集成电路原理

集成电路原理第1页，课件共98页，创作于2023年2月3.1对数器和指数器

3.1.1对数器3.1.2指数器3.1.3集成化的对数器和指数器第2页，课件共98页，创作于2023年2月3.1对数器和指数器对数器是实现输出电压与输入电压成对数关系的非线性模拟电路。1.PN结的伏安特性Id

PN结的正向导通电流IS

PN结的反向饱和电流，它随温度变化q

电子电荷量，q=1.602×10-19Ck

玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/ºCT

绝对温度

t=25ºC时，Ud＞100mV第3页，课件共98页，创作于2023年2月2.二极管对数放大器由得输出电压为式中，当t=25ºC时，UT≈59mV。图3-1-2二极管对数器的传输特性图3-1-1二极管对数器Uk=RIS第4页，课件共98页，创作于2023年2月3.三极管对数放大器图3-1-3三极管对数放大电路在理想运放的条件下输出电压为采用三极管作变换元件，可实现5～6个数量级的动态范围，而采用二极管可实现3～4个数量级的动态范围。二极管和三极管对数器明显缺点是温度稳定性差。

第5页，课件共98页，创作于2023年2月4.温度补偿对数器的实际电路图3-1-4补偿对放大器的实际电路输出电压为第6页，课件共98页，创作于2023年2月3.1.2指数器由Uo=-IeR和得输出电压为式中，当t=25ºC时，

1.基本指数器图3-1-5基本指数器图3-1-6指数器的传输特性第7页，课件共98页，创作于2023年2月2.具有温度补偿的实用指数器图3-1-7具有温度补偿的实用精密指数器第8页，课件共98页，创作于2023年2月VT2的集电极电流为在ui＜0时设得输出电压

选正温度系数的RT，可对环境温度引起的变化进行补偿。第9页，课件共98页，创作于2023年2月3.1.3集成化的对数器和指数器图3-1-88048型集成化对数放大器第10页，课件共98页，创作于2023年2月图3-1-98049型集成化指数器第11页，课件共98页，创作于2023年2月3.2乘法器及其应用3.2.1乘法器的基础知识3.2.2乘法器的工作原理3.2.3模拟乘法器的应用电路第12页，课件共98页，创作于2023年2月3.2.1乘法器的基础知识1.乘法器乘法器具有两个输入端（通常称为X输入端和Y输入端）和一个输出端（通常称为Z输出端）。图3-2-1乘法器的符号输出特性方程为或Z=KXYK为增益系数或标度因子，单位为V-1。uo(t)=Kux(t)uy(t)第13页，课件共98页，创作于2023年2月图3-2-2乘法器的工作象限2.乘法器的工作象限乘法器有四个工作区，它两个输入电压极性来确定。两个输入端只能适应单一极性乘法器称为单象限乘法器。如果一个输入端适应正、负两种极性，另一输入端只能适应单一极性乘法器称为二象限乘法器。如果两个输入端均能适应正、负极性的乘法器称为四象限乘法器。第14页，课件共98页，创作于2023年2月3.乘法器的基本性质（1）乘法器的静态特性①X=0时，Y为任意值，则输出Z=0；Y=0时，X为任意值，则输出Z=0。②当X等于某一常数时，输出Z与Y成正比，Z与Y的关系曲线称为四象限输出特性。③当输入幅值相等时，即X=Y或X=－Y，输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。图3-2-3理想乘法器四象限输出特性第15页，课件共98页，创作于2023年2月图3-2-4理想乘法器平方律输出特性(2)乘法器的线性和非线性通常认为乘法器是一种非线性器件。乘法器不能应用线性系统中的叠加原理，但是乘法器在一定条件下，又是线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即X=常数，Y=V1+V2，则有式中理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质，在这里“线性”的含义仅仅是非线性本质的特殊情况。第16页，课件共98页，创作于2023年2月3.2.2乘法器的工作原理模拟乘法器有多种方法能实现，有对数—指数相乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分割相乘法和变跨导相乘法等。其中变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高，它的-3dB频率可达10MHz以上。第17页，课件共98页，创作于2023年2月式中，io—输出电流，ui—输入电压，gm—跨导或称为OTA的增益。OTA的传输特性可表示为io=gmui1.跨导型集成运放简介

