模擬集成電路課件

1、模擬集成電路第六章 雙極型模擬集成電路集成化元、器件及其特點集成化元、器件及其特點集成差分放大電路集成差分放大電路電流模電路電流模電路功率輸出級電路功率輸出級電路集成運算放大器集成運算放大器第二節(jié)第二節(jié)第一節(jié)第一節(jié)第五節(jié)第五節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第三節(jié)第三節(jié)模擬集成電路第一節(jié) 集成化元、器件及其特點一一 集成電路工藝簡介集成電路工藝簡介 以制造以制造NPN管的工藝流程為例管的工藝流程為例 氧化氧化 光刻光刻 隱埋層擴散隱埋層擴散 外延和氧化外延和氧化 隔離擴散隔離擴散選擇隔離槽選擇隔離槽P型硅片型硅片1 平面工藝平面工藝模擬集成電路2 電路元件制造工藝電路元件制造工藝基區(qū)擴散基區(qū)擴散 發(fā)射區(qū)擴散發(fā)射區(qū)

2、擴散 蒸鋁蒸鋁 NPN選擇基區(qū)選擇基區(qū)選擇發(fā)射區(qū)選擇發(fā)射區(qū)選擇電極選擇電極引線窗口引線窗口選擇要去選擇要去除的鋁層除的鋁層模擬集成電路硅片上的管芯集成電路的封裝(a)雙列直插式(b)圓殼式模擬集成電路二二 集成化元、器件集成化元、器件1 NPN晶體管晶體管 在在P型硅片襯底上擴散型硅片襯底上擴散N隱埋層，生長隱埋層，生長N型外延層，擴散型外延層，擴散P型基區(qū)，型基區(qū)，N 型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)模擬集成電路2 PNP晶體管晶體管 從隔離槽從隔離槽P上引出集電極，載流子沿晶體管上引出集電極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運動斷面的垂直方向運動優(yōu)點：優(yōu)點：制造方便制造方便基區(qū)較基區(qū)較NPN寬

3、寬特征頻率高特征頻率高輸出電流大輸出電流大缺點缺點由于隔離的需要，由于隔離的需要，C極必須接電路電源最低電位極必須接電路電源最低電位常作射極跟隨器常作射極跟隨器 1)縱向縱向PNP管管模擬集成電路(2)橫向橫向PNP管管:發(fā)射極和集電極橫向排列，載流子沿斷面水平運動。發(fā)射極和集電極橫向排列，載流子沿斷面水平運動。缺點：缺點： 由于加工原因，基區(qū)寬度比普通由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大大12個數(shù)量級，個數(shù)量級， 很小，特征頻率低很小，特征頻率低優(yōu)點：優(yōu)點： 因為由輕摻雜的因為由輕摻雜的P型擴散區(qū)和型擴散區(qū)和N型外延區(qū)構(gòu)成，型外延區(qū)構(gòu)成，e結(jié)和結(jié)和c1結(jié)結(jié)反向擊穿電壓高反向擊穿電壓高模擬集成

4、電路3 多發(fā)射極管和多集電極管多發(fā)射極管和多集電極管模擬集成電路4 二極管二極管晶體管制作時，只要開路或短路某一晶體管制作時，只要開路或短路某一PN結(jié)即得：結(jié)即得：模擬集成電路5 電阻電阻:金屬膜電阻金屬膜電阻:溫度特性好溫度特性好擴散電阻，擴散電阻，按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分：基區(qū)電阻基區(qū)電阻 50 100K 20%發(fā)射區(qū)電阻發(fā)射區(qū)電阻 11000 （電阻率低）（電阻率低）窄基區(qū)電阻窄基區(qū)電阻 電阻率高電阻率高 101000K 20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差?。ㄐ∮谡`差?。ㄐ∮?）模擬集成電路6 電容電容MOS電容：電容： 利用利用Si

5、O2保護層作絕緣介質(zhì)，用金屬板和半導(dǎo)體作保護層作絕緣介質(zhì)，用金屬板和半導(dǎo)體作電容極板電容極板電容量與氧化物厚度成反比，與極板面積成正比，單電容量與氧化物厚度成反比，與極板面積成正比，單位面積電容量不大但漏電較小，擊穿電壓較高位面積電容量不大但漏電較小，擊穿電壓較高模擬集成電路結(jié)電容：由反向PN結(jié)構(gòu)成，容量與結(jié)面積成正比，擊穿電壓低，漏電流大，但單位面積電容值高集成電路元件平面圖模擬集成電路二二 集成化元器件特點集成化元器件特點4 集成電路中的寄生參量存在會引起元件間的寄生耦集成電路中的寄生參量存在會引起元件間的寄生耦合，影響電路穩(wěn)定，使電路產(chǎn)生寄生振蕩合，影響電路穩(wěn)定，使電路產(chǎn)生寄生振蕩1 集

