第八章模拟功能集成电路

第八章模拟功能集成电路1§8-1集成运算放大器

集成运算放大器是模拟集成电路的基础。他最早用于模拟计算机中作运算放大，故得其名。集成运算放大器分为通用型和专用型两大类，均属双极型。而MOS型运放一般是作为模拟系统中的一部分，与整个系统之作在一个芯片上，属专用型。28.1.1通用型集成运算放大器第一代以A709为代表（相当于国产的FC3和5G23)，线路中首次采用了横向PNP管；第二代以A741为代表（相当于国产的FC4和5G24)，以采用有源集电极负载来提高电压增益为主要标志；第三代以MC1556为代表，它的特点是线路中采用超管作为输入晶体管；第四代以HA2900为代表，特点是采用场效应和双极晶体管相结合的技术和斩波动态校零方法。38.1.1通用型集成运算放大器（续）V+T3V-VoVi+Vi-OA1OA21k1k50k5k50k10030p39k50k2722T8T9T1T2T3T4T5T6T7T10T11T12T13ABT14T15T16T17T18T19T20T21T22T23T24D1R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10C110kA741通用集成运放电路图输入级主偏置电路中间增益输出级48.1.2专用型集成运算放大器

1.低功耗集成运放

一般通用型功耗在100mW左右，功耗小于10mW的称为低功耗集成运放。减小功耗的途径：a)采用有源负载增加负载电阻阻值；b)采用小工作电流，可采用外接偏置电阻来根据具体情况调整偏置电流；c)尽量降低输出级的偏置电流以减小其静态功耗。58.1.2专用型集成运算放大器

2.低漂移集成运放

主要是指运放的输入失调电压和输入失调电流随温度、时间、电源电压变化而漂移很小的集成运放。减小漂移的途径：a)加设基片自动控温电路；b)采用复合管并恰当设置小偏置电压VBE

或设调零装置等；c)采用斩波稳零式放大电路。68.1.2专用型集成运算放大器

3.高输入阻抗集成运放

双极型高输入阻抗集成运放一般采用场效应晶体管（JFET或MOSFET）作为输入级，高电流增益的双极晶体管作为中间增益级或输出级。输入阻抗可以高达1012数量级。

主要用于模拟调节器、采样保持电路、测量放大器、带通滤波器等电路中。78.1.2专用型集成运算放大器

4.高压集成运放

主要是利用电路中晶体管的CB结的高耐压性、横向PNP管的高耐压性和单管串接等方法来提高耐压。

对于电路中部分管子耐压性能和功耗、电流的限制，通常采用一些特殊保护电路加以解决，并注意与其它器件间的隔离。88.1.3MOS型集成运放

1.基本的两级CMOS运放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8C作为频率补偿的密勒电容引入了较强的输出信号负反馈，将引起运放的不稳定。98.1.3MOS型集成运放

2.加入缓冲器的两级CMOS运放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8CM10M11

M11为源跟随器，增益为1，作为反馈缓冲器，。108.1.3MOS型集成运放

3.采用频率补偿的两级CMOS运放M9为源跟随器，起电平移位作用；M12、M13作为组成传输门等效为电阻；M10、M11

组成甲乙类推挽输出。VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5M6M7M9M8M11M10M12M13C118.1.4集成电压比较器

电压比较器是用以识别加于电路的两个输入端上差模电压极性的一种电路。电压比较器输入的是模拟信号，而输出的是逻辑信号，可以看作是一位模—数变换器。电压比较器相当于一个高增益的运算放大器，其结构和工作原理与运放十分相似，而在应用及使用要求等方面有一系列的差异。128.1.4集成电压比较器

（续1）VrefViVoVoViVrefVOHVOLtt138.1.4集成电压比较器

（续2）电压比较器运算放大器工作状态过驱动状态小信号状态应用状态开环闭环输出电平要求单极性输出，逻辑电平值按后级电路要求双极性输出，一般要求摆幅尽量大静态时输出电平零输入时，输出为后级逻辑电路的阈值电平零输入时，输出电平也为零电平位移电路选择通常采用齐纳二极管，位移的电压值易控制，频响较好通常用NPN恒流管与电阻串接（或用横向PNP管）选通端一般均有选通端没有选通端148.1.4集成运算放大器版图示例15§8-2D/A转换器

D/A转换器完成数字信号到模拟信号的转换。他接收的是一定位数的数字编码信号，输出的是电流或电压形式的模拟信号。168.2.1D/A转换器的一般组成

基准电源数据锁存采样与保持控制电路开关电路(电流型、电压型)数字信号模拟信号网络阵列(电阻或电容)运算电路（加法器、跟随器等）基准电源：可集成在芯片内部，也可以外接；数据锁存：是防止输入的数据在完成变换之前改变；采样保持：是使输出的模拟量直到下一次新的变换输出之前保持不变。178.2.2D/A转换器的主要参数