跨导型集成运放(OperationalTransconductanceAmplifier缩写为OTA)与一般集成运放区别是，具有一个以偏置电流注入形式出现附加控制输入端，这使OTA特性及应用更加灵活；这种器件的输出不是一般集成运放中输出电阻趋于零电压源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。第18页，课件共98页，创作于2023年2月2.单片集成OTA电路CA3038图3-2-5CA3038的内部电路即乘法器基本工作原理Ic=I4=i1+i2io=i8–i10=i1–

i2第19页，课件共98页，创作于2023年2月输出电流为电压增益为在传输特性线性区，常温时调整Ic，即可改变gm，故称为可变跨导型。图3-2-6CA3038的传输特性第20页，课件共98页，创作于2023年2月3.F3038的主要性能指标参数名称典型值单位输入失调电压0.4mV输入失调电流0.12

Agm9.6mS峰值输出电压RL=

+13.5－14.4V电源电流1mA功耗30mW共模拟制比110dB峰值输出电流RL=0500

A共模输入电压+13.6－14.6V输入电阻26k

在室温25

C，电源电压±15V及IC=500A的条件下。第21页，课件共98页，创作于2023年2月3.2.3模拟乘法器的应用电路1.平衡调幅器图3-2-7平衡调幅器的组成方框图设载波信号ux(t)=UxmcoswctV为大信号使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为sX(t)，对sX(t)进行傅立叶分解，表达式可写为：调制信号uy(t)=UWmcosWtV为小信号。第22页，课件共98页，创作于2023年2月得乘法器输出电压为式中，Rc、RY是乘法器集成电路的内部电阻，其中RY是反馈电阻，Rc是集电极负载电阻。经滤波器滤除载波的谐波组合后，输出电压为AF为带通滤波器传输系数第23页，课件共98页，创作于2023年2月图3-2-8平衡调幅的波形图输出电压中仅有上下边频分量不存在载频

c分量，所以这种调制称为抑制载波的双边带调制，又称平衡调制。

第24页，课件共98页，创作于2023年2月调制信号为1.6kHz，载波信号为40kHz。14脚输出抑制载波双边带信号。利用X失调电位器RX，使输出产生载频

c信号，则可得到普通调幅波，调RX

可用于改变调幅度。图3-2-9平衡调幅器第25页，课件共98页，创作于2023年2月2.乘积检波器用模拟乘法器组成的检波电路称为乘积检波器，主要用于抑制载波的双边带或单边带信号的解调。

如输入模拟乘法器的是抑制载波双边带信号，即另一端输入与载波同频同相的高频信号，即相乘后为第26页，课件共98页，创作于2023年2月经低通滤波器滤除高频分量，得低频电压输出为式中，K为乘法器标度因子，AF为带通滤波器的传输系数。图3-2-10用乘法器解调的方框图第27页，课件共98页，创作于2023年2月图3-2-11MC1595构成的乘积检波器第28页，课件共98页，创作于2023年2月设得乘法器输出电压为调制低频信号为第29页，课件共98页，创作于2023年2月3.鉴频器图3-2-12用乘法器构成鉴频器的方框图电压传输系数为式中在f0附近得

第30页，课件共98页，创作于2023年2月在±0.5（即±30º）范围内，故得到此式表示能完成线性频相转换。

图3-2-14频相转移的网络的相频特性图3-2-13频相转移网络

第31页，课件共98页，创作于2023年2月图中，经放大后的调频信号uY(t)

加到乘法器的一个输入端，同时uY(t)又经线性频相转换网络产生uX(t)

