第六章模拟集成电路

1、6.1 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6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数第六章第六章 模拟集成电路模拟集成电路概述概述概概 述述一、集成电路一、集成电路(integrated circuit)： 在半导体制造工艺基础上，把整个在半导体制造工艺基础上，把整个电电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块造在一块Si 基片上基片上，并引出相应的引线，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。构成特定功能的电子电路。如：运放、各

2、种芯片等。如：运放、各种芯片等。二、按功能分类：二、按功能分类：模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路三、集成度：三、集成度：小规模集成电路（小规模集成电路（SSISSI）10102 2 中规模集成电路（中规模集成电路（MSIMSI）10103 3大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）1010105 5、 ( (如：如：CPU 310CPU 310万万-330-330万万) )Intel 奔腾奔腾4四、四、集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（5 5）不能制造电感不能制造电感，如需电感，也只能，如需电感，也只能外接外接。 （4 4）只能制作几十）只能制作几十pFpF以下的

3、以下的小电容小电容。因此，集成放。因此，集成放大器都采用大器都采用直接耦合直接耦合方式。如需大电容，只有外接。方式。如需大电容，只有外接。（3 3）不易制造大电阻不易制造大电阻。需要大电阻时，往往需要大电阻时，往往使用有使用有源负载源负载（如晶体管）（如晶体管）替代大电阻替代大电阻。 （2 2）集成电路的芯片）集成电路的芯片面积小，集成度高面积小，集成度高，所以，所以功功耗很小耗很小，在毫瓦以下。，在毫瓦以下。 （1 1）元器件具有良好的）元器件具有良好的一致性和同向偏差一致性和同向偏差，因而，因而特别有利于特别有利于实现需要对称结构实现需要对称结构的电路。的电路。电路方框图电路方框图中间级中

4、间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。集成运算放大器组成集成运算放大器组成偏置电路提供合适的偏流偏置电路提供合适的偏流,使以上电路使以上电路得到合适的静态工作点。得到合适的静态工作点。6.1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6.1.1 镜像电流源镜像电流源6.1.2 微电流源微电

5、流源6.1.3 多路电流源多路电流源6.1.4 电流源作用电流源作用集成电路中集成电路中大电阻不易制造！大电阻不易制造！静态工作点由静态工作点由VccVcc及若干电阻提供和稳定及若干电阻提供和稳定Q点（点（IB、 IC、和、和VCE）利用利用恒流源恒流源提供提供静态工作点静态工作点。问题：问题：解决：解决：要求：提供要求：提供恒定电流恒定电流IO，且有，且有大的交流电阻大的交流电阻其两端电压变化时，其两端电压变化时， IO保持恒定。保持恒定。+Iorov_-ro 恒流源恒流源一、电路组成一、电路组成6.1.1镜像电流源镜像电流源（P258）T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。在电流源

6、电路中充分利用集成运放中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晶体管性能的一致性。二、恒流特性二、恒流特性BE1BE2=VVREFBREF2IIIE1E2= IIC1C2= IIRVV=BECCRVCC当当 较大较大( 2)时：时：6.1.1镜像电流源镜像电流源（P258）结论：结论： 无论无论Rc值如何值如何, IC2电流值保持不变（前提：电流值保持不变（前提：电源要稳定），因此本电路是恒流源。电源要稳定），因此本电路是恒流源。B1B2= II三、镜像电流源特点三、镜像电流源特点3. 电流最低至电流最低至mA级级1. 内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上2. 电流受电

7、源波动影响大电流受电源波动影响大4. 具有温度补偿特性具有温度补偿特性C2C1= IIRVCC 如何得到更小的如何得到更小的Ic1电流如电流如uA级？级？ 如何克服如何克服Ic1受电源波动影响受电源波动影响？思考：思考：e2BE1BE0RVVE1C1IIe2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC1也很小也很小一、电路特点一、电路特点二、工作原理二、工作原理 （Re2 K 级）级）2 受电源波动影响小；受电源波动影响小；3IC2 uA级；级；优点：优点：1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上6.1.2微电流源微电流源（P259）4. 具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。R