转换速度：从输入数字信号开始到模拟输出的时间（可有不同的规定）。温度灵敏度：在确定的数字信号输入下，模拟输出随温度的相对变化。分辨率：接收输入的数字信号的位数。若转换器接收n位数字信号输入，则能对应输出模拟量的个数为2n，称其分辨率为n。188.2.2D/A转换器的主要参数

（续）线性度：对理想的D/A转换器，相等的数字输入增量应有相等的模拟输出增量。输入与输出呈线性关系（单调函数）。而实际上总是存在偏差。000001010011100101110111a0a1a2a3a4a5a6a7设线为线性度误差，为数字输入变化最低有效位时正常模拟输出的变化量。则定义为线性度。而应满足：<1

2198.2.3D/A转换器的分类按其开关类型分类可分为

电流开关型和电压开关型；按其网络阵列形式分类可分为权电阻型和梯形R-2R型等；按其连接方式分类可分为串联、并联及间接式；按定标类型分类可分为电流定标型（适合双极型）、电压定标型和电荷定标型（适合MOS型）。208.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

1.基本结构Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

b1b2b3…

bn

为n位输入数字量，控制模拟开关，其中：

b1为最高位，bn为最低位；

VO为输出电压的模拟量；

R2R4R…2n-1R为权电阻网络，Vref为基准电压，放大器接成反相求和运算形式；218.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

2.工作原理Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

由虚地的概念可知：无论开关合向哪一端，每个电阻上所通过的电流是不变的。I1=VrefRI2=Vref2RI3=Vref4RIn=Vref2n-1R设bi为“0”时，对应的开关合向①；bi为“1”时，对应的开关合向②。228.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

2.工作原理（续）

I=b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInRf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②VO=–

Vref(+++

…+)b120b221b322bn2n-1设放大器输入阻抗为，Rf

=R，则有：VO

=–

IfRIf=I238.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

3.线性度Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②由于电阻的阻值差别很大，对精度有很大影响.

仅最高位电阻的误差（R)所引进的输出模拟量误差为:VO=Rf

–

Rf

-VrefR+R-VrefR=VrefRf

R(R+R)R248.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

3.线性度（续）Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②而最低有效位对应输出模拟量为:=VrefRf

12n-1R=2n-1<(R+R)R12则：近似有：<RR12n可见，位数越多，对电阻的精度要求就越高。即：=VrefRf

R(R+R)R258.2.4权电阻网络电流开关电流定标D/A转换器

4.电路示例Vbe

取0.7VVOb1b2b3b4AD11.2V-4.5VD2D3D410k20k40k80k5k注意：

该电路当Bi为“0”时，对应位的电路参加运算。268.2.5反梯形R-2R电阻网络电流开关

电流定标D/A转换器

1.电路结构Rf=R2R2R2R2RIfVrefVOb1b2b3bnRRR2R①①①①②②②②阻值只有R和2R两种，精度较容易控制。开关接在电阻网络前面、直接与运算器输入端相连的称为反梯形，开关接在电阻网络后面的称为正梯形。278.2.5反梯形R-2R电阻网络电流开关

电流定标D/A转换器

2.工作原理Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②从图中清楚地可以看出无论开关合向哪一侧：I=VrefRI1=I121I1=I122I1=I123I1=I12n288.2.5反梯形R-2R电阻网络电流开关

电流定标D/A转换器

2.工作原理（续）Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②设bi为“0”时，对应的开关合向①；bi为“1”时，对应的开关合向②。放大器输入阻抗为，则有：If=

b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInVO=-Vref(+++

…+)b121b222b323bn2n又：VO

=-

IfR所以有：298.2.5反梯形R-2R电阻网络电流开关

电流定标D/A转换器

3.电路示例Vbe

=0.75Vb1b21k2k1k2kVD

=0.75VVZ

=6.2VVOb3b4A2k2k2k1k1K2k40D2D1DZVB-8V308.2.6电阻分压式电压开关电压定标D/A转换器

1.电路结构VrefVORRRRRRRRb2b2b3b3b3b3b2b2b3b3b3b3b1b1三位D/A

N位转换器由2N个相同电阻串联对一个基准电压进行分压；

由输入数字信号控制的开关矩阵对分压值作选择传送；由高阻抗缓冲放大器（或电压跟随器）进行模拟输出。318.2.6电阻分压式电压开关电压定标D/A转换器

2.电阻分压及开关部分版图示例VrefGND到运算电路b3b3b2b2b1b1

位数过多时，电阻链过长，开关级数过多，影响精度和速度。328.2.7电荷定标D/A转换器

电路结构及工作原理①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA

先由控制信号CTR将所有开关合向①，使电容都对地放电，VA=0。然后，将开关S0断开，其它开关由输入数字编码b1b2b2…bn控制。设bi为0时，开关合向①；bi为1时，开关合向②，Vref对电容充电。338.2.7电荷定标D/A转换器

