第八章模擬功能集成電路

第八章模擬功能集成電路1§8-1集成運算放大器

集成運算放大器是模擬集成電路的基礎。他最早用于模擬計算機中作運算放大，故得其名。集成運算放大器分為通用型和專用型兩大類，均屬雙極型。而MOS型運放一般是作為模擬系統(tǒng)中的一部分，與整個系統(tǒng)之作在一個芯片上，屬專用型。28.1.1通用型集成運算放大器第一代以A709為代表（相當于國產的FC3和5G23)，線路中首次采用了橫向PNP管；第二代以A741為代表（相當于國產的FC4和5G24)，以采用有源集電極負載來提高電壓增益為主要標志；第三代以MC1556為代表，它的特點是線路中采用超管作為輸入晶體管；第四代以HA2900為代表，特點是采用場效應和雙極晶體管相結合的技術和斬波動態(tài)校零方法。38.1.1通用型集成運算放大器（續(xù)）V+T3V-VoVi+Vi-OA1OA21k1k50k5k50k10030p39k50k2722T8T9T1T2T3T4T5T6T7T10T11T12T13ABT14T15T16T17T18T19T20T21T22T23T24D1R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10C110kA741通用集成運放電路圖輸入級主偏置電路中間增益輸出級48.1.2專用型集成運算放大器

1.低功耗集成運放

一般通用型功耗在100mW左右，功耗小于10mW的稱為低功耗集成運放。減小功耗的途徑：a)采用有源負載增加負載電阻阻值；b)采用小工作電流，可采用外接偏置電阻來根據具體情況調整偏置電流；c)盡量降低輸出級的偏置電流以減小其靜態(tài)功耗。58.1.2專用型集成運算放大器

2.低漂移集成運放

主要是指運放的輸入失調電壓和輸入失調電流隨溫度、時間、電源電壓變化而漂移很小的集成運放。減小漂移的途徑：a)加設基片自動控溫電路；b)采用復合管并恰當設置小偏置電壓VBE

或設調零裝置等；c)采用斬波穩(wěn)零式放大電路。68.1.2專用型集成運算放大器

3.高輸入阻抗集成運放

雙極型高輸入阻抗集成運放一般采用場效應晶體管（JFET或MOSFET）作為輸入級，高電流增益的雙極晶體管作為中間增益級或輸出級。輸入阻抗可以高達1012數量級。

主要用于模擬調節(jié)器、采樣保持電路、測量放大器、帶通濾波器等電路中。78.1.2專用型集成運算放大器

4.高壓集成運放

主要是利用電路中晶體管的CB結的高耐壓性、橫向PNP管的高耐壓性和單管串接等方法來提高耐壓。

對于電路中部分管子耐壓性能和功耗、電流的限制，通常采用一些特殊保護電路加以解決，并注意與其它器件間的隔離。88.1.3MOS型集成運放

1.基本的兩級CMOS運放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8C作為頻率補償的密勒電容引入了較強的輸出信號負反饋，將引起運放的不穩(wěn)定。98.1.3MOS型集成運放

2.加入緩沖器的兩級CMOS運放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8CM10M11

M11為源跟隨器，增益為1，作為反饋緩沖器，。108.1.3MOS型集成運放

3.采用頻率補償的兩級CMOS運放M9為源跟隨器，起電平移位作用；M12、M13作為組成傳輸門等效為電阻；M10、M11

組成甲乙類推挽輸出。VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5M6M7M9M8M11M10M12M13C118.1.4集成電壓比較器

電壓比較器是用以識別加于電路的兩個輸入端上差模電壓極性的一種電路。電壓比較器輸入的是模擬信號，而輸出的是邏輯信號，可以看作是一位模—數變換器。電壓比較器相當于一個高增益的運算放大器，其結構和工作原理與運放十分相似，而在應用及使用要求等方面有一系列的差異。128.1.4集成電壓比較器

