《模拟电子技术课件》第6章模拟集成电路.ppt

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1、一、集成电路一、集成电路(integrated circuit)(integrated circuit)：在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块件（电阻、电容、三极管等）制造在一块Si Si 基片上，基片上，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。如：运放、各种芯片等。如：运放、各种芯片等。6 模拟集成电路模拟集成电路二、按功能分类：二、按功能分类：模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路三、集成度：三、集成度：小规模集成电路（小规模集成电路（SSISSI）1010

2、2 2 中规模集成电路（中规模集成电路（MSIMSI）10103 3大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）1010105 5、(如：如：CPU 310CPU 310万万-330-330万万)Intel 奔腾奔腾4四、集成电路的工艺特点：四、集成电路的工艺特点：（5 5）不能制造电感不能制造电感，如需电感，也只能外接。，如需电感，也只能外接。（4 4）只能制作几十）只能制作几十pFpF以下的以下的小电容小电容。因此，集成。因此，集成放大器都采用放大器都采用直接耦合直接耦合方式。如需大电容，只有外方式。如需大电容，只有外接。接。（3 3）不易制造大电阻。不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使

3、用有需要大电阻时，往往使用有源负载源负载 （2 2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功功耗很小耗很小，在毫瓦以下。，在毫瓦以下。（1 1）元器件具有良好的）元器件具有良好的一致性和同向偏差一致性和同向偏差，因而，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。特别有利于实现需要对称结构的电路。1.1.掌握差放的结构、原理及掌握差放的结构、原理及Q Q点、动态指标的计算。点、动态指标的计算。2.2.了解差动放大器抑制零点漂移的原理。了解差动放大器抑制零点漂移的原理。3.3.了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。4.4.

4、了解集成运算放大器的组成及工作原理。了解集成运算放大器的组成及工作原理。6 模拟集成电路模拟集成电路5.5.了解集成运算放大器的主要参数。了解集成运算放大器的主要参数。基本要求基本要求6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4 特殊的集成运放特殊的集成运放6 模拟集成电路模拟集成电路6.5 模拟乘法器模拟乘法器要求：提供恒定电流要求：提供恒定电流IO，且有大的交流电阻，且有大的交流电阻其两端电压变化时，其两端电压变化时，IO保持恒定。保持恒定。+Iorov_-ro 6.1集成电路中的电流

5、源二、恒流特性二、恒流特性一、电路组成一、电路组成三极管三极管T1、T2对称对称 镜像电流源镜像电流源（P258）结论：结论：无论无论Rc值如何值如何,IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）电流值保持不变（前提：电源要稳定）当当 较小时，可用较小时，可用带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源增加增加T0，使，使IC更加接近更加接近IREF三、镜像电流源特点三、镜像电流源特点3.电流最低至电流最低至mA级。级。1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上2.电流受电源波动影响大；电流受电源波动影响大；4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小也很小

6、一、电路特点一、电路特点二、工作原理二、工作原理（Re2 K 级）级）2受电源波动影响小；受电源波动影响小；3IC2 uA级；级；优点：优点：1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上6.1.2微电流源微电流源（P259）4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。T1、T2、T3的基极并联。的基极并联。电路用一个基准电流电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。获得了多个电流输出。多路电流源：多路电流源：放大管放大管提供直流偏置提供直流偏置作为有源负载作为有源负载6.1.4 电流源作用电流源作用镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源例例举例：举例：P282 集成

7、运放集成运放微电流源微电流源直流偏置直流偏置镜像电流源镜像电流源有源负载有源负载 电流源电流源直流偏置直流偏置 FET电流源电流源（P260）一、一、MOSFET镜像电流源：镜像电流源：二、二、MOSFET多路电流源：多路电流源：三、三、JFET电流源：电流源：(与与BJT电流源比较，自学，了解电流源比较，自学，了解)6.2 6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.2.1 直接耦合放大电路的特殊问题直接耦合放大电路的特殊问题1.前后级前后级Q点相互影响点相互影响特殊问题特殊问题:若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也漂了若第二级也漂了100 uV，则输出

8、漂移则输出漂移 10 mV。假设假设F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂移漂移 1 V+10 mV2.零点漂移零点漂移F 1=2=F rbe1=rbe2=rbe 两个两个BJT特性一致，特性一致，参数相等。参数相等。F VBE1=VBE2=VBE 1.电路组成电路组成 差放一般有两个输入端：差放一般有两个输入端：双端输入双端输入两输入端同时加信号两输入端同时加信号单端输入单端输入一输入端一输入端对地加信号对地加信号 差放可以有两个输出端差放可以有两个输出端:双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。6.2.2 基本差分式放大电路基本

9、差分式放大电路C1C26.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路1.电路组成电路组成 根据输入、输出方式不同，根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式可分为四种工作方式:双端输入、双端输出；双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、双端输出；C1C2恒流源的作用恒流源的作用相当于阻值很大的电阻。相当于阻值很大的电阻。6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路2.工作原理工作原理以双端输入、双端输出为例以双端输入、双端输出为例(1)静态分析静态分析(vi1=vi2=0)c1(2)(2)动态分析：

10、动态分析：1)1)差模输入差模输入差模输入差模输入 v vi1 i1=v vi2i2大小相等、极性相反大小相等、极性相反大小相等、极性相反大小相等、极性相反ui1tuBE1tUBEtiB1IB vC=UCC iC RC vC1tUCE？iC1tICuBE2tUBEtiB2IBvC2tUCE？iC2tICui2t两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，uo=(VC1 VC1 )(VC2+VC)=2 VC1 即即对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力。2)2)共模输入共模输入共模输入共模输入 v vi1 i1=v v