6、成電路工藝不能制作集成電路工藝不能制作電感電感，超過，超過100pF的大電容的大電容 因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用阻阻 容耦合容耦合，而采用，而采用直接耦合直接耦合2 電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般幾十幾十 至至幾幾 十十K ，盡量用，盡量用晶體管晶體管代替電阻電容代替電阻電容3 單個精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰單個精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰 元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對稱性好，元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對稱性好， 故大量采用故大量采用差放電路差放電路及放大倍

7、數(shù)取決于電阻比值的及放大倍數(shù)取決于電阻比值的 負反饋放大器負反饋放大器模擬集成電路第二節(jié) 集成差分放大電路（一）差分放大電（一）差分放大電路的組成：路的組成： 由對稱的兩個基本由對稱的兩個基本放大電路通過射極放大電路通過射極公共電阻公共電阻ReeRee耦合耦合構(gòu)成。構(gòu)成。一、差分放大電路的工作原理：一、差分放大電路的工作原理：模擬集成電路對稱對稱指兩個三極管特性一致、電路參數(shù)相等指兩個三極管特性一致、電路參數(shù)相等 R Rb1b1= R= Rb2 b2 = R= Rb, b, R Rc1 1= R= Rc2 2 = R= Rc, , 1 1= = 2 2 = = , , r rbe1be1= =

8、 r rbe2 be2 = = r rbe, be, I IbQ1bQ1= I= IbQ2, bQ2, IcIcQ1Q1= Ic= IcQ2,Q2, U Ube1be1= U= Ube2, be2, U Uc1 1= U= Uc2,2,信號輸入方式信號輸入方式雙端輸入：雙端輸入：輸入信號接在兩個輸入端間輸入信號接在兩個輸入端間單端輸入：單端輸入：輸入信號接在一個輸入端與地間，另一端接地輸入信號接在一個輸入端與地間，另一端接地差放輸出方式差放輸出方式雙端輸出（平衡輸出）：雙端輸出（平衡輸出）：輸出取自兩個集電極之間輸出取自兩個集電極之間單端輸出（不平衡輸出）：單端輸出（不平衡輸出）：輸出取自一個

9、集電極與地間輸出取自一個集電極與地間模擬集成電路差模信號：差模信號：是指在差放兩個輸入端接入兩個幅度相等、極性相反是指在差放兩個輸入端接入兩個幅度相等、極性相反的信號，記為，的信號，記為，U Uid1 ,id1 ,U Uid2 id2 U Uid1 id1 = -U= -Uid2 id2 = U= Uid id （二）對差模信號的放大作用（二）對差模信號的放大作用圖6-8(a) 雙端輸入雙端輸出差放Ie1Ie2模擬集成電路雙端輸入雙端輸出時：雙端輸入雙端輸出時： iebLfeidohRRhUUUdA)(2iebidididhRIUr)2/(LcLRRR Uo圖6-8（b）差模輸入等效電路不論單

10、端輸入還是雙端輸入，不論單端輸入還是雙端輸入， rid均為基本放大電路的兩倍均為基本放大電路的兩倍codRr2雙端輸出時，雙端輸出時， rod =2Rc/(2 /hoe)當當1/ hoe Rc時，時，1 差模電壓增益差模電壓增益AUd 2 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid3 差模輸出電阻差模輸出電阻rod模擬集成電路共模信號：共模信號： 是指在差放兩個輸是指在差放兩個輸入端接入兩個幅度入端接入兩個幅度相等、極性相同的相等、極性相同的信號，信號，（三）對共模信號的抑制作用（三）對共模信號的抑制作用圖610（a）共模電路Ie1Ie2記為：記為：U Uic1 ,ic1 ,U Uic2 ic2 U U

11、ic1 ic1 = U= Uic2 ic2 = U= Uicic 模擬集成電路0)(21icococicocUcUUUUUAeefeiebcfeicocicocUcRhhRRhUUUUA2)1 ()(21單eecUcRRA2)(單1 共模電壓增益Auc雙端輸出時，由于電路對稱，單端輸出時，當（1+hfe）*2Ree（Rb+hie）時，圖610 (b)共模輸入等效電路模擬集成電路單端輸出時，單端輸出時，雙端輸出時，雙端輸出時，eefeiebicicicRhhRIUr2)1 ()(11單2/2)1 ()(21eefeiebicicicicRhhRIIrr定義：定義：差放的差模增益與共模增益之比值的