加到乘法器的另一个输入端。乘法器完成鉴相功能。

当两路输入均为大信号时，乘法器具有三角形鉴相特性，线性鉴相范围可达±(

/2)。调频波的解调输出为Kd—鉴相灵敏度，f—调频波瞬时频率。Kf=KdQDff=(f–f0

),第32页，课件共98页，创作于2023年2月图3-2-15用MC1595构成的鉴频器第33页，课件共98页，创作于2023年2月4.混频器图3-2-16双平衡混频器第34页，课件共98页，创作于2023年2月3.3二极管检波器和绝对值变换器3.3.1二极管检波器3.3.2绝对值检波电路第35页，课件共98页，创作于2023年2月3.3.1二极管检波器1.理想二极管检波器图3-3-1理想二极管检波电路工作原理：当ui＞0时，VD1导通，VD2截止，当ui

＜0时，VD1截止，VD2导通，＞0，第36页，课件共98页，创作于2023年2月图3-3-2理想二级管检波器的输入输出特性以正弦输入电压为例可画出输入电压、输出电压的波形图。图3-3-3输入为正弦时的ui，uo波形图第37页，课件共98页，创作于2023年2月分析由Ad和二极管结压降引起的误差：输出电压为集成运放的输出电压为由以上两式得得输出电压为2.实际二极管检波特性当ui＞u_时，i1＞0时，VD1导通，VD2截止。第38页，课件共98页，创作于2023年2月式中有线性检波死区限制最小输入信号检波能力。有一个很小输入电压变化，当ui＜u_时，i1＜0时，输出电压为得输出电压

由i1＜0，VD1截止，VD2导通。为反馈系数，

第39页，课件共98页，创作于2023年2月3.3.2绝对值检波电路1.反相型绝对值检波电路图3-3-4反相型绝对值检波电路第40页，课件共98页，创作于2023年2月工作原理当ui＜0时，VD1导通，VD2

截止，由u_=u+=0，uA=0得输出电压为＞0。当ui＞0时，VD1截止，VD2导通，得输出电压为第41页，课件共98页，创作于2023年2月当满足电阻匹配条件：R3R2=2R1R4，例如选取R1=R3，R4=0.5R2时，得＞0不论输入电压ui极性如何，uo总为正值:当取R5=R2时图3-3-5反相型绝对值检波器的传输特性即uo=|ui|第42页，课件共98页，创作于2023年2月反相型绝对值检波电路缺点是：输入电阻较低。图3-3-6同相型绝对值电路当要求输入电阻较高时，可采用同相型电路：同相型绝对值检波电路工作原理与反相型绝对值检波电路工作原理的分析方法类似。第43页，课件共98页，创作于2023年2月2.增益可调的绝对值变换电路图3-3-7可调增益绝对值变换电路当ui＞0时，A1输出电压uo＞0，则VD1止，VD2通，A1输出端通过VD2构成闭环。A1反相端输入电压将跟踪输入电压，即u－=uiA2

在u－和uo的作用下，VD3通，VD4止。＞0u－端为虚地，R1为uo的负载：第44页，课件共98页，创作于2023年2月当ui＜0时，A1输出压uo＜0，则VD1通，VD2截止，A1输出端通过VD1构成闭环。＞0调节m可调增益。同样，A1反相端电压将跟踪输入电压，即u－=ui。A2

在u－＜0的作用下，VD4导通，VD3截止。若满足电阻匹配件：R1=R则输出电压为第45页，课件共98页，创作于2023年2月从图中可以看出电位器(1－m)R上电流为当m

0或m

1时，均会出现极大电流，这是不允许的，为此需在电位器两端各串入一个电阻。此绝对值变换电路的增益调节范围可以从几到几十倍，且具有较高的输入阻抗。第46页，课件共98页，创作于2023年2月3.4限幅器3.4.1二极管并联式限幅器3.4.2二极管串联式限幅器第47页，课件共98页，创作于2023年2月3.4.1二极管并联式限幅器1.二极管并联式限幅器的工作原理图3-4-1二极管并联式限幅器当ui低于某一门限电压，即VD截止时：ui＜UimuA＜(Uref+UD)

