakage模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院(二二)集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项1.查阅手册了解引脚的排列及功能；查阅手册了解引脚的排列及功能；2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电 源短路；源短路；3.输入信号应远小于输入信号应远小于 UIdM 和和 UICM，以防阻塞或损以防阻塞或损 坏器件；坏器件；4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。放大需调零。