12、絕對差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值值即即 CMMR=IACMMR=IAUdUd/A/AUcUcI I或或 CMMRCMMR（dBdB）=20=20lg IAg IAUdUd/A/AUcUcI I 雙端輸出時，雙端輸出時， CMMRCMMR可以認為等于無窮大可以認為等于無窮大單端輸出時單端輸出時 CMMRCMMR（單）（單）= lA= lAUdUd( (單單)/A)/AUcUc( (單單)l)l2 2 共模輸入電阻共模輸入電阻3 3 共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR動畫動畫6-1模擬集成電路輸入輸入U Ui1i1, , U Ui2 i2 可寫為：可寫為：U Ui1i1=(U=(Uic

13、1ic1 + U + Uid1id1) )U Ui2i2=(U=(Uic2ic2 + U + Uid2id2) )U Uic1ic1 = U = Uic2ic2 =(U =(Ui1 i1 +U+Ui2i2)/2)/2U Uid1id1 =- U =- Uid2id2 =(U =(Ui1i1 - U - Ui2i2)/2)/2若輸入為一對任意數(shù)值和極若輸入為一對任意數(shù)值和極性的信號，則可分解為一對性的信號，則可分解為一對差模信號和一對共模信號差模信號和一對共模信號（四）對任意輸入信號的分析（四）對任意輸入信號的分析圖611 典型差放電路動畫動畫6-2模擬集成電路（五）差放的輸入和輸出（五）差放的

14、輸入和輸出差放的差模工作狀態(tài)可分為四種：差放的差模工作狀態(tài)可分為四種：雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出（雙雙）（雙雙）雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出（雙單）（雙單）單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出（單雙）（單雙）單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出（單單）（單單）主要討論的問題有：主要討論的問題有：差模電壓增益差模電壓增益差模輸入電阻差模輸入電阻輸出電阻輸出電阻模擬集成電路 相當于相當于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 , 則可分解為一對差模信號則可分解為一對差模信號和一對共模信號。對和一對共模信號。對 “ 單雙單雙 ” 和和“ 雙雙雙雙 ” 狀態(tài)狀態(tài)1單端輸入方式：單端輸入方式：圖612

15、單端輸入、輸出方式iebLfeUdhRRhA2/LcLRRR AUc=0 Rid=2(Rb+hie) Rod=2Rc/(2/hoe)模擬集成電路2單端輸出方式：單端輸出方式：iebLfeUdhRRhA21)(單LcLRRR/eeLeefeiebLfeUcRRRhhRRhA22)1 ()(2iebidhRR)/1/(oebodhRR)/(iebeefehRRhCMRR負載一端接集電極之一 , 另一端接地， 對 “ 雙單 ” 和“ 單單 ”狀態(tài)模擬集成電路恒流源電路優(yōu)點：恒流源電路優(yōu)點：低的直流內(nèi)阻，高的動態(tài)內(nèi)阻低的直流內(nèi)阻，高的動態(tài)內(nèi)阻二、恒流源差分放大電路二、恒流源差分放大電路22332RIU

16、RIUDbe忽略忽略T3基極電流，則基極電流，則)/()2(2121RRUEIIDe21,RRUUDbe)(2/(333恒定REIIec)1 (13333333RhRRhhriebfeoeo故可利用恒流源輸出等效高阻代替實體電阻有源負載故可利用恒流源輸出等效高阻代替實體電阻有源負載等效輸出電阻等效輸出電阻圖613 恒流源差放模擬集成電路三三 組合差分輸入級組合差分輸入級(一一) 共射共射-共基組合差放共基組合差放31/UUioUdAAUUA1/1311ebebUrrA1212bebebeidrrrr)2/(/0533533ToeboUUIrrrAITITIT165)(2ITIIo2圖614(a

17、) 共射共基差放T1 ,T2 -共射電路共射電路T3 ,T4 -共基電路共基電路并完成單端雙端輸出轉(zhuǎn)換并完成單端雙端輸出轉(zhuǎn)換T5 ,T6 - T3 ,T4集電極有源負載，集電極有源負載，模擬集成電路(二二) 共集共集-共基差放電路共基差放電路)4/(TcoUdURIAoTidIUr/8121,TT43,TT-高高值值NPN管管-低低橫向橫向PNP管管特點：特點：輸入電阻高，電流和電輸入電阻高，電流和電壓增益大。壓增益大。又稱為互補差分電又稱為互補差分電路。路。（利用（利用NPN管管大彌補大彌補PNP管管小，利用小，利用PNP管反向擊穿電壓管反向擊穿電壓高提高差模輸入電壓范圍。高提高差模輸入電壓

