《模拟集成电路》课件

1、模拟集成电路,1. 掌握差放的结构、原理及Q点、动态指标的计算。,2.了解差动放大器抑制零点漂移的原理。,3.了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。,4.了解集成运算放大器的组成及工作原理。,6 集成电路运算放大器,5.了解集成运算放大器的主要参数。,基本要求,模拟集成电路,6.1 电流源,6.2 差分式放大电路,6.3 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,6 集成电路运算放大器,6.0 概述,模拟集成电路,一、集成电路(integrated circuit)： 在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块Si 基片上，并引出相应的引线

2、，构成特定功能的电子电路。如：运放、各种芯片等。,概 述,模拟集成电路,二、按功能分类：,模拟集成电路,数字集成电路,三、集成度：,小规模集成电路（SSI）102,中规模集成电路（MSI）103,大规模集成电路（LSI）105、,超大规模集成电路（VLSI）105、 (如：CPU 310万-330万),Intel 奔腾4,模拟集成电路,6 集成电路运算放大器,集成电路的工艺特点：,6.0 概述,（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。,（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载,（2）集

3、成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。,模拟集成电路,要求：提供恒定电流IO，且有大的交流电阻,其两端电压变化时， IO保持恒定。,6.1集成电路运放中的电流源,模拟集成电路,二、恒流特性,一、电路组成,当较大(2)时：,三极管T1、T2对称,6.1.1.1 镜像电流源（P258）,结论： 无论Rc值如何, IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）,模拟集成电路,当较小时，可用带缓冲级的镜像电流源,增加T0，使IC更加接近IREF,三、镜像电流源特点,3. 电流最低至mA级。,1内阻ro一般在几百

4、千欧以上,2. 电流受电源波动影响大；,4. 具有温度补偿特性。,模拟集成电路,所以IC2也很小,一、电路特点,二、工作原理,（Re2 K级）,2受电源波动影响小；,3IC2 uA级；,优点： 1内阻ro一般在几百千欧以上,6.1.1.2微电流源（P259）,4. 具有温度补偿特性。,模拟集成电路,T1、T2、T3的基极并联。电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。,6.1.1.3多路电流源：,模拟集成电路,放大管,例电流源作为有源负载：,6.1.1.4 电流源作用,例P315 6.6.1,模拟集成电路,举例：P282 集成运放,微电流源直流偏置,镜像电流源有源负载,电流源直流偏置,模拟

5、集成电路,6.1.2 FET电流源（P260）,一、 MOSFET镜像电流源：,二、 MOSFET多路电流源：,三、 JFET电流源：,(与BJT电流源比较，自学，了解),模拟集成电路, 直接耦合放大电路, 零点漂移, 电路组成及工作原理, 抑制零点漂移原理,6.2.0 概述,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.2 FET差分式放大电路,6.2.3 差分式放大电路的传输特性, 差分式放大电路中的一般概念, 主要指标计算, 几种方式指标比较,6.2 差分式放大电路,模拟集成电路,1. 直接耦合放大电路,可以放大直流信号,2.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：,主要原因：,温漂指标：,# 为什

6、么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,主要由温度变化引起，也称温漂。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,6.2.0 概述,模拟集成电路,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,调制解调方式。如“斩波稳零放大器”,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,6.2.0 概述,模拟集成电路,4. 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

7、构示意图,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,差模信号输出,共模信号输出,6.2.0 概述,两个输入信号的差值,两个输入信号的算术平均值,根据以上两式可以得到,模拟集成电路,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,总输出电压,6.2.0 概述,模拟集成电路,1=2=,rbe1= rbe2= rbe,两个BJT特性一致，参数相等。,VBE1=VBE2= VBE,1. 电路组成,差放一般有两个输入端： 双端输入两输入端同时加信号 单端输入一输入端对地加信号,差放可以有两个输出端: 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,6.2.1 基本差分式放大电路,模拟集成电路,

8、6.2.1 基本差分式放大电路,1. 电路组成,恒流源的作用,根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式:,双端输入、双端输出；,双端输入、单端输出；,单端输入、单端输出；,单端输入、双端输出；,相当于阻值很大的电阻。,模拟集成电路,6.2.1 基本差分式放大电路,1. 电路组成,差模信号：,共模信号：,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,（差模、共模、任意输入）,模拟集成电路,6.2.1 基本差分式放大电路,2. 工作原理以双端输入、双端输出为例,静态分析( vi1=vi2 =0),模拟集成电路,c1,c2,2 . 动态分析：,(1) 差模输入：,vC1,vC2,vo = vC1 vC2

