模電06集成在半導體制造工藝的基

1、在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件及其連接導線，制作在一塊硅片上，能的電子電路，稱為集成電路。特定功集成電路按其功能來分，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生和處理各種數(shù)字信號，模擬集成電路用來產(chǎn)生和處理各種模擬信號。模擬集成電路一般由一塊厚約0.20.5mm2的P型硅支撐，這種硅片是集成電路的基片?；峡梢宰龀砂瑪?shù)十個或更多個BJT、FET、電阻和連接導線的電路。其外形一般有金屬圓 殼和雙列直插結(jié)構。模擬集成電路的種類很多，有集成運算放大器（簡稱運放），集率放大器，集成模擬乘法器，集成穩(wěn)壓器等等。集成運算放大器應用最為廣泛。集成運算放大器是一種高增益

2、的直流多級放大器。由于最初用于數(shù)字運算，所以稱為運算放大器。運算放大器的用途早已不限于數(shù)算，它在信號的產(chǎn)生、變換、處理、測量等方面，起著非常重要的作用，所以獲得了非常廣泛的應用。集成電路的內(nèi)部結(jié)構特點：1、電路元件制作在一個度均一性好。2、電阻元件由硅半導體上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3、幾十PF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容、大電容要外接。4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)。5、集成電路的面積小，集成度高，因此各個元器件工作電流很小，一般在毫安以下，功耗很小，在毫瓦以下。6、級間采用直接耦合方式。6.16.26.36.4模擬集成

3、電路中的直流偏置技術差分式放大電路差分式放大電路的傳輸特性集成電路運算放大器基本要求:1 理解鏡像電流源、微電流源的工作原理、特點和主要用途2 重點掌握差分放大電路的工作原理和各項指標的計算3 了解集成運放的基本組成和工作原理6.1模擬集成電路中的直流偏置技術在模擬集成電路中，廣泛使用一種單元電路電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作為放大電路的有源負載。6.1.16.1.2BJT電流源電路鏡像電流源微電流源FET電流源 MOSFET鏡像電流源 MOSFET多路電流源JFET電流源6.1.1BJT電流源電路1. 鏡像電流源特點：T1、T2參數(shù)相同且T1對T2具有溫度補償作用電流估算VBE

4、1 = VBE0，IB1= IB0，= IC0 = IC，成鏡象關系。IC1bIR = IC0 + IB0 + IB1 = IC + 2ICIC = b IR(b + 2)IC的受電源影響大，要求電源穩(wěn)定鏡像 IC2為IREF的鏡像VCC和R一定時，IC電流隨之確定。若b 2時，則I I= VCC -VBECRRT1對T2管具有溫度補償作用：1.電路簡單，應用廣泛；2.要求IC1電流較大情況下，R 的功耗較大，集成電路應避免；3.要求IC1電流較小時，要求R 數(shù)值較大，集成電路難以實現(xiàn)。T IC2 IC2 I I V (I R) V I C1RRRBB2. 微電流源VQ IC 2 CC R若需

5、要IC2較小，則要求R很大(集成電路中難以實現(xiàn))改進微電流源= DVBE VBE1 - VBE2 II=C2E2Re2Re2由于 DVBE 很小，所以IC2也很小用阻值不大的R即可獲得微小的工作電流，稱為微電流源。IC2的穩(wěn)定性較好VCC變化IREF、DVBE變化而Re2較大VBE2VBE1T2工作在非線性區(qū)IC2的變化IREF的變化且T1對T2具有溫度補償作用*3. 比例電流源= VCC - VBE1 IIR + RE1C1E1 IREFVBE1 = VBE2RE1 RE1= IREF IIC 2E 2Re2* 4. 組合電流源基本思想：使用一個基準電流， 獲得多個電流源T1、R1 和T4支

6、路產(chǎn)生基準電流IREFT1和T2、T4和T5T1和T3，T4和T6鏡像電流源了微電流源- VBE1 - VEB 4+ VEE= VCCIREFR1工程上：上部一組電路稱為電流源；下部一組電路稱為電流阱。6.1.2FET電流源+ VDDIREFT3= IO1. MOSFET鏡像電流源Id2d1d2IO = ID 2= IREF= (VDD + VSS -VGS ) / RT2T1通常用一FET管代替R+ VGSW / L= 22 I借助寬長比， IOREFW / L-112. MOSFET多路電流源+ VDDIREFRIIID2D3D4d1d2T2T1+VGS-VSS6.1.2FET電流源3.