18、范圍。)圖圖614(b) 共集共基差放共集共基差放模擬集成電路四四 共模負反饋差放共模負反饋差放兩級共模負反饋兩級共模負反饋第一級：第一級：T1、 T2、 T3構(gòu)構(gòu)成恒流源差放成恒流源差放第二級：第二級：T4、T5構(gòu)成典構(gòu)成典型差放型差放R1、R2構(gòu)成兩級電流負構(gòu)成兩級電流負反饋，抑制共模信號反饋，抑制共模信號圖圖615 共模負反饋差放共模負反饋差放模擬集成電路4222251111eccbiceccbicIUIIUIUIIU2132cceRIIIU4222251111eccbideccbidIUIIUIUIIU02RU對差模信號無負反饋作用對差模信號無負反饋作用抑制共模信號過程抑制共模信號過程

19、模擬集成電路五五 差放的傳輸特性差放的傳輸特性傳輸特性：傳輸特性：輸出集電極電流輸出集電極電流Ic與輸入差模電壓與輸入差模電壓Ui的函數(shù)關(guān)系及的函數(shù)關(guān)系及輸出電壓輸出電壓Uo與差模電壓與差模電壓Ui的函數(shù)關(guān)系的函數(shù)關(guān)系(一一) Ic 隨隨Ui的變化曲線的變化曲線)1 (/12112TBEBEUUUEEEoeiiiIiBEBEUUU21)1 ()1 (/2/1TiTiUUEUUEoeieiI2211,EcEciiii)1/(/1TiUUoceIi)1/(/2TiUUoceIi圖圖616 恒流源差放恒流源差放模擬集成電路(二二 )Uo與與Ui關(guān)系曲線關(guān)系曲線cccccoRIIUUU)(1221)2

20、/(tanhTicoUURI圖617 傳輸特性傳輸特性模擬集成電路5)在在T1 、 T2管接入射極電阻管接入射極電阻Re會使傳輸特性線性范圍會使傳輸特性線性范圍加寬。加寬。結(jié)結(jié)論論1) 當輸入信號當輸入信號Ui 0時（靜態(tài)工作點時（靜態(tài)工作點Q)，差放處，差放處于平衡狀態(tài)，于平衡狀態(tài)， Ic1 Ic2 0.5 I0 ， Uo0。2) 在在Ui = UT =25mV范圍內(nèi)，范圍內(nèi)， Uo與與 Ui成線性關(guān)成線性關(guān) 系。這一范圍系。這一范圍(約約50mV)即小信號工作線性放大區(qū)。即小信號工作線性放大區(qū)。3)當當Ui 2 UT時，時， Ic1 、 Ic2基本恒定不變，稱基本恒定不變，稱為大信號限幅特

21、性為大信號限幅特性4)兩管集電極電流之和兩管集電極電流之和 Io為一常數(shù)，故一管電流為一常數(shù)，故一管電流增大，另一管電流必然減小。增大，另一管電流必然減小。模擬集成電路一一 鏡像電流源電路鏡像電流源電路（一）基本恒流源（一）基本恒流源第三節(jié) 電流模電路則基準電流則基準電流/211211cbbcrIIIII若若Ib1= Ib2, Ic1 = Ic2, 21若若1,則有則有RUEIIbecrc/ )(1因為因為T1 、 T2構(gòu)造相同，構(gòu)造相同， Ube相同，所相同，所以以Ic相同。稱為相同。稱為鏡像電流源電路鏡像電流源電路。電路優(yōu)點：電路優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，兩管參數(shù)對稱符結(jié)構(gòu)簡單，兩管參數(shù)對稱符合集成

22、電路特點。合集成電路特點。電路缺點：電路缺點： Ic1數(shù)值仍受電源電壓、數(shù)值仍受電源電壓、R和和Ube影響，且不易得到小電流（影響，且不易得到小電流（A級級)圖619 基本電流源模擬集成電路（二）比例恒流源（二）比例恒流源22211111RIURIURIUeberbeebe)/ln(111scTbeIIUU221122/ )/ln(RIIURIIIccTrec)/ln(222scTbeIIUU1.在基本恒流源的在基本恒流源的T1 、T2管接入管接入射極電阻射極電阻R1 、R2 ，)/ln(211ccTrIIURI)/(2120RRIIIrc當當Ic1 =(510) Ic2時，時，圖圖620(a

