6 模拟集成电路

1、第第6章章 模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术差分式放大电路差分式放大电路集成运放主要参数集成运放主要参数集成电路简介集成电路简介l集成电路是采用一定的制造工艺集成电路是采用一定的制造工艺,将晶体管将晶体管,场效应管场效应管, 电阻电阻,电容等许多元件组成的具有完整功能的电路制作电容等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块硅片上在同一块硅片上,并加以封装所构成的半导体器件并加以封装所构成的半导体器件.l集成电路的制造工艺有集成电路的制造工艺有: 氧化氧化,光刻光刻,掩模掩模,扩散扩散,外延外延,蒸蒸铝等铝等l集成电路中最基本的元件是集成电路中

2、最基本的元件是PN结结.利用利用PN结可制作电结可制作电阻阻,电容电容,二极管二极管,三极管三极管,场效应管场效应管( 电感不行电感不行).各各PN结之结之间必须绝缘隔离间必须绝缘隔离.一、集成运放中的电流源电路一、集成运放中的电流源电路1. 镜像电流源镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，则若在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。基准电流基准电流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III2. 微电流源微电流源 要求提供很小的静

3、态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU(UUIIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re3. 多路电流源多路电流源（1 1）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UB

4、E2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3（2 2）多集电极管构成的多路电流源）多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个集电区的面积分别为设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则，则02C0C201C0C1SSIISSII，（3 3）MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极管的漏极电流正比于沟道电流正比于沟道的宽长比。的宽长比。 设宽长比设宽长比W/L=S，且，且

5、T1T4的宽长比分别为的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则，则03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基准电流基准电流零点漂移现象及其产生的原因零点漂移现象及其产生的原因零点漂移现象：零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路典型电路：差分放大电路二、差分放大

6、电路二、差分放大电路差分放大电路的组成差分放大电路的组成零输入零输入零输出零输出若若V与与UC的变的变化一样，则化一样，则输出电压就输出电压就没有漂移没有漂移信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？零点零点漂移漂移参数理想对称：参数理想对称：Rb1= Rb2，Rc1= Rc2， Re1= Re2;T1、T2在任何温度在任何温度下特性均相同。下特性均相同。差分放大电路的相关概念差分放大电路的相关概念差模信号两输入信号中相同的部分共模信号两输入信号中不同的部分差模输出差模信号产生的输出共模输出共模信号产生的输出差模增益共模增益12idiiuuu121()2iciiuuu12odoouuu121()

7、2ocoouuu/udodidAuu/ucocicAuu用三端器件组成的差分式放大电路用三端器件组成的差分式放大电路长尾式差分放大电路的组成特点长尾式差分放大电路的组成特点典型典型电路电路在理想对称的情况下：在理想对称的情况下：1. 克服零点漂移；克服零点漂移；2. 零输入零输出。零输入零输出。信号特信号特点？点？使信号源和使信号源和电源能够电源能够“共地共地”长尾式差分放大电路的分析长尾式差分放大电路的分析 1. Q点：令uI1= uI2=002CQ1CQOCQ2CQ1CQEQ2EQ1EQCQ2CQ1CQBQ2BQ1BQUUuUUUIIIIIIIIIEEBQbBEQEQebBQEEBEQEQ

8、e22VIRUIRRIVUIR因为小，且很小，所以1. Q点点eEQBEQBQEE2RIUIVBEQcCQCCCEQEQBQ1URIVUII，晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：eBEQEEEQ2RUVI通常，通常，Rb较小，且较小，且IBQ很小，故很小，故2. 抑制共模信号抑制共模信号 0 )()(C2CQ2C1CQ1C2C1Ouuuuuuu0 cIcOccAuuA，参数理想对称时共模放大倍数C21CC21CB21Buuiiii共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即输入信号，即IcI2I1uuu2. 抑制共模信号抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用的共模

9、负反馈作用0 cIcOccAuuA参数理想对称时共模放大倍数Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号对于每一边对于每一边电路，电路，Re=?如如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。3. 放大差模信号放大差模信号C1OC21CC21CB21B2 uuuuiiiiiE1= iE2，Re中电流不变，即中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。对差模信号无反馈作用。2/IdI2I1uuu差模信号：数值相等，极性相反差模信号：数值相

10、等，极性相反的输入信号，即的输入信号，即 )(2bebBIdrRiu差模信号作用时的动态分析差模信号作用时的动态分析bebLcd)2( rRRRA差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuA)2(2LcCOdRRiu 2 )(2cobebiRRrRR，4. 动态参数：动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。和抑制共模信号的能力。下，在参数理想对称的情况CMRcdCMRKAAK 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“ 接地接地”点，以避免点，以避免干扰