第48页，课件共98页，创作于2023年2月限幅器为反相器，其输出电压为传输特性的斜率为当ui≥Uim，即VD导通时，UA被箝位在(Uref+UD)

电平上，这时限幅器的输出电压不再随ui变化，其输出电压为图3-4-2二极管并联式限幅器的传输特性第49页，课件共98页，创作于2023年2月2.实际应用的二极管并联式限幅器图3-4-3实际应用的二极管并联式限幅器门限电压为输出电压为由以下两式可知，由于两个三极管结压降互相抵消，所以实现了温度补偿。第50页，课件共98页，创作于2023年2月图3-4-4双向限幅器的传输特性如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可得到双向限幅器。如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内传输特性。第51页，课件共98页，创作于2023年2月3.4.2二极管串联式限幅器工作原理图3-4-5二极管串联式限幅器当uA<uD时，即所以当输入电压低于某一门限电压时，可得:VD截止，IR1=IR2第52页，课件共98页，创作于2023年2月这时uA<uD

，二极管截止，其输出电压uo=0。图3-4-6二极管串联限幅器的传输特性缺点：温度稳定性较差，尤其是当R1>>R2

时，温度稳定性更差。当输入电压等于或高于输入门限电压时，VD导通，输出电压为第53页，课件共98页，创作于2023年2月在以上限幅电路的基础上，如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内的传输特性。如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可得到区间限幅器。图3-4-7二极管区间限幅器图3-4-8区间限幅器的传输特性第54页，课件共98页，创作于2023年2月3.线性检波限幅器图3-4-9线性检波限幅器当iS>0，即ui>时，VD2截止，VD1导通。输出电压

ui＜时，VD2导通，VD1截止，输出电压uo

=0。当iS＜0，即限幅特性见下页图第55页，课件共98页，创作于2023年2月图3-4-10线性检波限幅器的限幅特性门限电压为在下图中此限幅器的优点是具有稳定的传输特性。如果将两个二极管VD1、VD2同时改变方向，参考电压也改变方向，便可得到第二象限内限幅特性。第56页，课件共98页，创作于2023年2月3.5二极管函数变换器3.5.1串联限幅型二极管函数变换器3.5.2并联限幅型二极管函数变换器3.5.3线性检波型二极管函数变换器第57页，课件共98页，创作于2023年2月3.5.1串联限幅型二极管函数变换器图3-5-1串联限幅型二极管函数变换器VD1限幅电路：VD3限幅电路：各串联限幅电路的门限电压分别为第58页，课件共98页，创作于2023年2月各串联限幅电路的门限电压分别为VD2限幅电路：VD4限幅电路：图3-5-1串联限幅型二极管函数变换器第59页，课件共98页，创作于2023年2月假设Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，则二极管函数变换器不同门限电压范围内输出电压分别为：当ui≤Uim4时，只有VD2、VD4导通，输出电压为当Uim4＜

ui≤Uim2时，只有VD2导通，输出电压为

当Uim2＜

ui＜Uim1

时，VD1～VD4均截止，第60页，课件共98页，创作于2023年2月当Uim1≤

ui＜Uim3时，只有VD1导通，输出电压为当ui≥Uim3时，只有VD1、VD3导通，输出电压为图3-5-2串联限幅二极管函数变换器的限幅特性第61页，课件共98页，创作于2023年2月3.5.2并联限幅型二极管函数变换器图3-5-3并联限幅型二极管函数变换器各并联限幅电路的门限电压分别为VD1限幅电路：VD3限幅电路：VD2限幅电路：VD4限幅电路：第62页，课件共98页，创作于2023年2月假设Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，则二极管函数变换器不同门限电压范围内输出电压分别为:当ui≤Uim4时，只有VD2、VD4导通，输出电压为当Uim4＜

ui≤Uim2时，只有VD2导通，输出电压为第63页，课件共98页，创作于2023年2月当Uim2＜

ui＜Uim1

时，VD1～VD4均截止，当Uim1

≤

ui＜Uim3时，只有VD1导通，输出电压为当ui≥Uim3时，只有VD1、VD3导通，输出电压为输出电压为第64页，课件共98页，创作于2023年2月图3-5-4并联限幅型二极管函数变换器的限幅特性并联限幅型二极管函数变换器输出电压的变化率是随输入电压增大而减小。第65页，课件共98页，创作于2023年2月3.5.3线性检波型二极管函数变换器图3-5-5线性检波型二极管检波变换器第66页，课件共98页，创作于2023年2月每个线性检波电路的转折电压分别为