23、) 比例恒流源比例恒流源模擬集成電路2.改變基本恒流源的改變基本恒流源的T1 、T2 管的發(fā)射區(qū)面積管的發(fā)射區(qū)面積Se -發(fā)射區(qū)面積發(fā)射區(qū)面積W-基區(qū)寬度基區(qū)寬度N-基區(qū)雜質(zhì)濃度基區(qū)雜質(zhì)濃度TbeUUeseeII/WNSIees2121212121eeeseseeccSSIIIIIIrccoIIII2212圖620(b) 比例恒流源模擬集成電路（三）微電流源（三）微電流源（Wildar電流源）電流源）2221RIUUebebe)/ln(21212222eeTbebeecIIUUURIRI)/ln(111eseTbeIIUU)/ln(221eseTbeIIUU21esesII設(shè)計時一般先定設(shè)計時

24、一般先定Ir 、 Ic1值，再值，再確定確定R2值值圖621 微電流源模擬集成電路（四）閉環(huán)負反饋電流源（四）閉環(huán)負反饋電流源威爾遜電流源威爾遜電流源)2/(21 (23crII221123/ccceIIII33131/ccbcrIIIII21ccII)1/(3333ecII如圖：如圖：若若T1 、T2 、T3特性一致，可得：特性一致，可得：由上式可看出，由上式可看出， 變化對保變化對保持持 影響較小，故影響較小，故此種電路傳輸精度高。此種電路傳輸精度高。rcoIII3圖圖622 閉環(huán)負反饋電流源閉環(huán)負反饋電流源模擬集成電路（五）多路恒流源（五）多路恒流源)1/() 1(borInII如圖如圖

25、(a)，各管特性一致，則：，各管特性一致，則：n越大，越大，越大，故可采越大，故可采用用(b)電路以使電路以使Io與與Ir接近接近相等。此時：相等。此時：021oonoocIIIIIborInII) 1( broInII) 1( 圖圖623 多路基本恒流源多路基本恒流源模擬集成電路二二 跨導(dǎo)線性電路跨導(dǎo)線性電路（一）跨導(dǎo)線性的基本概念)/exp(TbescUUII TcmbecUIgdUdI/上式表明理想雙極晶體管跨導(dǎo)上式表明理想雙極晶體管跨導(dǎo)gm是集電是集電極電流極電流Ic的線性函數(shù)，稱為的線性函數(shù)，稱為跨導(dǎo)線性跨導(dǎo)線性(TL)模擬集成電路（二）跨導(dǎo)線性（二）跨導(dǎo)線性(TL)回路原理回路原理

26、)41)(/ln(iIiUUsiiTbei)/(ln)/(ln31314242ssTssTIIiiUIIiiU3142bebebebeUUUU3142iiii由圖，回路方程為由圖，回路方程為其中：其中：則有：則有：sssssIIIII4321控制發(fā)射區(qū)尺寸控制發(fā)射區(qū)尺寸使使則有：則有：TL回路回路：含有偶數(shù)個正偏發(fā)射結(jié)的閉合回路?；睾信紨?shù)個正偏發(fā)射結(jié)的閉合回路?；芈分许槙r針方向排列的正偏路中順時針方向排列的正偏PN結(jié)數(shù)目與結(jié)數(shù)目與反時針方向排列的正偏反時針方向排列的正偏PN結(jié)數(shù)目相等。結(jié)數(shù)目相等。在在TL回路中，若順時針方向排列的正偏回路中，若順時針方向排列的正偏PN結(jié)數(shù)目與反結(jié)數(shù)目與反時針

27、方向排列的正偏時針方向排列的正偏PN結(jié)數(shù)目相等，則順時針正偏結(jié)數(shù)目相等，則順時針正偏PN結(jié)的各電流乘積等于反時針正偏結(jié)的各電流乘積等于反時針正偏PN結(jié)的各電流乘積。結(jié)的各電流乘積?？鐚?dǎo)線性回路原理：跨導(dǎo)線性回路原理：圖圖6-24 TL回路回路模擬集成電路（三）由跨導(dǎo)線性回路構(gòu)成的電流放大器yIii232)1 (1xIix)1 (4xIix1.A回路電流放大器圖中，輸入為T1 、T4 ，其靜態(tài)電流為Ix ，輸入差模電流是在Ix基礎(chǔ)上變化x,輸入電流：T2 、 T3管的靜態(tài)電流為Iy圖625(a) A回路電流放大器模擬集成電路xyidodIdIIiiA/可得：可得：)1 (2xIiy)1 (3xI

