電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分：5 模擬集成電路

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1、6 模擬集成電路模擬集成電路集成電路集成電路 在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件 制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。 集成電路的特點(diǎn) 體積小性能好 分類數(shù)字集成電路模擬集成電路運(yùn)算放大器寬頻帶放大器功率放大器模擬乘法器模擬鎖相環(huán)穩(wěn)壓電源 模擬集成電路的特點(diǎn)（1）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)對稱（2）用有源器件代替無源器件（3）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路（4）極間采用直接耦合式（5）電路中的使用的二極管，多用作溫度補(bǔ)償或 電位移動(dòng)電路6.1 模模擬擬集成電路中的直流偏置技術(shù)集成電路中的直流偏置技術(shù)設(shè)T1、 T1的參數(shù)完全相同1212CEOCEOII1212EEEBEBIIVV1212CCEB

2、EBIIVV1 鏡像電源當(dāng)BJT的較大，基極電流可以忽略 2(6.1.1)CCBECCCREFVVVIIRRVcc2IBRIc1T2T1Ic2RCIREF圖6.1.1 鏡像電源圖6.1.2 帶緩沖級的鏡像電源VccIBRIc1T2T1Ic2IREFT3Re3RREFC2當(dāng)選定 時(shí)I確定I 也確定了 鏡像電源鏡像電源當(dāng)BJT的 較小，IC2 IREF有一定差別 6.1.1 BJT電流源電源電路2 微電流源1222BEBEBEEeVVVIR Vcc2IBRIc1T2T1Ic2Re2IREF圖6.1.3 微電流源+-VEB1VEB2222(6.1.2)BECEeVIIR圖6.1.4 多路電流源Vcc

3、IBRIcT1TIc1IREFT0ReT2Ic2T3Ic3BIRe3Re2Re1例6.1.1 已知各BJT的、 VEB相同，求個(gè)電流源IC1、 IC2、 IC3 與IREF的關(guān)系解：解：CREFBREFIIII1122336.1.3EeREFeEeEeEeI RIRI RIRIR1112223336.1.4REFeCEeREFeCEeREFeCEeIRIIRIRIIRIRIIR微電流源2BEeVR由于很小獲得的電流微小微電流源3. 電流源用作有源負(fù)載電流源用作有源負(fù)載電流源的特點(diǎn) 直流電阻小 交流電阻很大圖6.1.5 電流源用作有源負(fù)載Vcc2IBRT2T3IREFT1vIv0電流源用作有源負(fù)

4、載電流源用作有源負(fù)載T1 放大管T2與 T3 鏡像電流源 同時(shí)是同時(shí)是T1的集電極的集電極有源負(fù)載有源負(fù)載 同時(shí)也常用作發(fā)射極同時(shí)也常用作發(fā)射極有源負(fù)載有源負(fù)載 6.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)且工作在放大區(qū)，當(dāng) =0時(shí)時(shí)，輸出，輸出電流為電流為 常用的鏡像電流源常用的鏡像電流源 6.1.2 FET電流源電流源2. MOSFET多路電流源多路電流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF

5、1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 6.1.2 FET電流源電流源3. JFET電流源電流源(a) 電路電路 (b) 輸出特性輸出特性 6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路6.2 差分式放大電路線性放大電路vi1vi2v0圖6.2.1 理想差分式放大電路 輸入與輸出關(guān)系0126.2.:1VDiiVDvAvAv差模電壓增益126.2.2idiivvv差模信號:1216.2.32iciivvv共模信號:126.2.426.2.52idiicidiicvvvvvv0.:6 2

6、.6VDidVCiVcDVCvA vA vAA差模電壓增益共模電壓增益差模信號與共模信號同時(shí)存在時(shí)，對于線性放大電路2. 差模信號和共模信號差模信號和共模信號6.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2 差分式放大電路122iiidvvv 2. 工作原理工作原理1212,0.7cccBEBERRRVVV圖6.2.2 基本差分式放大電路 +VccRc1ic1T2T1ic2+I0-VEERc2vi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2er01202ccciiII120.7CECECCccVVVI RV0120CCvvv(2) 動(dòng)態(tài)分析0120CCvvv(1) 靜態(tài)分析120ii