8、e2T1、T2、T3的基极并联。的基极并联。电路用一个基准电流电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。获得了多个电流输出。 6.1.3多路电流源多路电流源1REFE1C1eeRRIII2REFE2C2eeRRIII3REFE3C3eeRRIII6.1.4电流源作用电流源作用提供直流偏置提供直流偏置作为有源负载作为有源负载6.1.4 电流源作用电流源作用提供直流偏置提供直流偏置6.1.4 电流源作用电流源作用作为有源负载作为有源负载哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？集成电路中集成电路中大电阻不易制造！大电阻不易制造！6.1.4 电流源作

9、用电流源作用作为有源负载作为有源负载集成电路中集成电路中大电阻不易制造！大电阻不易制造！Ioro哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？举例：举例：P282 集成运放电路内部结构集成运放电路内部结构微电流源微电流源直流偏置直流偏置镜像电流源镜像电流源有源负载有源负载 电流源电流源直流偏置直流偏置电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载

10、能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。集成运算放大器组成集成运算放大器组成偏置电路提供合适的偏流偏置电路提供合适的偏流,使以上电路使以上电路得到合适的静态工作点。得到合适的静态工作点。 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 6.2.1 概述概述 6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较6.2 差分式放大电路差分式放大电路

11、1. 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 6.2.1 概述概述各级各级Q Q互相影响互相影响，设计调试不便，设计调试不便，有严重有严重漂移漂移问题。问题。集成电路集成电路不易制造大电容不易制造大电容2.直接耦合放大电路零点漂移现象及其产生的原因直接耦合放大电路零点漂移现象及其产生的原因 输入短路时，输出仍有缓慢变化的输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。电压产生。uI0，uO0的现象。的现象。 温度变化，直流电源波动，元器件老化温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂温漂。 引入直流负反馈，温

12、度补偿。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：差分放大电路零点漂移现象：零点漂移现象：产生原因：产生原因：克服温漂的方法：克服温漂的方法：3. 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vodi2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号两个输入信号的差值两个输入信号的差值两个输入信号的算术平均值两个输入信号的算术平均值根据以上两式可以得到根据以上两式可以得到2=idici1vvv 2=idici2v

13、vv 共模抑制比共模抑制比反映反映抑制零漂能力抑制零漂能力的指标的指标总输出电压总输出电压icVCidVDvAvA ocodo=vvv VCVDCMR=AAK差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vodidodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA共模电压增益共模电压增益零点漂移零点漂移零输入零输入零输出零输出理想对称理想对称1. 差分放大电路的组成差分放大电路的组成信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？共模信号：大小相等，极性相同。共模信号：大小相等，极性相同。差模信号：大小相等，极性

14、相反。差模信号：大小相等，极性相反。信号特点？能否放大？信号特点？能否放大？6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 双端输入双端输入两输入端同时加信号两输入端同时加信号单端输入单端输入一输入端一输入端对地对地加信号加信号 双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。C1C2 根据输入、输出方式不同，根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式可分为四种工作方式: :双端输入、双端输出；双端输入、双端输出； 双端输入、单端输出；双端输入、单端输出； 单端输入、单端输出；单端输入、单端输出； 单端输入、双端输出；单端输入、双端输出； 差

15、放一般有两个输入端：差放一般有两个输入端： 差放可以有两个输出端差放可以有两个输出端:2. 工作原理工作原理静态分析静态分析以双端输入、双端输出为例以双端输入、双端输出为例动态分析动态分析 (1) 差模输入差模输入 （2） 共模输入共模输入2. 工作原理工作原理静态分析静态分析( vi1=vi2 =0)0CC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)7 . 0(CCCC RIV CCRIEV CB1B1III 0=C2C1OVVV以双端输入、双端输出为例以双端输入、双端输出为例c1c2ic2ic1动态分析：动态分析： (1) 差模输入：差模输入：vi1iC1vC1 vC1vC2vi2

16、vC2iC2vo = vC1 vC2 = 2 vC1 结论结论1：差分式放：差分式放大电路大电路对差模信对差模信号有放大能力。号有放大能力。21/vvidi差模信号：差模信号：数值相等，极性相反数值相等，极性相反的输入信号，即的输入信号，即 vC1=- vC222/vvidi （2） 共模输入：共模输入：vi1iC1vC2 vC1vi2iC2vC1 vC2c1c2ic2ic1vo = vC1 vC2= 0结论结论2：差分式放：差分式放大电路大电路对共模信对共模信号有抑制能力。号有抑制能力。共模信号：共模信号：数值相等、极性相同数值相等、极性相同的的输入信号，即输入信号，即cvvvi2i1 i