28、iy3142iiii)1 ()1 (23xIixIixx即即xidxIiii241yodxIiii232輸入差模電流：輸入差模電流：輸出差模電流：輸出差模電流：模擬集成電路2.B回路電流放大器回路電流放大器xIxi)1 (1xIxi)1 (2輸入差模信號：輸入差模信號：yIIi243輸出：輸出：yIxi)1 (4yIxi)1 (3同理可得：同理可得：xxIii221yxIii234輸入差模電流：輸入差模電流：輸出差模電流：輸出差模電流：xyIdIIiiiiA/)/()(2134與與A回路相比，輸入輸出電流極性相反。回路相比，輸入輸出電流極性相反。圖圖625(b)B回路電流放大器回路電流放大器模

29、擬集成電路（四）兩級可變增益電流放大器圖626 兩級電流放大器模擬集成電路nepeInIIIA)()/(epeIdIIIA每一級的電流增益為每一級的電流增益為模擬集成電路設(shè)計低頻功放應(yīng)考慮以下幾個特殊問題：設(shè)計低頻功放應(yīng)考慮以下幾個特殊問題：1.轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率： Po/ PDc2.非線性失真：非線性失真：在大信號下，晶體管、變壓器等非線性元件在大信號下，晶體管、變壓器等非線性元件的特性不能看成線性，而是非線性的，故非線性失真不可忽略的特性不能看成線性，而是非線性的，故非線性失真不可忽略。3.晶體管的安全運用：晶體管的安全運用：在功放中，晶體管工作時電壓、電在功放中，晶體管工作時電壓、電流幅度

30、變化大，接近極限運用，故應(yīng)保證晶體管各電流、電壓流幅度變化大，接近極限運用，故應(yīng)保證晶體管各電流、電壓及集電極耗散功率不超過規(guī)定值。及集電極耗散功率不超過規(guī)定值。第四節(jié) 功率輸出級電路功率放大器：功率放大器：放大設(shè)備中直接與負載相連并向負載提供放大設(shè)備中直接與負載相連并向負載提供信號功率的輸出級及其推動電路信號功率的輸出級及其推動電路工作原理：工作原理：實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換器。即在輸入信號控制下，實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換器。即在輸入信號控制下，通過晶體管的作用將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號通過晶體管的作用將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號功率。功率。模擬集成電路三極管的工作狀態(tài)三極管根據(jù)導(dǎo)通時間可分為如下

31、四個狀態(tài)，如圖所示。 甲類-三極管360導(dǎo)電；特點：非線性失真小，但效率最低； 甲乙類-三極管180360導(dǎo)電；特點：兼有甲類失真小和乙類效率高的優(yōu)點； 乙類-三極管180導(dǎo)電；特點：失真較大，但效率較高； 丙類-三極管180導(dǎo)電；特點：失真最大，效率更高，只用于高頻放大器。模擬集成電路甲乙類180360導(dǎo)電乙類180導(dǎo)電 圖17.01 三極管的四種工作狀態(tài)丙類0且且U i U be0,U 0 03) U i U be0 , T 1 導(dǎo)通導(dǎo)通,T 2截止截止, Uo U i4) U i U i1 = E c+ Ube1 -Uces1時時, T 1 飽和飽和,突變?yōu)樗骄€突變?yōu)樗骄€, U i

32、為負電壓時為負電壓時,相應(yīng)為對稱部相應(yīng)為對稱部分分圖圖6-31 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性圖中圖中: U 01= E c-Uces1 U 02= E c+ Ube1 -Uces1模擬集成電路 嚴格說，輸入信號嚴格說，輸入信號很小時，達不到三極管很小時，達不到三極管的開啟電壓，三極管不的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負半導(dǎo)電。因此在正、負半周交替過零處會出現(xiàn)一周交替過零處會出現(xiàn)一些些非線性失真非線性失真，這個失，這個失真稱為真稱為交越失真交越失真。如圖。如圖所示。所示。輸入信號很大時輸入信號很大時, T1 、 T2進入飽和進入飽和,造成輸出信號頂部失真造成輸出信號頂部失真,稱為稱為飽和失真。飽和失真。