7、JFET電流源（P261）將柵極直接與源極相連，便可得到簡單的電流源。(a) 電路(b) 輸出特性6.2差分式放大電路6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構6.2.2射極耦合差分式放大電路6.2.3源極耦合差分式放大電路的概述1)直接耦合放大電路可以放大直流信號# 為什么一般的集成運算放大器都要采用直接耦合方式？2) 直接耦合放大電路的零點漂移輸入短路時， 輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。零漂：=0V時：形成：溫度變化； 直流電源波動； 器件老化等。由于晶體管的特性對溫度敏感是主要其稱為溫漂。，所以也將溫漂指標： 溫度每升高1度時，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。影響：零漂會引

8、起放大器靜態(tài)工作點的變化。當?shù)谝患壏糯笃鞯撵o態(tài)工作點發(fā)生微小而緩慢的變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。這種漂移電壓大到一定程度時，就無法從正常的放大信號中加以區(qū)別，使放大器不能正常工作。漂移1 V+ 10 mV漂移10 mV+100 uV= 100,例如假設AV1AV2= 100,AV3= 1 。若第一級漂了100 uV，則輸出漂移1 V。若第100 uV，也漂了漂了100 uV漂移1 V+ 10 mV則輸出漂移10 mV。F 第一級是關鍵3) 減小零漂的措施F 用非線性元件進行溫度補償F 調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器”F 采用差分式放大電路6.2.

9、1差分式放大電路的一般結(jié)構1. 差分式放大電路的組成：差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路的，兩個基本電路參數(shù)完全相同，管子的特性也完全相路有兩個輸入端和兩個輸出端。電路中兩子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時將時時相等，因此以兩集電極電壓差作為輸出，可以克服溫度的漂移。V+= vi1 - vi21vid差模信號R2R1vv(v+ vo 2v=)共模信號o1I1I 2ici1i22T+vi 2-+vi1-輸入 2認清差模輸入電流信號和共模輸入電流信號的電流 iid共模輸入若用差模、共模信號表示兩個輸入信號共模輸入IOiic電流vi電流v= v+icv id = v-v id 2V-i1ic2vi2

10、ic= v- vA= od v差模輸出信號差模電壓增益VDodo1=(vo1 2o2v1id+ vo2 )voc= voc共模輸出信號A共模電壓增益VCvicvo = vod + voc= AVDvid + AVCvic總輸出電壓一般：希望差模增益大，共模增益小。AVD共模抑制比K=CMRAVCT1差模6.2.21. 基本電路射極耦合差分式放大電路2. 工作原理1）靜態(tài)分析vi1=vi2=0= 1 I= II= IC1C2C02= VCC -IC RC - VEVCE1 = VCE2= VCC - IC RC - (-0.7)ICb= I=IB1 B2 vo1=vo2vo=vo1-vo2=0輸

11、入為0，輸出也為0。vo2vo1組成：a.T1、T2特性完全相同； b.Rc1=Rc2 =Rc 。2）動態(tài)分析若輸入差模信號，= -vi2= vid / 2vi1vi1vo1vi2和大小相等，相位相反。vo2和大小相等，相位相反，= vo1 - vo2 0一管將電流增大，一管將電流減小vo信號被放大。2）動態(tài)分析若輸入共模信號， vi1vi2 大小相等，相位相同，均為vic。和vo1vo2和大小相等，相位相同，雙端輸出時，vo = vo1 - vo2 = 0 。一般輸入信號為vid與vic的疊加+ vid- vidv= vv= vi1ici2ic22- vod+ vodv= vv= vo2oc