11、i2i2大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同ui1tuBE1tUBEtiB1IBvC1tUCE？vC=UCC iC RC iC1tICui2tuBE2tUBEtiB2IBvC2tUCE？iC2tIC 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即电压为零，即对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力。3)3)3)3)比较输入比较输入比较输入比较输入 u ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。例例1:

12、ui1=10 mV,ui2=6 mV ui2=8 mV 2 mV 可分解成可分解成:ui1=8 mV +2 mV共模信号共模信号共模信号共模信号差模信号差模信号差模信号差模信号 放大器只放大器只放大器只放大器只 放大两个放大两个放大两个放大两个 输入信号输入信号输入信号输入信号 的差值信的差值信的差值信的差值信 号号号号差动差动差动差动 放大电路。放大电路。放大电路。放大电路。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。3.差放抑制零漂差放抑制零漂 温温度度变变化化和和电电源源电电压压波波动动，都都将将使使集集电电极极电电流流

13、变变化化。且变化趋势相同且变化趋势相同 差分式放大电路对共差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两输入其效果相当于在两输入端加入了端加入了共模信号共模信号。6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路4.差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod差模信号差模信号共模信号共模信号idodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA 共模电压增益共模电压增益差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出

14、两个输入信号的差值两个输入信号的差值两个输入信号的算术平均值两个输入信号的算术平均值根据以上两式可以得到根据以上两式可以得到总输出电压总输出电压icVCidVDvAvA+=ocodo=vvv+差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod5.5.主要技术指标计算主要技术指标计算(P265)(P265)差模电压增益差模电压增益差模输入电阻差模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻共模电压增益共模电压增益共模输入电阻共模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻c1c2ic2ic1双端输入，差模信号为：双端输入，

15、差模信号为：v i1=-vi2=vid/2交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE 交流短接交流短接1.1.差模电压增益差模电压增益(1)(1)双入双出双入双出AVD(P265)（单边电路增益）单边电路增益）有负载有负载RL 时：时：负载开路负载开路 时时：(2)双入单出双入单出AVD：双端输入，共模信号为：双端输入，共模信号为：vi 1=vi 2=vi c交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE交流短接 电流源内阻ro等效变换电路：等效变换电路：2.2.共模电压增益共模电压增益c1c2(1)双入双出双入双出AVCvi 1=vi 2=vi C T1、T2电路对称vO1=vO

16、 2vO=vO1-vO 2=0=0结论：结论：双入双出双入双出时差放时差放抑制零漂能力最强抑制零漂能力最强(2)双入单出双入单出AVC vi 1=vi 2=vi c vO=vO13.3.单端输入差分式放大电路：单端输入差分式放大电路：结果自行分析结果自行分析 P266 P2664.4.共模抑制比共模抑制比双端输出，理想情况双端输出，理想情况单端输出单端输出抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：差动放大器动态参数计算

17、总结差动放大器动态参数计算总结 双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路(3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。beid2 rR=单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，(5)(5)共模抑制比共模抑制比(4)(4)输出电阻

18、输出电阻 差分式放大电路几种接法的性能指标比较：差分式放大电路几种接法的性能指标比较：参考教材：参考教材：P270 表表6.2.3 FET差分式放大电路：差分式放大电路：P272，自学，自学6.2.4 差分式放大电路传输特性：差分式放大电路传输特性：P277，自学，自学集成运算放大器：集成运算放大器：是一种是一种高放大倍数、高输入高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻电阻、低输出电阻的直接耦的直接耦合放大电路合放大电路电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应

19、有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器u-u+uo 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+输出端输出端 uo国内外常用符号：国内外常用符号：国家标准符号：国家标准符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输出电阻小输出电阻小输入电阻大输入电阻大1.最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输

20、入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压输入失调电压 UIO4.输入失调电流输入失调电流 IIO5.输入偏置电流输入

21、偏置电流 IIB集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图6.4 特殊集成运算放大器一.高速型和宽带型二.高精度(低漂移型）三.高输入阻抗型四.低功耗型五.功率型 用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 一.高速型和宽带型 用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177 C

22、F714 二.高精度(低漂移型）用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549 CF155/255/355 三.高输入阻抗型四四.低功耗型低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W。五.功 率 型 这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12 TP1465 对于差放有：对于差放有：6.5.1 基本原理基本原理6.5 模拟乘法器电路模拟乘法器电路1、乘方和立方运算 6.5.2 模拟乘法器应用模

23、拟乘法器应用2、除法运算根据虚端虚断有：根据虚端虚断有：Vo与与vx1、vx2之商成比例，实现了除法运算之商成比例，实现了除法运算只有当只有当vx2为正极性时，才能保证运放处于负反馈状态为正极性时，才能保证运放处于负反馈状态vx1则可正可负则可正可负-+3、开平方运算电路 根据虚短虚断有：根据虚短虚断有：只有当只有当vX为负值时才能开平方为负值时才能开平方 图中的二极管即为保证这一点而接入的图中的二极管即为保证这一点而接入的 4、开立方运算电路 根据虚短虚断有：根据虚短虚断有：当当vX为正值时，为正值时，vO为负值为负值 当当v vX X为负值时，为负值时，v vO O为正值。为正值。6.5.2 模拟乘法器应用模拟乘法器应用 6.5.2 模拟乘法器应用模拟乘法器应用