33、模擬集成電路三三 甲乙類功率輸出級甲乙類功率輸出級(一一)雙電源甲乙類輸出級雙電源甲乙類輸出級1 甲乙類工作原理甲乙類工作原理 由于有由于有U b1 ,U 02給給T 1 ,T 2提供正向小偏壓提供正向小偏壓,使使T 1 ,T 2接近導(dǎo)通接近導(dǎo)通,在在U i= Ubeo范圍內(nèi)有輸出范圍內(nèi)有輸出跟隨電壓跟隨電壓,可避免交越可避免交越失真失真圖圖6-32（a）甲乙類輸出級）甲乙類輸出級原理圖原理圖模擬集成電路6-32(b) 甲乙類推挽輸出級轉(zhuǎn)移特性原理Ui=0處，處，T1與與T2處于導(dǎo)通，處于導(dǎo)通，使整個轉(zhuǎn)移特性曲線在工使整個轉(zhuǎn)移特性曲線在工作區(qū)域的斜率接近于己于作區(qū)域的斜率接近于己于人，從而克服

34、交越失真的人，從而克服交越失真的影響影響模擬集成電路2.互補推挽輸出級T 3 -共射激勵級,可提高輸入信號電壓幅度;T 1 ,T 2 -互補推挽輸出級D 1 ,D 2 -給T 1 ,T 2提供小偏壓圖6-33 互補輸出級模擬集成電路3.準互補推挽輸出級復(fù)合管復(fù)合管:兩只導(dǎo)電類型相同的管子組成兩只導(dǎo)電類型相同的管子組成,復(fù)合后管子導(dǎo)電類型不變復(fù)合后管子導(dǎo)電類型不變.T 1A ,T 1B -NPN型復(fù)合管型復(fù)合管T 2A ,T 2B -PNP型復(fù)合管型復(fù)合管復(fù)合管極性決定于小功率管復(fù)合管極性決定于小功率管T 1A ,T 2A,輸出特性決定于大功率管輸出特性決定于大功率管T 1B ,T 2B,復(fù)合管

35、電流放大倍數(shù)為復(fù)合管電流放大倍數(shù)為T 1A ,T 1B兩管電流放大倍數(shù)乘積兩管電流放大倍數(shù)乘積U B1-2 =I R2 (R 1 +R 2 )=Ube4 (1+R 1 /R 2)上兩種電路負載上兩種電路負載R L可直接連到功放輸出可直接連到功放輸出,不用耦合電容不用耦合電容,稱為稱為OCL電路電路.模擬集成電路圖6-34 準互補輸出級模擬集成電路(二)單電源甲乙類推挽輸出級(OTL)T 3 -共射激勵級,電壓放大;T 1 ,T 2 -推挽功率輸出級;D 1 ,D 2 -提供小偏壓;T 4 ,T 5 -輸出過載保護電路圖6-35 OTL電路模擬集成電路 運算放大器由直接耦合多級放大電路集成制運算

36、放大器由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它的方框圖如圖造的高增益放大器，它的方框圖如圖6-366-36所示。所示。圖圖 6-36 運放組成及符號運放組成及符號第五節(jié) 集成運算放大器模擬集成電路 1.輸入級輸入級:高性能的差動放大電路。運放有高性能的差動放大電路。運放有兩兩個輸入端個輸入端，一個稱為，一個稱為同相輸入端同相輸入端，即該端輸入信，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號號變化的極性與輸出端相同，用符號U表示表示，另一個稱為，另一個稱為反相輸入端反相輸入端，即該端輸入信號變化，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號的極性與輸出端相異，用符號U表示。表示。 4.恒

37、流源偏置恒流源偏置可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。 3.低阻輸出級低阻輸出級由由PNP和和NPN兩種極性的三極兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電管或復(fù)合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.中間放大級：中間放大級：提供高的電壓增益，以保提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。多為差動電路和帶有源證運放的運算精度。多為差動電路和帶有源負載的高增益放大器。負載的高增益放大器。模擬集成電路6-37集成運放F741(F007)電路原

38、理模擬集成電路一一.通用型集成運放通用型集成運放F007電路原理電路原理 由輸入級、中間級、輸出級、恒流偏置構(gòu)成。由輸入級、中間級、輸出級、恒流偏置構(gòu)成。優(yōu)點：優(yōu)點：輸入阻抗高，共模范圍大，開環(huán)增益高，輸入阻抗高，共模范圍大，開環(huán)增益高，工作穩(wěn)定，輸出有短路保護工作穩(wěn)定，輸出有短路保護。模擬集成電路(一一)恒流源偏置電路恒流源偏置電路T8、 T9、 T10、 T11、 T12、 T13、 R4、 R5為偏置電路， T11、 T12、 R5形成偏置電路的基準電流Ir552REERUEEIecbeecr圖639 恒流偏置模擬集成電路3.閉環(huán)恒流偏置閉環(huán)恒流偏置T10、 T11、 R4連成的小電連成