（續(xù)1）VrefViVoVoViVrefVOHVOLtt138.1.4集成電壓比較器

（續(xù)2）電壓比較器運算放大器工作狀態(tài)過驅動狀態(tài)小信號狀態(tài)應用狀態(tài)開環(huán)閉環(huán)輸出電平要求單極性輸出，邏輯電平值按后級電路要求雙極性輸出，一般要求擺幅盡量大靜態(tài)時輸出電平零輸入時，輸出為后級邏輯電路的閾值電平零輸入時，輸出電平也為零電平位移電路選擇通常采用齊納二極管，位移的電壓值易控制，頻響較好通常用NPN恒流管與電阻串接（或用橫向PNP管）選通端一般均有選通端沒有選通端148.1.4集成運算放大器版圖示例15§8-2D/A轉換器

D/A轉換器完成數字信號到模擬信號的轉換。他接收的是一定位數的數字編碼信號，輸出的是電流或電壓形式的模擬信號。168.2.1D/A轉換器的一般組成

基準電源數據鎖存采樣與保持控制電路開關電路(電流型、電壓型)數字信號模擬信號網絡陣列(電阻或電容)運算電路（加法器、跟隨器等）基準電源：可集成在芯片內部，也可以外接；數據鎖存：是防止輸入的數據在完成變換之前改變；采樣保持：是使輸出的模擬量直到下一次新的變換輸出之前保持不變。178.2.2D/A轉換器的主要參數

轉換速度：從輸入數字信號開始到模擬輸出的時間（可有不同的規(guī)定）。溫度靈敏度：在確定的數字信號輸入下，模擬輸出隨溫度的相對變化。分辨率：接收輸入的數字信號的位數。若轉換器接收n位數字信號輸入，則能對應輸出模擬量的個數為2n，稱其分辨率為n。188.2.2D/A轉換器的主要參數

（續(xù)）線性度：對理想的D/A轉換器，相等的數字輸入增量應有相等的模擬輸出增量。輸入與輸出呈線性關系（單調函數）。而實際上總是存在偏差。000001010011100101110111a0a1a2a3a4a5a6a7設線為線性度誤差，為數字輸入變化最低有效位時正常模擬輸出的變化量。則定義為線性度。而應滿足：<1

2198.2.3D/A轉換器的分類按其開關類型分類可分為

電流開關型和電壓開關型；按其網絡陣列形式分類可分為權電阻型和梯形R-2R型等；按其連接方式分類可分為串聯、并聯及間接式；按定標類型分類可分為電流定標型（適合雙極型）、電壓定標型和電荷定標型（適合MOS型）。208.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

1.基本結構Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

b1b2b3…

bn

為n位輸入數字量，控制模擬開關，其中：

b1為最高位，bn為最低位；

VO為輸出電壓的模擬量；

R2R4R…2n-1R為權電阻網絡，Vref為基準電壓，放大器接成反相求和運算形式；218.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

2.工作原理Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

由虛地的概念可知：無論開關合向哪一端，每個電阻上所通過的電流是不變的。I1=VrefRI2=Vref2RI3=Vref4RIn=Vref2n-1R設bi為“0”時，對應的開關合向①；bi為“1”時，對應的開關合向②。228.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

2.工作原理（續(xù)）

I=b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInRf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②VO=–

Vref(+++

…+)b120b221b322bn2n-1設放大器輸入阻抗為，Rf

=R，則有：VO

=–

IfRIf=I238.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

3.線性度Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②由于電阻的阻值差別很大，對精度有很大影響.

僅最高位電阻的誤差（R)所引進的輸出模擬量誤差為:VO=Rf

–

Rf

-VrefR+R-VrefR=VrefRf

R(R+R)R248.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

3.線性度（續(xù)）Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②而最低有效位對應輸出模擬量為:=VrefRf