12、o1oc22= vo1 - vo2 = vod 。在雙端輸出時， vo即，雙端輸出差放只放大差模信號，而抑制了共模信號。溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流變化,且變化趨勢相同，從而使VOQ=VCQ1-VCQ20，因而消除了零點漂移。實際上，兩管不可能完全對稱，因此零點漂移不可能完全 消除，只能被抑制到很小。零漂的效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。 差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。3.主要技術指標計算差分放大電路的四種接法：根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。（1）差模電壓增益定義：放大電路

13、的輸出電壓vo與差模輸入電壓vid的比值，稱為差模電壓放大倍數(shù)或差模電壓增益，用AVD表示，即AVD= vo/vid 雙入、雙出 雙入、雙出交流通= vo1 - vo2 vo路空載時A=v- vVDvi1= - bRci2id= 2vo1 2vi1rbec1b1接入負載時1b (Rc / 2 RL )= -AVDrbee= 2rbeRidRo = 2Rcc2b2 vo2 vo1在電路完全對稱時，雙入雙出的增益與單管的相同。以雙倍元器件換取抑制零漂的能力。 雙入、單出空載時vo1 = vo1 =AVD12vvi1id= - bRc= 1 AVD2r2be接入負載時c1b1b ( Rc / RL

14、)= -AVD1Rid2rbe= 2rbeeRo = Rcc2b2 vo1 單端輸入Qro re(發(fā)射結(jié)電阻)ro幾乎不分流，e端等效為對地開路。單端輸入信號vid相當于平均分配在T1、T2上。即等效于vi1=(1/2)vid，vi2=-(1/2)vid，等同于雙端輸入。單端輸入等同于雙端輸入。指標計算與雙端輸入相同。具體為：單入雙出雙入雙出，單入單出雙入單出。差模電壓放大倍數(shù)的計算與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關。（2）共模電壓增益定義：當差分放大電路的兩個輸入端接入共模輸入電壓時，放大電路的輸出電壓vo與共模輸入電壓vic的比值，稱為共模電壓放大倍數(shù)或共模電壓增益，用AVC表示

15、，即：AVC=vo/vic 雙端輸出共模信號的輸入使兩管集電極電壓voc = voc1 - voc2 0 0有相同的變化。 所以= voc 共模增益 AVCvic共模信號即為伴隨輸入信號一起加入的干擾信號，因此共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。 單端輸出- bRc= voc1= voc2Rc=A -VC1r+ (1 + b )2rvv2ricicbeooro AVC1抑制零漂能力增強共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關（3）共模抑制比差模電壓放大倍數(shù)反映了差動放大器放大有用信號的能力， 當然希望它大一些；共模電壓放大倍數(shù)反映了抑制共模信號的能力，希望它小一些。通常用

16、共模抑制比作為一項技術指標來衡量差分式放大電路的性能。- bRc2rbe b ro=雙端輸出，理想情況KCMRAVD1=單端輸出K- RcrbeCMRA2roVC1其值越大，說明電路對有用信號的放大能力越強，而對有害的共模信號的抑制能力越強，因此表明電路的性能越好。定義：放大電路差模信號的電壓增益Avd與共模信號的電壓增益Avc之比的絕對值。K= AVDK= 20lgCMRACMRVCAVD AVCdB= AVDvid + AVCvicvo由：AVD1得：=KCMR1AVC1vicv= Av(1 +)單端輸出時的總輸出電壓o1VD1idKvCMRid說明：在設計放大電路時，必須至少使共模抑制比

17、大于共模信號與差模信號之比。（4）頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。 幾種方式指標比較雙端輸入雙出輸出方式單出雙出單出b (R / 1 Rb (R / 1 Rb (R / R )b (R / R )- cL2rbecL-2 cL2rbecLA2-VDrrbebe - Rc/ RL - Rc/ RLA 0 0VC2ro2ro b ro b ro KCMRrberbe 幾種方式指標比較輸出方式雙出單出Rid2rbe1 r+ (1 + b )2r Ricbeo2Ro2RcRc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。4.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路(

18、1) 電路組成雙入-單出(2) 工作原理1) 靜態(tài)vi1=vi2=0有源負載+ VEE - VBE= VCCI= Ie6R + R電流源REFe 6T5、T6為比例恒流源Re6Re6I= I= Ie5IC1e6REFRRe5e5= IC2 IC3 = IC4 = IC5 /2 = IO/2輸出電流：io= IC4 - IC2 04.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路2) 動態(tài)= -vi 2 = vid / 2vi1T1電流增加，T2電流減小= -ic 2ic1故Io不變，ve=0= ic1,ic4 = ic3 ,ic2 = -ic1ic3io = ic4 - ic2 = ic1 - (-ic1

