第6章模擬集成電路ppt課件

1、一、集成電路一、集成電路(integrated circuit)(integrated circuit)： 在半導體制造工藝基礎上，把整個電路在半導體制造工藝基礎上，把整個電路中的器件電阻、電容、三極管等制造在一中的器件電阻、電容、三極管等制造在一塊塊Si Si 基片上，并引出相應的引線，構成特定功基片上，并引出相應的引線，構成特定功能的電子電路。能的電子電路。如：運放、各種芯片等。如：運放、各種芯片等。6 模擬集成電路模擬集成電路二、按功能分類：二、按功能分類：模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路三、集成度：三、集成度：小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路SSISSI）102102 中規(guī)

2、模集成電路中規(guī)模集成電路MSI）103大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路LSILSI）105105105、 ( (如：如：CPU 310CPU 310萬萬-330-330萬萬) )Intel 奔騰奔騰4四、集成電路的工藝特點：四、集成電路的工藝特點：（5 5不能制造電感，如需電感，也只能外接。不能制造電感，如需電感，也只能外接。 （4 4只能制作幾十只能制作幾十pFpF以下的小電容。因而，集成放大器都以下的小電容。因而，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（3 3不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源

3、負載源負載 （2 2集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。在毫瓦以下。 （1 1元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結構的電路。利于實現(xiàn)需要對稱結構的電路。1.1.掌握差放的結構、原理及掌握差放的結構、原理及Q Q點、動態(tài)指標的計算。點、動態(tài)指標的計算。 2.2.了解差動放大器抑制零點漂移的原理。了解差動放大器抑制零點漂移的原理。 3.3.了解鏡像電流源、微電流源的組成及工作原理。了解鏡像電流源、微電流源的組成及工作原理。 4.4.了解集成運算放大器的組成及工作

4、原理。了解集成運算放大器的組成及工作原理。 6 模擬集成電路模擬集成電路5.5.了解集成運算放大器的主要參數(shù)。了解集成運算放大器的主要參數(shù)。 基本要求基本要求6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術模擬集成電路中的直流偏置技術6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.3 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.4 特殊的集成運放特殊的集成運放6 模擬集成電路模擬集成電路6.5 模擬乘法器模擬乘法器要求：提供恒定電流要求：提供恒定電流IO，且有大的交流電阻，且有大的交流電阻其兩端電壓變化時，其兩端電壓變化時， IO保持恒定。保持恒定。+Iorov_-ro 6.1集成電路中的電流源二、恒流特性二、恒流特

5、性BE1BE2=VVREFREFI2IE1E2= IIC1C2= IIRVV=BECCRVCC一、電路組成一、電路組成三極管三極管T1、T2對稱對稱6.1.1 鏡像電流源鏡像電流源P258）結論：結論： 無論無論Rc值如何值如何, IC2電流值保持不變前提：電源要穩(wěn)定）電流值保持不變前提：電源要穩(wěn)定）當當較小時，可用較小時，可用帶緩沖級的鏡像電流源帶緩沖級的鏡像電流源增加增加T0，使，使IC更加接近更加接近IREF三、鏡像電流源特點三、鏡像電流源特點3. 電流最低至電流最低至mA級。級。1內阻內阻ro一般在幾百千歐以上一般在幾百千歐以上2. 電流受電源波動影響大；電流受電源波動影響大；4. 具

6、有溫度補償特性。具有溫度補償特性。e2BE2BE1RVV E2C2II e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小也很小一、電路特點一、電路特點二、工作原理二、工作原理 （Re2 K級）級）2受電源波動影響?。皇茈娫床▌佑绊懶。?3IC2 uA級；級；優(yōu)點：優(yōu)點： 1內阻內阻ro一般在幾百千歐以上一般在幾百千歐以上6.1.2微電流源微電流源P259）4. 具有溫度補償特性。具有溫度補償特性。T1、T2、T3的基極并聯(lián)。的基極并聯(lián)。電路用一個基準電流電路用一個基準電流IREF獲得了多個電流輸出。獲得了多個電流輸出。 6.1.3多路電流源：多路電流源：1REFE1C1eeRRI

7、II2REFE2C2eeRRIII3REFE3C3eeRRIII放大管放大管提供直流偏置提供直流偏置作為有源負載作為有源負載6.1.4 電流源作用電流源作用鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源例例P315 6.1.1舉例：舉例：P282 集成運放集成運放微電流源微電流源直流偏置直流偏置 鏡像電流源鏡像電流源有源負載有源負載 電流源電流源直流偏置直流偏置6.1.5 FET電流源電流源P260）一、一、 MOSFET鏡像電流源：鏡像電流源：二、二、 MOSFET多路電流源：多路電流源：三、三、 JFET電流源：電流源：(與與BJT電流源比較，自學，理解電流源比較，自學，理解