12n-1R=2n-1<(R+R)R12則：近似有：<RR12n可見，位數越多，對電阻的精度要求就越高。即：=VrefRf

R(R+R)R258.2.4權電阻網絡電流開關電流定標D/A轉換器

4.電路示例Vbe

取0.7VVOb1b2b3b4AD11.2V-4.5VD2D3D410k20k40k80k5k注意：

該電路當Bi為“0”時，對應位的電路參加運算。268.2.5反梯形R-2R電阻網絡電流開關

電流定標D/A轉換器

1.電路結構Rf=R2R2R2R2RIfVrefVOb1b2b3bnRRR2R①①①①②②②②阻值只有R和2R兩種，精度較容易控制。開關接在電阻網絡前面、直接與運算器輸入端相連的稱為反梯形，開關接在電阻網絡后面的稱為正梯形。278.2.5反梯形R-2R電阻網絡電流開關

電流定標D/A轉換器

2.工作原理Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②從圖中清楚地可以看出無論開關合向哪一側：I=VrefRI1=I121I1=I122I1=I123I1=I12n288.2.5反梯形R-2R電阻網絡電流開關

電流定標D/A轉換器

2.工作原理（續(xù)）Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②設bi為“0”時，對應的開關合向①；bi為“1”時，對應的開關合向②。放大器輸入阻抗為，則有：If=

b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInVO=-Vref(+++

…+)b121b222b323bn2n又：VO

=-

IfR所以有：298.2.5反梯形R-2R電阻網絡電流開關

電流定標D/A轉換器

3.電路示例Vbe

=0.75Vb1b21k2k1k2kVD

=0.75VVZ

=6.2VVOb3b4A2k2k2k1k1K2k40D2D1DZVB-8V308.2.6電阻分壓式電壓開關電壓定標D/A轉換器

1.電路結構VrefVORRRRRRRRb2b2b3b3b3b3b2b2b3b3b3b3b1b1三位D/A

N位轉換器由2N個相同電阻串聯對一個基準電壓進行分壓；

由輸入數字信號控制的開關矩陣對分壓值作選擇傳送；由高阻抗緩沖放大器（或電壓跟隨器）進行模擬輸出。318.2.6電阻分壓式電壓開關電壓定標D/A轉換器

2.電阻分壓及開關部分版圖示例VrefGND到運算電路b3b3b2b2b1b1

位數過多時，電阻鏈過長，開關級數過多，影響精度和速度。328.2.7電荷定標D/A轉換器

電路結構及工作原理①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA

先由控制信號CTR將所有開關合向①，使電容都對地放電，VA=0。然后，將開關S0斷開，其它開關由輸入數字編碼b1b2b2…bn控制。設bi為0時，開關合向①；bi為1時，開關合向②，Vref對電容充電。338.2.7電荷定標D/A轉換器

電路結構及工作原理（續(xù)1）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA(Vref

–VA)CV=VACGVA=VrefCVCV+CGVrefVACVCGCtolCV

=Vref348.2.7電荷定標D/A轉換器

電路結構及工作原理（續(xù)2）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VACtol=C+

++…+

+

=2CC22n-1CC42n-1CCV=C(b1++

+…+)

b22b342n-1bnVA=

Vref(

++

+…+)

b12b24b382nbnVrefVACVCG35§8-3A/D轉換器

A/D轉換器完成模擬信號到數字信號的轉換。他接收的是電流或電壓形式的模擬信號，輸出的是一定位數的數字編碼信號。正在朝著高速高分辨率，低壓低功耗的方向發(fā)展。368.3.1A/D轉換器的一般特性

常用轉換輸出數字編碼信號的位數表示轉換精度，它反映了轉換器能分辨的最小模擬信號差，位數越高，精度越高。

輸入的模擬信號是連續(xù)的變化量，而輸出的數字信號是離散的，二者不是一一對應的，實際上是一定小范圍的模擬量對應一個數字量。378.3.1A/D轉換器的一般特性（續(xù)1）

當模擬輸入從零至滿量程AF變化時，對于N位輸出數字信號有2N個輸出狀態(tài)，其間有2N-1個狀態(tài)躍變。

每個數字輸出對應輸入模擬量的范圍為：=

AF/2N，各段的中心點為編碼中心點。000001010011100101110111ADAF0AF4AF23AF4388.3.1A/D轉換器的一般特性

（續(xù)2）

由于模擬輸入往往都是隨時間的變化量，因而會造成轉換輸出的不確定，所以一般都需要在轉換器的輸入端加采樣保持電路。VAt孔闌時間孔闌誤差t1t2VA2VA1TxVx398.3.2單斜率積分式A/D轉換器C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計數器b3bnVaR2