17、vC1= vC23. 差放抑制零漂差放抑制零漂 温度温度变化和变化和电源电源电压电压波动，都将使波动，都将使T1T1和和T2T2集电集电极电流变化，极电流变化，变化量相同，变化量相同，且变化趋势相同且变化趋势相同。 差分式放大电路差分式放大电路对共对共模信号有很强抑制作用模信号有很强抑制作用。 其效果相当于在两输入其效果相当于在两输入端加入了端加入了共模信号共模信号。差分式放大电路差分式放大电路有抑制零漂能力。有抑制零漂能力。4、主要技术指标计算、主要技术指标计算(P265)idici1v21v=vidici2v21v=v差模电压增益差模电压增益差模输入电阻差模输入电阻单单(双双)出输出电阻出

18、输出电阻共模电压增益共模电压增益共模输入电阻共模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻c1c2ic2ic1icVCidVDvAvA ocodo=vvv idoVD=VVA双端输入，差模信号为：双端输入，差模信号为：v i1= -vi2 = vid /2交流通路交流通路: : (1)(1) 差模电压增益差模电压增益 1) 1) 双入双出双入双出AVD 2) 2) 双入单出双入单出AVD 1) 1) 双入双出双入双出AVD(P265)idoVD=VVAo12i12=oiVVVVo11i112=2oiVVVVbecV1rR= A（单边电路增益）单边电路增益）有负载有负载RL 时：时：beLVDrR

19、=AL/2/CLRRR负载开路负载开路 时时：=LRv i1= -vi2 = vid /2(1)(1) 差模电压增益差模电压增益oo2LVD2idi2beVVRA=V-22Vr 2) 2)双入单出双入单出AVD ：oVD1id=VAV2i1o1=iVVV22=1i1o1vAVVLbeR=2r)R/RR(LCLv i1= -vi2 = vid /2(1)(1) 差模电压增益差模电压增益icoVC=VVA双端输入，共模信号为：双端输入，共模信号为：vi 1=vi 2 =vi c交流通路交流通路: 等效变换电路：等效变换电路：(2)(2)共模电压增益共模电压增益c1c2 1) 1) 双入双出双入双出

20、AVC 2) 2) 双入单出双入单出AVC vi c 1) 双入双出双入双出AVCvi 1=vi 2 =vi C T1、T2电路对称vO1=vO 2vO= vO1-vO2 =0icoVC=VVA=0结论：结论： 双入双出双入双出时差放时差放抑制共模抑制共模信号（信号（零漂零漂）能力最强！）能力最强！(2)(2)共模电压增益共模电压增益 2) 双入单出双入单出AVC vi 1=vi 2 =vi c vO= vO1i1o1=VVLCbR/RI-=VVO1Oobebr21rI=Vi1o1VCic1/=12oCLibeoVVRRAVVrr icoVC=AVV结论：结论： 双入单出双入单出时差放时差放抑

21、制零漂能力相对较弱！抑制零漂能力相对较弱！(2)(2)共模电压增益共模电压增益（3 3）单端输入差分式放大电路：）单端输入差分式放大电路：结果自行分析结果自行分析 P266P266结论：结论： 单端输入单端输入时效果时效果与双端输入相同。与双端输入相同。 (1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式只与输出方式有关：有关： 双端输出时：双端输出时：beLcd)2/(rRRRAbv 单端输出时：单端输出时：beLcd2/rRRRAbv (2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关只与输出方式有关： 双端输出时：双端输出时： 单端输出时：单端输出时：0vcAeLc2RRAv主要技术指标主要技术指标（3）共模抑制比：反映放大电路）共模抑制比：反映放大电路抑制共模信号抑制共模信号的能力的能力VCVDCMRAAK dB lg20VCVDCMRAAK 双端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMRK单端输出单端输出 CMRKVC1VD1AAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强主要技术指标主要技术指标本章