假设Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，当输入电压在不同范围时，各线性检波器的输出电压有以下几种情况：由A3引起的输出：当ui＜Uim3，uo3=0当ui≥Uim3，由A2引起的输出：当ui＞Uim2，uo2=0当ui≤Uim2，第67页，课件共98页，创作于2023年2月由A3引起的输出：当ui＜Uim3，uo3=0当ui≥Uim3，由A4引起的输出：当ui＞Uim4，uo4=0当ui≤Uim4，输入电压ui通过电阻R0引起的输出电压为将上述各分量求和，则可得出总的输出电压为由上述分析结果，可按输入电压在不同的转折电压范围内得出总输出电压分别为:第68页，课件共98页，创作于2023年2月当ui≤Uim4时，uo1、uo3均为零，输出电压为当Uim4＜

ui≤Uim2时，uo1、uo3、uo4均为零，则当Uim2＜ui＜Uim1时，uo1、uo2、uo3、uo4均为零则第69页，课件共98页，创作于2023年2月当Uim1≤

ui＜Uim3时，uo2、uo3、uo4均为零，则当ui≥Uim3时，uo2、uo4均为零，则可得线性检波型二极管函数变换器的函数变换特性曲线。第70页，课件共98页，创作于2023年2月综上所述，设计二极管函数变换器步骤如下：②由函数关系表达式uo=f(ui)确定每段折线的转折电压和折线的斜率。图3-5-6线性检波型二极管检波变换器的限幅特性①用折线段来逼近已知函数；③根据对转折电压和斜率的要求设计每个线性检波器电路的参数。第71页，课件共98页，创作于2023年2月3.6电压比较器及其应用3.6.1电压比较器的性能3.6.2单限电压比较器3.6.3迟滞电压比较器3.6.4窗口电压比较器3.6.5电压比较器的应用举例第72页，课件共98页，创作于2023年2月3.6.1电压比较器的性能1.一般运放在使用时，往往是工作在闭环状态，多数应用中还要求运放工作在负反馈闭环状态。2.当用作电压比较器时，集成运放应处在开环工作状态。3.对于集成电压比较器性能要求，输入级与一般集成运放相同，而输出级与数字电路要求一致。4.电压比较器频带较宽，无需相位补偿，以便尽可能获得高速翻转，减小响应时间。第73页，课件共98页，创作于2023年2月鉴别灵敏度又称为分辨率或转换精度，它是指电压比较器的输出状态发生跳变所需要的输入模拟信号电压的最小变化量。响应速度是反映比较器从高电平转换到低电平或从低电平跳变到高电平时所需时间的长短（两者所需时间一般不等）。6.电压比较器主要性能指标有：

鉴别灵敏度、响应速度、带载能力等。第74页，课件共98页，创作于2023年2月电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电路，因此带动负载能力的大小也是评价电压比较器性能的一项重要指标。表征这一指标的主要参数是：

①输出电阻Ro；

②输出高电平时的漏电流IOR；

③输出端吸入电流Isink

。

Ro和IOR

越小，Isink

越大，则带动负载的能力就越强。第75页，课件共98页，创作于2023年2月3.6.2单限电压比较器1.基本电路和输入输出特性图3-6-1具有上行特性的单限电压比较器及其输入输出特性当Ui＜Em时，uO=UOL；

