《集成电路》课件.ppt

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1、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6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响用电路的影响6.2 差分式放大电路差分式放大电路学习指导学习指导 引言：在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件引言：在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。路。其体积小，而性能却很好。集成电路按其功能来分，有模其体积小，

2、而性能却很好。集成电路按其功能来分，有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。本集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。本章首先讨论组成集成运放的基本单元电路，接着介绍典型集成章首先讨论组成集成运放的基本单元电路，接着介绍典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数，最后简介几种专用型运放电路以及集成运放的主要指标参数，最后简介几种专用型集成运放。集成运放。课内学时：课内学时：学习目标学习目标 1.了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。了解电流源的构成

3、、恒流特性及其在放大电路中的作用。2.正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及零漂指标的定义方法。因，以及零漂指标的定义方法。3.熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。制比的基本概念。4.熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。原理。5.熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。

4、输出输入相位关系。6.了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。7.了解集成运放主要参数的定义，以及他们对运放性能的影响。了解集成运放主要参数的定义，以及他们对运放性能的影响。基本分类基本分类6.0 集成电路的类型和特点集成电路的类型和特点集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块基片上固体组件基片上固体组件数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路1.集成电路的主要类型集成电路的主要类型逻辑门、逻辑功能模块、逻辑门、逻辑功能模块、存储器、存储器、PLD线性放大器：运放、功放线性放大器：运放、功放数模和模

5、数接口数模和模数接口稳压器稳压器通信集成电路通信集成电路可编程模拟电路可编程模拟电路2.模拟集成电路的主要特点模拟集成电路的主要特点应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等产品复杂多样：通用与专用产品复杂多样：通用与专用电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列产品特点产品特点技术特点技术特点元件一致性好，相对精度高元件一致性好，相对精度高大量应用有源器件取代电阻大量应用有源器件取代电阻电路各级一般不用电容而直接耦合电路各级一般不用电容而直接耦合主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分

6、对、电平移动、温度补偿等电平移动、温度补偿等6.1 模拟集成电路中的模拟集成电路中的直流偏置技术直流偏置技术6.1.1 BJT电流源电路电流源电路6.1.2 FET电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源2.微电流源微电流源3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源4.组合电流源组合电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源2.MOSFET多路电流源多路电流源3.JFET电流源电流源6.1.1 BJT电流源电路电流源电路1.镜像电流源镜像电流源T T1 1、T T2 2的参数全同的参数全同 即即12，ICEO1ICEO2 当当BJT的的较大时，基极电流较大时，基极电流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IR

7、EF 代表符号代表符号6.1.1 BJT电流源电路电流源电路1.镜像电流源镜像电流源动态电阻动态电阻 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上6.1.1 BJT电流源电路电流源电路2.微电流源微电流源由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ）（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）A1和和A3分别是分别是T1和和T3的相对结面积的相对结面积 动态输出电阻动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高远比微电流源的动态输出电阻为高6.1.1 BJT电流源电路电流源电路3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源6.1.1 BJT电流源电路电

8、流源电路4.组合电流源组合电流源T1、R1 和和T4支路产生基准电流支路产生基准电流IREFT1和和T2、T4和和T5构成镜像电流源构成镜像电流源T1和和T3，T4和和T6构成了微电流源构成了微电流源6.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源当器件具有不同的宽长比时当器件具有不同的宽长比时（=0=0）ro=rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，且工作在放大区，当且工作在放大区，当=0时时，输出，输出电流为电流为 常用的镜像电流源常用的镜像电流

9、源 6.1.2 FET电流源电流源2.MOSFET多路电流源多路电流源6.1.2 FET电流源电流源3.JFET电流源电流源end(a)电路电路 (b)输出特性输出特性 6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路用三端器件组成的差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构2.有关概念有关概念差模信号差模信号共

10、模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压其中其中差模信号产生的输出差模信号产生的输出共模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构2.有关概念有关概念根据根据有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。号

11、大小相等，相位相反。6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态静态动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。大小相等，大小相等，信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理2.抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 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产产生生变变化化。且且变变化化趋趋势势是是相相同的，同的，其其效效果果相相当当于

12、于在在两两个个输入端加入了共模信号。输入端加入了共模信号。这这一一过过程程类类似似于于分分压压式式射射极极偏偏置置电电路路的的温温度度稳稳定定过过程程。所所以以，即即使使电电路路处处于于单单端端输输出出方方式式时时，仍仍有有较较强强的的抑抑制制零零漂漂能力。能力。2.抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用3.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况接入负载时接入负载时以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出3.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 双入、单出双

13、入、单出接入负载时接入负载时3.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 单端输入单端输入等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双指标计算与双端输入相同。端输入相同。3.主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以共模增益共模增益 单端输出单端输出抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强3.主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况（3）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 越强越强单端输出时的总输出电压单