7、vv1. 基本電路基本電路6.2 差分式放大電路3. 主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算圖6.2.2 基本差分式放大電路 +VccRc1ic1T2T1ic2+I0-VEERc2vi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2er0(1) 差模電壓增益01020112126.2.72cVDiiibevvvRAvvvr 當(dāng)C1、C2之間接入負(fù)載電阻RL時(shí)雙端輸入、雙端輸出的差模電壓增益圖6.2.3 基本差分式放大電路的交流通路 Rcic1T2T1ic2+Rcvi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2e122iiidvvv 6.2.8LVDbeRAr ！2LLCRRR！完全對稱雙端輸入、雙端輸出差分

8、電路的特點(diǎn)： 該電路的電壓增益與電邊電路的電壓增益相等 用成倍的元件以換取抑制零點(diǎn)漂移的能力雙端輸入、單端輸出的差模電壓增益116.2.922CVDVDbeRAAr 6.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2 差分式放大電路3. 主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算(1) 差模電壓增益兩電路中作用于兩電路中作用于be結(jié)上的信號基本一致，單結(jié)上的信號基本一致，單端輸入時(shí)電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似端輸入時(shí)電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致一致單端輸入的差模電壓增益單端輸入的差模電壓增益1 iidvv共模電壓增益越小，放大電路的性能越好(2) 共模電壓增益00 10 206.

9、2.10cccVCicicvvvAvv圖6.2.4 單端輸入差分式放大電路 的交流通路 Rcic1T2T1ic2Rc-vi1= vid+vc1vc2C1C2b1b2er02eidvv雙端輸入的共模電壓增益12iiicvvvRcic1T2T1ic2+Rcvi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2e圖6.2.5 基本放大電路的共模電壓輸入時(shí)的交流通路2r02r001 02eeevi ri r6.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2 差分式放大電路單端輸出的共模電壓增益單端輸出的共模電壓增益(2) 共模電壓增益共模電壓增益012,1berr一般情況下，0 10 2106.2.

10、1112ccCVCicicbevvRAvvrr Rcic1T2T1ic2+Rcvi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2e圖6.2.5 基本放大電路的共模電壓輸入時(shí)的交流通路2r02r01006.2.12122CCVCbeRRArrr 6.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2 差分式放大電路Rcic1T2T1ic2+Rcvi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2e圖6.2.5 基本放大電路的共模電壓輸入時(shí)的交流通路2r02r0(3) 共模抑制比共模抑制比KCMR共模抑制比說明差分式放大電路抑制共模信號的能力，差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，共模抑制能力越強(qiáng)，放大電

11、路的性能越優(yōu)良。6.2.13VDCMRVCAKA20lg6.2.14VDCMRVCAKdBA單端輸出的KCMR0026.2.152cVDbeCMRcVCbeRArrKRArr恒流源的電阻越大抑制共模信號的能力越強(qiáng)。恒流源的電阻越大抑制共模信號的能力越強(qiáng)。10111111116.2.16VCicicVDidVCicVDidVDidVDidCMRidAvvvAvAvAvAvAvKv共模、差模同時(shí)存在時(shí)的總數(shù)出共模、差模同時(shí)存在時(shí)的總數(shù)出6.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2 差分式放大電路Rcic1T2T1ic2+Rcvi2-vi1+vc1vc2C1C2b1b2e圖6.2.

12、5 基本放大電路的共模電壓輸入時(shí)的交流通路2r02r0(4) 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 雙端輸入、輸出差分式放大電路，因兩邊對稱，雙端輸入、輸出差分式放大電路，因兩邊對稱，可以用單邊共射極電路分析可以用單邊共射極電路分析 差分式放大電路采用直接耦合，因此它有極好的低頻響應(yīng)差分式放大電路采用直接耦合，因此它有極好的低頻響應(yīng) 同共射極電路的分析方法同共射極電路的分析方法 輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻 表表6.2.16.2.2 射極偶合差分式放大電路射極偶合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦

13、合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益雙端輸出差模電壓增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而: :)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路單端輸出差模電壓增益單端輸出差模電壓增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(r

14、o2 / ro4 )與雙端輸出相同與雙端輸出相同6.2 .3差分式放大電路的傳輸特性6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q 12120idTCCCCidvViiiiv在范圍內(nèi)時(shí)大，小，與間呈線性關(guān)系 121244idTidTidCCCCvVvVviiii 或即超出 100mV時(shí)大，飽和，零，幾乎不變，差分放大電路呈良好的限幅特性傳輸特性傳輸特性是放大電路輸出差模信號隨輸入差模信號變化曲線6.3集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.4 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器 是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多

15、級直接耦合放大電路。是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。電壓放大級輸出級偏置電路差分輸入級+-idv0vA+-NPO（a）集成電路運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖（b）代表符號圖6.3.1 集成電路運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理及代表符號6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IRE