9、 = 2vC1,结论1：差分式放大电路对差模信号有放大能力。,模拟集成电路,（2） 共模输入：,vC1,vC2,c1,c2,vo = vC1 vC2 = 0,结论2：差分式放大电路对共模信号有抑制能力。,模拟集成电路,3. 差放抑制零漂,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流变化。且变化趋势相同,差分式放大电路对共 模信号有很强抑制作用。,其效果相当于在两输入 端加入了共模信号。,6.2.1 基本差分式放大电路,模拟集成电路,4、主要技术指标计算(P265),模拟集成电路,双端输入，差模信号为：,v i1= -vi2 = vid /2,交流通路:, 电流源 I O, +VCC 、-VEE 交

10、流短接,交流短接,1. 差模电压增益,模拟集成电路,(1) 双入双出AVD(P265),（单边电路增益）,有负载RL 时：,负载开路 时：,模拟集成电路,(2) 双入单出AVD ：,模拟集成电路,双端输入，共模信号为：,vi 1=vi 2 =vi c,交流通路:, 电流源 I O, +VCC 、 -VEE交流短接,电流源内阻ro,等效变换电路：,2.共模电压增益,c1,c2,模拟集成电路,(1) 双入双出AVC,vi 1=vi 2 =vi C T1、T2电路对称,vO1=vO 2,vO= vO1-vO 2 =0,=0,结论： 双入双出时差放抑制零漂能力最强,模拟集成电路,(2) 双入单出AVC

11、,vi 1=vi 2 =vi c vO= vO1,模拟集成电路,3.单端输入差分式放大电路：,结果自行分析 P266,模拟集成电路,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,6.2.1 基本差分式放大电路,4. 主要指标计算,模拟集成电路,6.2.1 基本差分式放大电路,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,模拟集成电路,6.2.1 基本差分式放大电路,(3)差模输入电阻,不论是单

12、端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时，,双端输出时，,(5)共模抑制比,模拟集成电路,讨论：, 单端输出：, 双端输出： 共模抑制能力最强；,提高电路的 KCMR 重要因素： 保证电路的对称性； 保证足够大的发射极电阻ro,模拟集成电路,6.2.3 FET差分式放大电路：P272，自学,6.2.4 差分式放大电路传输特性：P277，自学,模拟集成电路,讨论1: 差分式放大电路实例,恒流源,IE=(VZ - VBE3 )/ Re,IC3 =(UR2- VBE3 )/ Re,模拟集成电路,讨论2 : 设1=2=3=4=100，VBE1= VBE2=0.7V，VB

13、E3= VBE4=0.6V。求静态时VCE1,解：,VCE1=2.6V,模拟集成电路,6.4.1 CMOS MC14573集成电路运算放大器,6.4 集成电路运算放大器,自学 了解,模拟集成电路,6.4.2 概述,集成电路运算放大电路内部组成原理框图,模拟集成电路,6.4.2 概述,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输出电阻小,输入电阻大,模拟集成电路,6.4.2 运算放大器的组成,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电

14、路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,模拟集成电路,6.4.2 通用型集成电路运算放大器,模拟集成电路,6.5 集成电路运算放大器的主要参数,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流IIB,3. 输入失调电流IIO,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂IIO / T,5. 最大差模输入电压Vidmax,6. 最大共模输入电压Vicmax,7. 最大输出电流Iomax,模拟集成电路,6.5 集成电路运算放大器的主要参数,8. 开环差模电压增益AVO,9. 开环带宽BW (fH),10. 单位增

15、益带宽 BWG (fT),11. 转换速率SR,模拟集成电路,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,6.5 集成运算放大器的主要参数,2.输入失调电压温漂 dVio /dT（输入误差）,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,1.输入失调电压Vio （输入误差）,模拟集成电路,4.输入失调电流 Iio （输入误差） 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IB （输入误差） 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管

16、输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIio /dT （输入误差）,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,6.5 集成运算放大器的主要参数,模拟集成电路,6.最大差模输入电压Vidmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时, 差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。 共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去 共模抑制能力。,6.5 集成运算放大器的主要参数,模拟集成电路,8.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB

17、左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,6.5 集成运算放大器的主要参数,模拟集成电路,11.3dB带宽 f H ：,12.转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,6.5 集成运算放大器的主要参数,模拟集成电路,运算放大器外形图,模拟集成电路,运算放大器外形图,模拟集成电路,6.4 特殊集成运算放大器,为满足

18、实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,模拟集成电路,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,一.高速型和宽带型,模拟集成电路,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如： OP177 CF714,二.高精度(低漂移型）,模拟集成电路,用于测量设备及采样保持电路中。 例如：