电路结构及工作原理（续1）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA(Vref

–VA)CV=VACGVA=VrefCVCV+CGVrefVACVCGCtolCV

=Vref348.2.7电荷定标D/A转换器

电路结构及工作原理（续2）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VACtol=C+

++…+

+

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

+…+)

b22b342n-1bnVA=

Vref(

++

+…+)

b12b24b382nbnVrefVACVCG35§8-3A/D转换器

A/D转换器完成模拟信号到数字信号的转换。他接收的是电流或电压形式的模拟信号，输出的是一定位数的数字编码信号。正在朝着高速高分辨率，低压低功耗的方向发展。368.3.1A/D转换器的一般特性

常用转换输出数字编码信号的位数表示转换精度，它反映了转换器能分辨的最小模拟信号差，位数越高，精度越高。

输入的模拟信号是连续的变化量，而输出的数字信号是离散的，二者不是一一对应的，实际上是一定小范围的模拟量对应一个数字量。378.3.1A/D转换器的一般特性（续1）

当模拟输入从零至满量程AF变化时，对于N位输出数字信号有2N个输出状态，其间有2N-1个状态跃变。

每个数字输出对应输入模拟量的范围为：=

AF/2N，各段的中心点为编码中心点。000001010011100101110111ADAF0AF4AF23AF4388.3.1A/D转换器的一般特性

（续2）

由于模拟输入往往都是随时间的变化量，因而会造成转换输出的不确定，所以一般都需要在转换器的输入端加采样保持电路。VAt孔阑时间孔阑误差t1t2VA2VA1TxVx398.3.2单斜率积分式A/D转换器C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位计数器b3bnVaR2

每次转换前，开关S闭合，将电容C放电，并将计数器清零。

开始转换时，开关S断开，积分器开始积分，积分时间常数为R1C。Va起始为负值，比较器C1输出为“0”，比较器C2输出为“1”，时钟clk被屏蔽，计数器不计数。408.3.2单斜率积分式A/D转换器（续1）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位计数器b3bnVaR2当Va达到0V时，比较器C1状态改变，输出为“1”，计数器开始计数。当Va达到模拟输入Vi时，比较器C2状态改变，输出为“0”，时钟clk再次被屏蔽，计数器停止计数。418.3.2单斜率积分式A/D转换器（续2）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位计数器b3bnVaR2

N位计数器的最终值即为与模拟输入Vi对应的N位数字值。n12N个周期Vat0VFSn2Va2Va1428.3.2单斜率积分式A/D转换器（续3）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位计数器b3bnVaR2关键要设计积分常数R1C，使N位计数器计满时（2N个时钟周期）对应的模拟电压为满量程电压VFS，另外要求时钟频率精确。

可以采用开关电容等效电阻电路，提高积分常数的精度：=R1C=c(C1/C）1438.3.3双斜率积分式A/D转换器CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制电路N位计数器

每次转换前，开关S1合向模拟输入Vi

，开关S2闭合将电容C放电，并将N位计数器清零。开始转换时，开关S2断开，积分器开始2N个时钟周期的固定时间积分，Va上升斜率为：Vi/RC。448.3.3双斜率积分式A/D转换器（续1）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制电路N位计数器

对于不同的模拟输入Vi

，有不同的上升斜率。2N个周期对Vi积分Vat0Va1Va2Va3458.3.3双斜率积分式A/D转换器（续2）积分器开始反积分，Va下降斜率为-Vref/RC。CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制电路N位计数器

计数至2N个时钟周期时，

S1合向与模拟输入极性相反的参考电压-Vref，同时计数器回复零重新开始计数。

当Va降到0V时，比较器C状态改变，计数器停止计数。此时计数的值即为对应模拟输入Vi的数字输出。468.3.3双斜率积分式A/D转换器（续3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制电路N位计数器对于不同的模拟输入Vi时，Va有不同的上升斜率，但是有固定的下降斜率。n1n2n32N个周期对Vi积分对-Vref积分Vat0Va1Va2Va3478.3.3双斜率积分式A/D转换器（续3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制电路N位计数器积分时间常数RC和时钟频率对上升和下降的影响相同，转换精度较高。n1n2n32N个周期对Vi积分对-Vref积分Vat0Va1Va2Va3488.3.4逐次逼近式A/D转换器

1.结构及原理10000110000100011100101000110000100111101101010110100100111001010001100001011111111011101111001101111010110011100010111101101010110100100111001010001100001数码寄存器D/A转换器移位寄存器数码输出比较器模拟输入控制器498.3.4逐次逼近式A/D转换器

2.电路实例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转换器比较器模拟输入ViRSTCLKMSBLSBb1b2b