16、F 根據(jù)各管子的寬長比根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。，可求出其它支路電流。(2)(2)小信號分析小信號分析2idgs1vv 2idgs2vv 設(shè)設(shè) gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv則則)/()/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算)/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv輸入級電壓增益輸入級電壓增益 (2)(2)小信號分析小信號分析2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算總

17、電壓增益總電壓增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級電壓增益第二級電壓增益 將參數(shù)代入計(jì)算得將參數(shù)代入計(jì)算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）6.4.2 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器741原理電路原理電路 6.4.2 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器741簡化電路簡化電路6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器通用型集成電路運(yùn)算放大器6.5 實(shí)際實(shí)際 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對電路的影響集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對電路的影響1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO: 在室溫（在室溫（25）及

18、標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸出為零時(shí)，為）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸出為零時(shí)，為了使集成運(yùn)算放大電路的輸出了使集成運(yùn)算放大電路的輸出 電壓為零，在輸入端的補(bǔ)償電壓。電壓為零，在輸入端的補(bǔ)償電壓。2. 輸入偏置電流輸入偏置電流IIBBNIBPI0VCCVEEV00,2IBBNBPVIII6.5.1 實(shí)際實(shí)際 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器通用型集成電路運(yùn)算放大器3. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO : 輸出為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極點(diǎn)流之差。輸出為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極點(diǎn)流之差。4. 溫度漂移溫度漂移IOBNBPI

19、II（1） 輸入失調(diào)電壓漂移輸入失調(diào)電壓漂移IOVTIOIT（2） 輸入失調(diào)電流漂移輸入失調(diào)電流漂移5. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓6. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓7. 最大輸出電流最大輸出電流 最大輸出電流：最大輸出電流：運(yùn)放所能輸出的正向或反向的峰值電流。運(yùn)放所能輸出的正向或反向的峰值電流。最大共模輸入電壓：最大共模輸入電壓：運(yùn)放所能承受的運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓。最大差模輸入電壓：最大差模輸入電壓：運(yùn)放反向和同向輸入端所能承受的運(yùn)放反向和同向輸入端所能承受的最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓。BNIBPI0VCCVEEV6.5.1 實(shí)際實(shí)際 運(yùn)算放大器的主

20、要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器通用型集成電路運(yùn)算放大器8. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 AVO開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 AVO: 運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無反饋運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無反饋情況下的直流差模電壓增益情況下的直流差模電壓增益9. 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BW(fH)開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬又稱為又稱為-3dB帶寬，是指開環(huán)差模電壓增益下降帶寬，是指開環(huán)差模電壓增益下降3dB時(shí)對應(yīng)時(shí)對應(yīng) 的頻率的頻率fH 。10.單位增益帶寬單位增益帶寬BWG(fT)11. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR：放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信

21、號時(shí)，放大電路輸出放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號時(shí)，放大電路輸出電壓對時(shí)間的最大變化率電壓對時(shí)間的最大變化率。單位增益帶寬單位增益帶寬BWG(fT) ：開環(huán)電壓增益頻率響應(yīng)曲線上其增益值下降為開環(huán)電壓增益頻率響應(yīng)曲線上其增益值下降為1時(shí)時(shí) 的頻率。的頻率。 0max6.4.3RdvtSdt6.5.1 實(shí)際實(shí)際 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1. 1. 集成運(yùn)放的選用集成運(yùn)放的選用 根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時(shí)，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母髯阋髸r(shí)，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)

22、比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用項(xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。高精度常常有矛盾，如此等等。 6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題2. 失調(diào)電壓失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流、失調(diào)電流IIO和偏置電流和偏置電流IIB帶來的誤差帶來的誤差 6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題輸入為零時(shí)的等效電路輸入為

23、零時(shí)的等效電路2IOIBP)2( RIIV f11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 解得誤差電壓解得誤差電壓 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可以時(shí)，可以消除偏置電流消除偏置電流 引起的引起的誤差，此時(shí)誤差，此時(shí)f12/ RRR IBI當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，即即 換成電容換成電容C，則，則fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)( 1)()()(2IOIO12IOIOO時(shí)間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。時(shí)間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。IOIO IV和和引起的誤差仍存在引起的誤差仍存在3. 調(diào)零補(bǔ)償調(diào)零補(bǔ)償6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題（a a）調(diào)零電路）調(diào)零電路 （b b）反相端加入補(bǔ)償電路）反相端加入補(bǔ)償電路