每次轉換前，開關S閉合，將電容C放電，并將計數器清零。

開始轉換時，開關S斷開，積分器開始積分，積分時間常數為R1C。Va起始為負值，比較器C1輸出為“0”，比較器C2輸出為“1”，時鐘clk被屏蔽，計數器不計數。408.3.2單斜率積分式A/D轉換器（續(xù)1）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計數器b3bnVaR2當Va達到0V時，比較器C1狀態(tài)改變，輸出為“1”，計數器開始計數。當Va達到模擬輸入Vi時，比較器C2狀態(tài)改變，輸出為“0”，時鐘clk再次被屏蔽，計數器停止計數。418.3.2單斜率積分式A/D轉換器（續(xù)2）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計數器b3bnVaR2

N位計數器的最終值即為與模擬輸入Vi對應的N位數字值。n12N個周期Vat0VFSn2Va2Va1428.3.2單斜率積分式A/D轉換器（續(xù)3）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計數器b3bnVaR2關鍵要設計積分常數R1C，使N位計數器計滿時（2N個時鐘周期）對應的模擬電壓為滿量程電壓VFS，另外要求時鐘頻率精確。

可以采用開關電容等效電阻電路，提高積分常數的精度：=R1C=c(C1/C）1438.3.3雙斜率積分式A/D轉換器CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計數器

每次轉換前，開關S1合向模擬輸入Vi

，開關S2閉合將電容C放電，并將N位計數器清零。開始轉換時，開關S2斷開，積分器開始2N個時鐘周期的固定時間積分，Va上升斜率為：Vi/RC。448.3.3雙斜率積分式A/D轉換器（續(xù)1）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計數器

對于不同的模擬輸入Vi

，有不同的上升斜率。2N個周期對Vi積分Vat0Va1Va2Va3458.3.3雙斜率積分式A/D轉換器（續(xù)2）積分器開始反積分，Va下降斜率為-Vref/RC。CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計數器

計數至2N個時鐘周期時，

S1合向與模擬輸入極性相反的參考電壓-Vref，同時計數器回復零重新開始計數。

當Va降到0V時，比較器C狀態(tài)改變，計數器停止計數。此時計數的值即為對應模擬輸入Vi的數字輸出。468.3.3雙斜率積分式A/D轉換器（續(xù)3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計數器對于不同的模擬輸入Vi時，Va有不同的上升斜率，但是有固定的下降斜率。n1n2n32N個周期對Vi積分對-Vref積分Vat0Va1Va2Va3478.3.3雙斜率積分式A/D轉換器（續(xù)3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計數器積分時間常數RC和時鐘頻率對上升和下降的影響相同，轉換精度較高。n1n2n32N個周期對Vi積分對-Vref積分Vat0Va1Va2Va3488.3.4逐次逼近式A/D轉換器

1.結構及原理10000110000100011100101000110000100111101101010110100100111001010001100001011111111011101111001101111010110011100010111101101010110100100111001010001100001數碼寄存器D/A轉換器移位寄存器數碼輸出比較器模擬輸入控制器498.3.4逐次逼近式A/D轉換器

2.電路實例11111.5V11101.4V11011.3V11001.2V10111.1V10101.0V10010.9V10000.8V01110.7V01100.6V01010.5V01000.4V00110.3V00100.2V00010.1V00000.0V1.45V1.35V1.25V1.15V1.05V0.95V0.85V0.75V0.65V0.55V0.45V0.35V0.25V0.15V0.05VCPDRQCPDRQCPDRQCPDRQCPDRQCPDSQQQQQQQSRCPQQSRCPQQSRCPQQSRCPQQRDRDRD四位D/A轉換器比較器模擬輸入ViRSTCLKMSBLSBb1b2b