19、 ) = 2ic1結(jié)論：帶有源負載差分放大電路的輸出電流是基本單端輸出差放的兩倍6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路(1) 電路組成雙入-雙出(2) 工作原理1) 靜態(tài)有源負載= IS 5 =I D6= ID7= IOIREF= vi 2 = 0vi1= ID 2 = ID3 = ID 4= IO / 2ID1vo = vo1 - vo 2 = 02) 動態(tài)電流源= -vi 2 = vid / 2vi1T1管電流增加，vo1減??；T2管電流減小，vo2增加。vo = vo1 - vo2 06.2.3源極耦合差分式放大電路2.JFET差分式放大電路(1) 電路組成雙入-雙出

20、T1、T2對管和電阻Rd1=Rd2=Rd組成差分放大電路T3組成電流源，為T1、T2提供偏置電流ID1=ID2=Io/2ro動態(tài)電阻很大，可以抑制共模信號。電流源(2) 工作原理電路參數(shù)理想對稱， 1 2，rbe1rbe2例rbe。（1）寫出RW 的滑動端在中點時Avd的表達式；（2）寫出RW 的滑動端在最右端時Avd的表達式，比較兩個結(jié)果有什么不同。解：（1）RW的滑動端在中點時Ad的表達式為+ RWb ( R)= uOc2= -AVdurIbe（2）RW的滑動端在最右端時= - b ( Rc + RW ) uDuC1I2rbe= + b RcDu uC2I2rbeb (R + RW )c2

21、u= Du- Du= - uOC1C2Irbe所以Avd的表達式為+ RWb (R)= uOc2= -AvdurIbe比較結(jié)果可知，兩種情況下的Avd完全相等；DuC1 DuC2但第二種情況下的例6-1：電路如圖，=100(1) 求靜態(tài)工作點；(2) 求電路的差模Aud，Rid，Ro。+VCCRCRC+6 V7.5 kWu7.5 kWoui2ui1100 WT2T1Iui1 = ui2 =0V解 (1)REFIC36.2R2T3VEE - UBE46 - 0.7 0.84 (mA)=IREFT4RR1 + R26.2 + 0.1100 W3100 WVEER2-6 VI= I= 0.84 mA

22、0REFR3ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0=0.42mAUCQ1 = UCQ2 = 6 0.42 7.5UEQ1 = UEQ2 =-0.7 (V)= 2.85 (V)kW(2)求Aud，Rid，Ro+VCCRCRC+6 V267.5 kWurbe1 = rbe2= 200 + 101= 6452 ( W )0.427.5 kWoui2ui1 Tb R100 WT= -CAvd2IREF1rbe + ( 1 + b ) 1 RpIC326.2 kWT3100 W3- 100 7.5= -65TR24R6.45 + 101 0.05100 WVEE-6 V= 2rbe + (1 + b

23、) 1RidRp c12b1= 23kWe1RPRo = 2RC = 15 (kW)RPe2c2b2例6-2:電路中，已知三極管的 均為100，CC=12VRLV=0.7V。1：靜態(tài)工作點（I ，IV ）；BECB， CT2T1RC=10K ，RL=20K， Re=11.3KVVi2oVi12：求雙出的Avd、KCMR 。3：計算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號ReVEE=-12V從T1的集電極輸出，計算KCMR= VEE -VBE 2= 12 - 0.7= IE 3解：1= 1m A; I= I= 0.5m A.IE 3E 1E 2Re11.32VCE 1 = VCE 2=

24、 VCC- IC 1 RC 1+ VBE = 12 - 0.5 10 + 0.7 = 7.7V26 ( 1 + 101 ) = 5.45KWr= 200 +be0.5RL2:20bR50 10= -2 = - 50 5 = -45.9C2A= -vdr5.455.45be1 KCMR Q雙出的Avc = 0= 2 rbe1 = 10.9KWRid3:Ro = 2RC = 20KWRCRC+V例6-2:電路中，已知三極管的 均為100，CC=12VRLV=0.7V。1：靜態(tài)工作點（I ，IV ）；BECB， CTTRC=10K ，RL=20K， Re=11.3KVo21VVi2i12：求雙出的A