8、)6.2 6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.2.1 直接耦合放大電路的特殊問題直接耦合放大電路的特殊問題1.前后級前后級Q點相互影響點相互影響特殊問題特殊問題:若第一級漂了若第一級漂了100 uV，則輸出漂移則輸出漂移 1 V。若第二級也漂了若第二級也漂了100 uV，則輸出漂移則輸出漂移 10 mV。假設假設。 1= 100,=V3V2AAF 采用差分式放大電路采用差分式放大電路漂移漂移 1 V+ 10 mV 100,=V1A2.零點漂移零點漂移F 1=2= F rbe1= rbe2= rbe 兩個兩個BJT特性一致，參數(shù)相等。特性一致，參數(shù)相等。F VBE1=VBE2= VBE 1.

9、 電路組成電路組成 差放一般有兩個輸入端：差放一般有兩個輸入端：雙端輸入雙端輸入兩輸入端同時加信號兩輸入端同時加信號單端輸入單端輸入一輸入端對地加信號一輸入端對地加信號 差放可以有兩個輸出端:雙端輸出從C1 和C2輸出。單端輸出從C1或C2 對地輸出。6.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路C1C26.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路1. 電路組成電路組成 根據輸入、輸出方式不同，根據輸入、輸出方式不同，可分為四種工作方式可分為四種工作方式: :雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、雙端輸出； 雙端輸入、單端輸出；雙端輸入、單端輸出； 單端輸入、單端輸出；單端輸入、單端輸出； 單端

10、輸入、雙端輸出；單端輸入、雙端輸出； C1C2恒流源的作用恒流源的作用相當于阻值很大的電阻。相當于阻值很大的電阻。6.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路2. 工作原理以雙端輸入、雙端工作原理以雙端輸入、雙端輸出為例輸出為例(1)靜態(tài)分析靜態(tài)分析( vi1=vi2 =0)0CC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)7 . 0(CCCC RIV CCRIEVCB2B1III0=C2C1OVVVc1(2) (2) 動態(tài)分析：動態(tài)分析：ui1tuBE1tUBEtiB1IB vC = UCC iC RC vC1tUCE？iC1tICuBE2tUBEtiB2IBvC2tUCE？iC2

11、tICui2t兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1 即對差模信號有放大能力。即對差模信號有放大能力。ui1tuBE1tUBEtiB1IBvC1tUCE？ vC = UCC iC RC iC1tICui2tuBE2tUBEtiB2IBvC2tUCE？iC2tIC 兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2

12、mV 可分解成可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV: ui1 = 8 mV + 2 mV 這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。系統(tǒng)中是常見的。 3. 差放抑制零漂差放抑制零漂 溫度變化和電源電壓波溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流變化。動，都將使集電極電流變化。且變化趨勢相同且變化趨勢相同 差分式放大電路對共差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。模信號有很強抑制作用。 其效果相當于在兩輸入其效果相當于在兩輸入端加入了共模信號。端加入了共模信號。6.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路4. 差分式放大電路中的一

13、般概念差分式放大電路中的一般概念差分式放大電路輸入輸出結構示意圖差分式放大電路輸入輸出結構示意圖+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vodi2i1id=vvv 差模信號差模信號)(21=i2i1icvvv 共模信號共模信號idodVD=vvA差模電壓增益差模電壓增益icocVC=vvA共模電壓增益共模電壓增益差模信號輸出差模信號輸出共模信號輸出共模信號輸出兩個輸入信號的差值兩個輸入信號的差值兩個輸入信號的算術平均值兩個輸入信號的算術平均值根據以上兩式可以得到根據以上兩式可以得到2=idici1vvv 2=idici2vvv 總輸出電壓總輸出電壓icVCidVDvAvA

14、 ocodo=vvv 差分式放大電路輸入輸出結構示意圖差分式放大電路輸入輸出結構示意圖+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod5.5.主要技術指標計算主要技術指標計算(P265)(P265)idici1v21v=vidici2v21v=v差模電壓增益差模電壓增益差模輸入電阻差模輸入電阻單單(雙雙)出輸出電阻出輸出電阻共模電壓增益共模電壓增益共模輸入電阻共模輸入電阻單單(雙雙)出輸出電阻出輸出電阻c1c2ic2ic1idoVD=VVA雙端輸入，差模信號為：雙端輸入，差模信號為：v i1= -vi2 = vid /2交流通路交流通路: : 電流源電流源 I O I O