14、端输出时的总输出电压（4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。例例(4)当输出接一个当输出接一个12k 负载负载时的差模电压增益时的差模电压增益.解：解：求求:(1)静态静态(2)电压增益电压增益(3)差分电路的共模增益差分电路的共模增益共模输入电压共模输入电压不计共模输出电压时不计共模输出电压时(4)4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态静态 IE6 IREFIO IE54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益差模电压增益（负载开路）（负载开

15、路）则则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻差模输入电阻 Rid2rbe输出电阻输出电阻4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro56.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路双端输出差模电压增益双端输出差模电压增益而而:所以：所以：6

16、.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路单端输出差模电压增益单端输出差模电压增益vo2(id4-id2)(ro2/ro4)gm vid（ro2/ro4）(ro2/ro4)gm(ro2/ro4)与双端输出相同与双端输出相同end6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性根据根据iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线的传输特性

17、曲线end6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器集成运算放大器7416.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算(1)(1)直流分析直流分析已知已知VT 和和KP5，可求出，可求出IREF 根据各管子的宽长比根据各管子的宽长比，可求出其它支路电流。，可求出其它支路电流。(2)(2)小信号分析小信号分析设设 gm1=gm2=gm 则则2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分

18、析计算输入级电压增益输入级电压增益 (2)(2)小信号分析小信号分析2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算总电压增益总电压增益 Av=Av1Av2 Av2=vo/v gs7 =gm7(rds7/rds8)第二级电压增益第二级电压增益 将参数代入计算得将参数代入计算得 Av=40884.8（92.2 dB）6.4.2 集成运算放大器集成运算放大器741原理电路原理电路 6.4.2 集成运算放大器集成运算放大器741简化电路简化电路end6.5 实际集成运算放大器的主要实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要

19、参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）1.输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压调电压VIO。一般约为。一般约为（110）mV。超低失调运放为（。超低失调运放为（120）V。高精度运放。高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 m

20、V。2.输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）3.输入失调电流输入失调电流IIO 输输入入失失调调电电流流IIO是是指指当当输输入入电电压压为为零零时时流流入入放放大大器器两两输输入入端的静态基极电流之差，即端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|一般约为一般约为1 nA

21、0.1 A。4.温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO/T6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性1.开环差模电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益AvO开环带宽开环带宽BW(fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性2.差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放输入级的运放rid一般在几百千

22、欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速而超高速AD9610的的ro0.05。3.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数共模特性共模特性1.共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放一般通用型运放KCMR为（为（80120）dB，高精度运放，高精度运放可达可达140dB，ric100M。2.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放

23、在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数大信号动态特性大信号动态特性1.转换速率转换速率SR放放大大电电路路在在闭闭环环状状态态下下，输输入入为为大大信信号号（例例如如阶阶跃跃信信号号）时时，输出电压对时间的最大变化速率，即输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为若信号为viVimsin2 ft，则运放的，则运放的SR必须满足必须满足SR2fmaxVom6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主

24、要参数大信号动态特性大信号动态特性2.全功率带宽全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和和BWP是是大大信信号号和和高高频频信信号号工工作作时时的的重重要要指指标标。一一般般通通用用型型运运放放SR在在nV/s以以下下，741的的SR=0.5V/s而而高高速速运运放放要要求求SR30V/s以上。目前超高速的运放如以上。目前超高速的运放如AD9610的的SR3500V/s。电源特性电源特性1.电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响衡量电源电压波动对输出电压的影响 2.静态功耗静态功耗PV 6.5

25、.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数1.1.集成运放的选用集成运放的选用 根根据据技技术术要要求求应应首首选选通通用用型型运运放放，当当通通用用型型运运放放难难以以满满足足要要求求时时，才才考考虑虑专专用用型型运运放放，这这是是因因为为通通用用型型器器件件的的各各项项参参数数比比较较均均衡衡，做做到到技技术术性性与与经经济济性性的的统统一一。至至于于专专用用型型运运放放，虽虽然然某某项项技技术术参参数数很很突突出出，但但其其他他参参数数则则难难以以兼兼顾顾，例例如如低低噪噪声声运运放放的的带带宽宽往往往往设设计计得得较较窄窄，而而高高速速型型与与高精度常常有矛盾，如此等等。高精度

26、常常有矛盾，如此等等。6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题2.失调电压失调电压VIO、失调电流、失调电流IIO和偏置电流和偏置电流IIB带来的误差带来的误差 6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题输入为零时的等效电路输入为零时的等效电路解得误差电压解得误差电压当当 时，可以时，可以消除偏置电流消除偏置电流 引起的引起的误差，此时误差，此时当电路为积分运算时，当电路为积分运算时，即即 换成电容换成电容C，则，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在引起的误差仍存在end3.调零补偿调零补偿6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题（a a）调零电路）调零电路 （b b）反相端加入补偿电路）反相端加入补偿电路