25、vd、KCMR 。3：計算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號ReVEE=-12V從T1的集電極輸出，計算KCMRbRCRL= 50 6.67 = 0.585；解：4A= -vc+ 2( 1 + b )R5.45 + 565rbe1e= - bRCRL 1 = - 50 6.67 1 = -30.6Avd 1r25.452b1be1c1Avd 130.6= 52.3；Ke1CMRA0.585RPvcRPe2c2b2RCRC+V，設晶體管的參數(shù)為 1= 2= 50，例6-3差動放大電路rbe1=rbe2=1.5K ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.7V，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓U

26、2=8V，Rw的滑動端位于中點，試估算：1 靜態(tài)工作點ICQ1、ICQ2、UCQ1、UCQ2。2. 差模電壓放大倍數(shù)Aod。3. 差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。解：具有穩(wěn)流源的差動放大電路。1UCQ1 = UCQ2 = Vcc - ICQ1RC1 = 7V (這時由于UCQ1=UCQ2，故RL上電流為零)23 Rid = 2 Rb + rbe1 + (1+)Ro = 2Rc =10K=10K，例6-4:如圖電路中的三極管的+VCCRC5 kWRv C =50，V =0.7V. R =R =5 K，+12 VoLCBE7.5 kWRb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RL100

27、WRbRb TRW=100，rce=300k，VCC=+12V，T2IREF1R=2.4K。1）求Q點; 2）求雙出的Rb1b2IC3Avd、Rid和R0; 3）求出Avd1、KCMR的表5.6kRb2T達式。3= 12 2.4 = 3.6VVCC Rb2R解：1）V=eW2.4K5KVEEb 3R+ R8b1b2-12 V= Vb3 -VBE 3= 3.6 - 0.6 = 0.6m A; I= IE 3= I= 0.3m A.IE 3E 1E 2Re52= 12 - 0.3 5 + 0.3 20 + 0.6 = 11.22V+ IE 1 Rb= V= V- I+ VVRCE 1CE 2CCC

28、 1C 1BEb + 151= 200 + 26 (1 + 50) = 4.62KWrbe10.326= 200 +(1 + 50) = 2.41KW0.6rbe 3例6-4:如圖電路中的三極管的+VCCRC5 kWRv C =50，V =0.7V. R =R =5 K，+12 VoLCBE7.5 kWRb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RL100 WRbRb TRW=100，rce=300k，VCC=+12V，T2IREF12）求雙出R=2.4K。1）求Q點;Rb1b2的Avd、Rid 、R0和Avd1。IC35.6kT3Rb2ReR2）55KWbRC2.4K50 5VEE L

29、 50 1.67 = 2.5= -2=2=-12 VAvd+ ( 1 + b ) Rw33.4733.47R + rbbe12+ ( 1 + b ) Rw （R= 2 R + r單/ 雙輸入idbbe12Ro = 2RC = 10KW= 2 ( 20 + 11.22 + 2.25 ) = 66.94bRCRL 1 = 50 2.5 1 = 1.867= -Avd 1+ ( 1 + b ) Rw233.472R + rbbe126.3差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性曲線：描述輸出信號隨輸入信號的變化規(guī)律的曲線/ V= IES evBET根據(jù) iEiC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2又可得傳輸特性曲線vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線靜態(tài)：vid=vi1-vi2=0時， ic1=ic2=I0/2 Vo1=Vo2=Vcc-(Io/2)Rc線性放大區(qū)：-VTVidVT，Vid增加，ic1增加，ic2減小，Vo1減小，Vo2增加。Vo1、Vo2與Vid呈線性關系，放大電路工作在放大區(qū)。非線性區(qū)：VT|Vid|4VT,Vo1、Vo2與Vid間呈非線性。電路工作在非線性區(qū)。vid4VT，曲線趨于平坦，vid增加