15、+VCC +VCC 、-VEE -VEE 交流短接交流短接1. 1. 差模電壓增益差模電壓增益(1) (1) 雙入雙出雙入雙出AVD(P265)AVD(P265)idoVD=VVAo12i12=oiVVVVo11i112=2oiVVVVbecV1rR= A（單邊電路增益）（單邊電路增益）有負載有負載RL 時：時：beLVDrR=AL/2/CLRRR負載開路負載開路 時：時：=LRoo2LVD2idi2beVVRA=V-22Vr(2) 雙入單出雙入單出AVD ：oVD1id=VAV2i1o1=iVVV22=1i1o1vAVVLbeR=2r)R/RR(LCLicoVC=VVA雙端輸入，共模信號為：

16、雙端輸入，共模信號為：vi 1=vi 2 =vi c交流通路交流通路: 電流源電流源 I O +VCC 、 -VEE交流短接交流短接等效變換電路：等效變換電路：2.2.共模電壓增益共模電壓增益c1c2(1) 雙入雙出雙入雙出AVCvi 1=vi 2 =vi C T1、T2電路對電路對稱稱vO1=vO 2vO= vO1-vO 2 =0icoVC=VVA=0結論：結論： 雙入雙出時差放抑制零漂能力最強雙入雙出時差放抑制零漂能力最強(2) 雙入單出雙入單出AVC vi 1=vi 2 =vi c vO= vO1i1o1=VVLCbR/RI-=VVO1Oobebr21rI=Vi1o1VCic1/=12o

17、CLibeoVVRRAVVrr icoVC=AVV3.3.單端輸入差分式放大電路：單端輸入差分式放大電路：結果自行分析結果自行分析 P266 P2664. 4. 共模抑制比共模抑制比VCVDCMRAAK dB lg20VCVDCMRAAK 雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況 CMRK單端輸出單端輸出 CMRKVC1VD1AAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越強越強6.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路 (1)差模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關： 差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結 雙端輸出時：beLcd)2/(rRRAv 單端輸出時：b

18、eLcd2/rRRAv (2)共模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關： 雙端輸出時： 單端輸出時：0vcAeLc2RRAv6.2.2 基本差分式放大電路基本差分式放大電路 (3)差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。coRR co2RR beid2 rR單端輸出時，單端輸出時，雙端輸出時，雙端輸出時，(5)(5)共模抑制比共模抑制比 (4) 輸出電阻 差分式放大電路幾種接法的性能指標比較：差分式放大電路幾種接法的性能指標比較： 參考教材：參考教材：P270 表表6.2.16.2.3 FET差分式放大電路：差分式放大電路：P27

19、2，自學，自學6.2.4 差分式放大電路傳輸特性：差分式放大電路傳輸特性：P277，自學，自學集成運算放大器：是一種高放大倍數(shù)、高輸入集成運算放大器：是一種高放大倍數(shù)、高輸入 電阻、低輸出電阻的直接耦電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路合放大電路電路方框圖電路方框圖中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級主要提高帶負載能力，給出輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro

20、小。小。6.3 集成電路運算放大器集成電路運算放大器通用型集成電路運算放大器通用型集成電路運算放大器u-u+ uo 反相輸入端反相輸入端 u同相輸入端同相輸入端 u+ 輸出端輸出端 uo國內外常用符號：國內外常用符號：國家標準符號：國家標準符號：集成運放的特點：集成運放的特點：電壓增益高電壓增益高輸出電阻小輸出電阻小輸入電阻大輸入電阻大1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 A

21、uo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調電壓輸入失調電壓 UIO4. 輸入失調電流輸入失調電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB集成電路運算放大器的主要參數(shù)集成電路運算放大器的主要參數(shù)運算放大器外形圖運算放大器外形圖運算放大器外形圖運算放大器外形圖6.4 特殊集成運算放大器一.高速型和寬帶型二.

22、高精度(低漂移型）三.高輸入阻抗型四.低功耗型五.功率型 用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 sV/201=RSMHz20=BWGSRV/2200=SZHMH600fSRV/0018=SZMH8000BWGSRV/17=SSRV/05=SZMH63BWGZMH20BWG一.高速型和寬帶型 用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。 例如： OP177 CF714 CpA/5 . 1ddCV/03. 0ddnA3 . 0V4IOIOIOIOTITVIVCpA/128ddCV/5 . 03 . 0ddnA8 . 04 . 0V6030IOIOIOIOTITVIV二.高精度(低漂移型） 用于測量設備及采樣保持電路中。 例如： AD549 CF155/255/355 13idBI10Ap040. 0RI12i