当Ui＞Em时，uO=UOH。

外加门限电位Em这种特性称为上行特性

第76页，课件共98页，创作于2023年2月外加一个门限电位Em当Ui＞Em时，uO=UOL；

当Ui＜Em时，uO=UOH。

图3-6-2具有下行特性的单限电压比较器及其输入输出特性这种特性称为下行特性。

第77页，课件共98页，创作于2023年2月2.输入箝位保护和输出箝位单限比较器图3-6-3输入箝位保护和输出箝位单限比较器及其输入输出特性当Ui＜Em时，当Ui＞Em时，uO=UOH=Em

。

输出也可以采用箝位，这时它的输出高、低电位分别等于稳压管VDw的稳定电压和正向压降。uO=UOL=

-UD；

第78页，课件共98页，创作于2023年2月3.任意电平比较器当If=I1+Ir＞0,即调节R1/R2或Er，都能改变Eom。当If=I1+Ir＜0,即uO=UOL=-UD

uO=UOH=Eom

图3-6-4任意电平的单限比较器及其输入输出特性第79页，课件共98页，创作于2023年2月3.任意电平比较器图3-6-4任意电平的单限比较器及其输入输出特性uO=UOL=-UD

Ui＞Em，uO=UOH=EomUi＜Em，第80页，课件共98页，创作于2023年2月3.6.3迟滞电压比较器具有迟滞输出特性的电压比较器，叫迟滞电压比较器，也称回差电压比较器。

1.输入输出特性有两个门限电位，数值大EmH叫上门限电位，数值小EmL叫下门限电位，两者之差叫门限宽度(回差电压)，用

Em表示，Em=EmH

EmL。图3-6-5迟滞电压比较器的输入输出特性第81页，课件共98页，创作于2023年2月2.迟滞电压比较器的工作原理迟滞电压比较器共同特点是具有正反馈回路，而获得迟滞特性，同时加速比较器转换过程。图3-6-6具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性第82页，课件共98页，创作于2023年2月分析步骤如下(2)写出u+，u_的表达式(3)求出门限电位EmL、EmH将uo=±UZ分别代入上式中，得(1)确定输出电压UOuo=±UZUOH=UZ，UOL=-UZu-=ui第83页，课件共98页，创作于2023年2月假设u+=u-，求出ui的值即为门限电位。

较大的一个即为

EmH，较小的一个即为

EmL。（4）判断是上行特性还是下行特性若ui从集成运放的反相端输入，则为下行特性；若ui从集成运放的同相端输入，则为上行特性。（5）画出传输特性曲线由传输特性曲线即可分析迟滞电压比较器的工作原理。第84页，课件共98页，创作于2023年2月3.6.4窗口电压比较器用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间。较小一个电位称为下门限电位EmL，较大一个电位称为上门限电位EmH，二者之差称为门限宽度

Em

。当ui落入Em之内或“窗口”之内时，为一种逻辑电平（如为高电平），当ui落入Em之外或“窗口”之外时，为另一种逻辑电平（如为低电平），具有这种传输特性比较器称为窗口电压比较器。第85页，课件共98页，创作于2023年2月1.用集成运放实现的窗口比较器图3-6-8用集成运放实现的窗口比较器及其传输特性工作原理当ui≤EL时，VD1导通，VD2截止U-≈Ui，U+=EL即

U+＜

U-，得uo=UOHEH−EL＞2UD

应满足第86页，课件共98页，创作于2023年2月当EL＜Ui＜EH时，由此可见两门限电位分别为EmH=EH，EmL=EL，DEm=EH-EL所以满足窗口比较器的特性，即当EmL＜Ui

＜EmH时，输出是低电平，

uo=UOLU-=EH，U+≈UiU-＜

U+,得uo=UOHVD1、VD2均导通，U-＞U+

U-＞U+,得uo=UOL当Ui＜EmL

或Ui

＞EmH时，输出是高电平，uo=UOH当ui≥EH时，VD1截止，VD2导通第87页，课件共98页，创作于2023年2月2.用专用电压比较器构成的窗口比较器图3-6-9用专用电压比较器构成的窗口电压比较器及其传输特性须外接上拉电阻。A1截止，A2导通，