39、的小電流恒流源帶動由橫向流恒流源帶動由橫向PNP管管T8、 T9組成的恒流源，組成的恒流源，并為并為 T3、 T4提供基極電流。提供基極電流。1.基本恒流源電路基本恒流源電路T12所帶動的恒流源所帶動的恒流源 T13是雙集是雙集電極橫向電極橫向PNP管管2.微電流源電路微電流源電路由由NPN對管對管T10、 T11組組成，可提供一微小恒定成，可提供一微小恒定電流電流 Ic10圖圖639 恒流偏置恒流偏置模擬集成電路(二二)輸入級電路輸入級電路由由T1 T7、R1 R3構(gòu)成，構(gòu)成，其中：其中：T1、 T2和和 T3、 T4 接成共集接成共集共基組合差分電路，共基組合差分電路， T3、 T4 的輸

40、入阻抗分別作為的輸入阻抗分別作為 T1、 T2 的射極阻抗；的射極阻抗；T5、 T6是是 T3、 T4 的有源負載，的有源負載，兼有雙端變單端作用；兼有雙端變單端作用；T7作用是減小作用是減小 T5、 T6兩管電兩管電流差別，流差別， R3用來增大工作電流，用來增大工作電流，從而提高從而提高值；值；圖640 輸入級電路模擬集成電路電路特點電路特點1.PNP對管對管T3、 T4 具有高的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)擊穿電具有高的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)擊穿電壓壓,這可使這可使F007的最大差模輸入電壓大于的最大差模輸入電壓大于30V;2.具有較高的差模輸入電阻具有較高的差模輸入電阻3.由于由于T7的耦合作用的耦合作用,

41、使單端輸出具有雙端輸出的差使單端輸出具有雙端輸出的差模增益模增益;4.由于由于T7的耦合的耦合,使單端輸出具有雙端輸出抑制共模使單端輸出具有雙端輸出抑制共模信號的效果信號的效果.模擬集成電路(三三)中間級中間級由由T16、 T17 、 T23組成組成T16 -射極跟隨器射極跟隨器,在輸入在輸入級與中間增益級間起緩沖級與中間增益級間起緩沖作用作用;T17 -共射電路共射電路,中間增益中間增益級級, T13B為集電極有源負載為集電極有源負載;T23 -射隨器射隨器,作有源負載。作有源負載。圖圖641 中間放大級中間放大級模擬集成電路(四四)輸出級及其保護電路輸出級及其保護電路T19 、T20為互補

42、輸出為互補輸出級級T14 、T15給給T19 、T20提供偏壓提供偏壓,消除交越消除交越失真失真.過載保護電路過載保護電路T15、T21 、R6 、R7 、 T22、T24及及T23的發(fā)射的發(fā)射結(jié)結(jié)D1。圖圖642 輸出級及其保護電路輸出級及其保護電路模擬集成電路(五五)調(diào)零及相位補償調(diào)零及相位補償Rw -調(diào)零電位器調(diào)零電位器,使使Ui =0時時, Uo =0;C=30pF-相位補償電相位補償電容容,防止閉環(huán)時產(chǎn)生自防止閉環(huán)時產(chǎn)生自激振蕩激振蕩.圖圖638 F007 外部連接外部連接模擬集成電路二 集成運放參數(shù)及相位補償技術(shù) (一)集成運放的主要特性參數(shù)1.傳輸參數(shù)傳輸參數(shù)1)差模電壓增益差模

43、電壓增益AUd =|Uo /Uid|或或AUd (dB)=20lg|Uo /Uid|2)輸入電阻輸入電阻RidAUd =Uid /Iid3)輸出電阻輸出電阻Ro4)共模輸入電阻共模輸入電阻Ric 5)共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR =|AUd /AUc|模擬集成電路6)頻率帶寬頻率帶寬截止頻率截止頻率fo -運放開環(huán)增益下降到直流增益的運放開環(huán)增益下降到直流增益的0.707倍倍對應(yīng)頻率對應(yīng)頻率;單位增益帶寬單位增益帶寬fc -運放開環(huán)增益下降到運放開環(huán)增益下降到1時頻帶寬度時頻帶寬度;對單極點系統(tǒng)對單極點系統(tǒng),有有AUd fo = fc7)差模輸入電壓范圍差模輸入電壓范圍Udm8)共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍Ucm模擬集成電路 1.1.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uos 2.輸入偏置電流輸入偏置電流 Ib 3.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流Ios2. 失調(diào)誤差參數(shù)失調(diào)誤差