11、；或负载需要有干扰；或负载需要有“ 接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。入双端输出、单端输入单端输出。差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法 1. 双端输入单端输出：双端输入单端输出：Q点分析点分析cCQCCCQ2LcCQCCLcLCQ1 )(RIVURRIVRRRU 由于输入回路没有变由于输入回路没有变化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但与双

12、端输出时一样。但是是UCEQ1 UCEQ2。1. 双端输入单端输出：差模信号作用下的分析双端输入单端输出：差模信号作用下的分析bebLcd)( 21rRRRAcobebi)(2RRrRR，1. 双端输入单端输出：共模信号作用下的分析双端输入单端输出：共模信号作用下的分析bebLcd)( 21rRRRAebebLcc)1 (2)( RrRRRAbbeeCMRbbe2(1)2()RrRKRr1. 双端输入单端输出：问题讨论双端输入单端输出：问题讨论bebLcd)( 21rRRRA（1）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？（2）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？

13、cobebi)(2RRrRR，bbeeCMRbbe2(1)2()RrRKRr2. 单端输入双端输出单端输入双端输出共模输入电压共模输入电压差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入： 在输入信号作用下发射极在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？2/IIcIIduuuu，2. 单端输入双端输出单端输入双端输出OQIcIdO2UuAuAu静态时的值静态时的值差模输出差模输出共模输出共模输出问题讨论：问题讨论：（1）UOQ产生的原因？产生的原因？（2）如何减小共模输出）如何减小共模输出电压？电压？输入不

14、对称3. 四种接法的比较：电路四种接法的比较：电路参数参数理想对称条件下理想对称条件下输入方式：输入方式： Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。coCMRcbebLcd2 0 )2(RRKArRRRA双端输出：cobebebebCMRebebLccbebLcd )(2)1 (2 )1 (2)( )(2)(RRrRRrRKRrRRRArRRRA单端输出：具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路 为什么要采

15、用电流源？为什么要采用电流源？ Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。越大，差分放大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，Re 越大，越大，VEE越越大，以大，以至于至于Re太大就太大就不合理了。不合理了。 需在低电源条件下，得到趋于无穷大的需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。解决方法：采用电流源！解决方法：采用电流源！具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路3BEQEE2123EB32RUVRRRIII，等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大近似为近似为恒流恒流1) RW取值应

16、大些？还是小取值应大些？还是小些？些？2) RW对动态参数的影响？对动态参数的影响？3) 若若RW滑动端在中点，写滑动端在中点，写出出Ad、Ri的表达式。的表达式。2)1 (WbebcdRrRRAWbebi)1 ()(2RrRR差分放大电路的改进差分放大电路的改进 1. 加调零电位器RWdoidmd2RRRRgA2. 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路3. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态静态 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5有源负载有源负载 C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii

17、使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。0 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：3. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路为什么要考虑为什么要考虑 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu有源负载有源负载3. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路3. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益差模电压增益（负载开路）（负载开路） 0ce4o2ce

18、2o2c2c4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4ce2ido2d2)|(rrrA vvv则则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 差模输入电阻差模输入电阻 Rid2rbece4ce2o|rrR 输出电阻输出电阻3. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5/23. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路讨论一若若uI1=10mV，uI2=5mV，则，则uId=？ uIc=？uId=

19、5mV ，uIc=7.5mV讨论二1、uI=10mV，则，则uId=? uIc=? 2、若、若Ad=102、KCMR103用直流表测用直流表测uO ，uO=?uId=10mV ，uIc=5mVuO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1=?=?=?。时，时，当当，均为硅管，均为硅管，、V008050TTTOi321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv时，时，当当的值的值及及、AAARVVIII(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益。讨论三三、实际集成运放的主要参数三、实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差

20、特性（输入失调特性）1. 输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为一般约为（110）mV。超低失调运放为（。超低失调运放为（120） V。高精度。高精度运放运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 mV。2. 输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIB

21、P）/ /2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）3. 输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电流输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 一般约为一般约为1 nA0.1 A。 4. 温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO / T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO / T三、实际集成运放的主要参数三、实际集成运放的主要参数差

22、模特性差模特性1. 开环差模电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益Avo开环带宽开环带宽BW (fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG (fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 三、实际集成运放的主要参数三、实际集成运放的主要参数差模特性差模特性2. 差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro0.05。3. 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax三、实际集成运放的主要参数三、实际集成运放的主要参数集成运放反相和同相输入端之间承受的最大电压值集成运放反相和同相输入端之间承受的最大电压值超过此值，发射结反向击穿超过此值，发射结反向击穿共模特性共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放一般通用型运放KCMR为（为（80120