模擬集成電路的工藝特點

1、模擬集成電路的工藝特點 模擬集成電路的工藝特點：模擬集成電路的工藝特點： （1 1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，電路具有對稱性。）元器件具有良好的一致性和同向偏差，電路具有對稱性。 （2 2）芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。）芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3 3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。 （4pF4pF以下的小電容。因此，采用直接耦合方式，并用差動放大以下的小電容。因此，采用直接耦合方式，并用差動放大 電路克服直接耦合的零點漂移。電路克服直接耦合的零點漂移。 （5 5）不能制造

2、電感，電感只能外接。）不能制造電感，電感只能外接。 集集 成成 電電 路路 集成電路：將整個電路中的元器件制作在一塊硅基集成電路：將整個電路中的元器件制作在一塊硅基 片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。 模擬集成電路的工藝特點 一一. 集成運放的特性集成運放的特性 1 1、基本結(jié)構(gòu)與符號、基本結(jié)構(gòu)與符號 u u u 電壓放大級 輸出級 偏置電路 uo + 差動輸入級 u u- 任務(wù)任務(wù)4-3 4-3 集成運算放大器集成運算放大器 集成運算放大器集成運算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成 的多級放大器。的多級放大器。 圖圖4-20 4-20 集成運放內(nèi)部組

3、成原理框圖集成運放內(nèi)部組成原理框圖 模擬集成電路的工藝特點 + + + + + T 1 Rc1 s I Rc2 c3 R 2 T 4 T 5 T 3 T VCC+ EE V- u- u+ o u 反反 相相 輸輸 入入 端端 同同 相相 輸輸 入入 端端 輸輸入入級級中中間間級級輸輸出出級級 模擬集成電路的工藝特點 17 _ 1 T REF p 22 T 8 T T 2 14 5 R 3 T R 9 6 30pF 10 I T 7 21 T T 9 T 6 C 19 T 8 7 T 1 T 13 CC T R R T 4 12 T 2 20 R R R R R 6 8 T 10 11 1 T

4、R 4 16 EE + T T 15 9 2 T 3 4 T 23 T R +V 3 18 7 -V +V 5 24 O T 5 39k T A B 偏置電路輸入級中間級輸出級 模擬集成電路的工藝特點 （1）輸入級：）輸入級： 輸入級也稱為差動輸入級，是提高運放質(zhì)量的關(guān)鍵輸入級也稱為差動輸入級，是提高運放質(zhì)量的關(guān)鍵 部分，要求輸入電阻高。部分，要求輸入電阻高。 采用具有恒流源的差動放大電路，為了減小零點漂采用具有恒流源的差動放大電路，為了減小零點漂 移和擬制共模干擾信號。移和擬制共模干擾信號。 （2）中間級）中間級 中間級也稱為電壓放大級，主要作用是提供足夠大的電中間級也稱為電壓放大級，主要作

5、用是提供足夠大的電 壓放大倍數(shù)。壓放大倍數(shù)。 模擬集成電路的工藝特點 （3） 輸出級：輸出級： 主要作用是輸出足夠的電流。主要作用是輸出足夠的電流。 低輸出電阻和高輸入電阻，使放大級與負載隔離。低輸出電阻和高輸入電阻，使放大級與負載隔離。 （4）偏置電路：）偏置電路： 作用：為各級提供合適的工作電流。作用：為各級提供合適的工作電流。 模擬集成電路的工藝特點 集成運算放大器的電路符號集成運算放大器的電路符號 常用符號：常用符號： 國際標準符號：國際標準符號： 集成運放的特點：集成運放的特點： 電壓增益高電壓增益高 輸入電阻大輸入電阻大 輸出電阻小輸出電阻小 模擬集成電路的工藝特點 2、理想集成運

6、放的性能指標、理想集成運放的性能指標 及傳輸特性及傳輸特性 理想集成運放：具有理想?yún)?shù)的集成運算理想集成運放：具有理想?yún)?shù)的集成運算 放大器。放大器。 主要性能指標：主要性能指標： 1 1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)A Au0 u0 2 2）輸入電阻）輸入電阻R Rid id 3 3）輸出電阻）輸出電阻R Ro o00 4 4）共模擬制比）共模擬制比K KCMRR CMRR 模擬集成電路的工藝特點 集成運算放大器的傳輸特性集成運算放大器的傳輸特性 o +Uom -Uom u+ - u- 線性區(qū) 飽和區(qū) 飽和區(qū) uo ui 線性區(qū)：輸入線性區(qū)：輸入 信號的絕對值較信號的絕對值較

7、小。集成運放線小。集成運放線 性應(yīng)用。性應(yīng)用。 飽和區(qū)：飽和區(qū)：輸入輸入 信號的絕對值大信號的絕對值大 于某一數(shù)值，集于某一數(shù)值，集 成運放成運放非線性應(yīng)非線性應(yīng) 用。用。 模擬集成電路的工藝特點 在線性應(yīng)用中，集成運放工作在在線性應(yīng)用中，集成運放工作在 狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈 線性關(guān)系（比例關(guān)系）。有信號運算、線性關(guān)系（比例關(guān)系）。有信號運算、 信號變換和正弦波發(fā)生器等多種電路。信號變換和正弦波發(fā)生器等多種電路。 在非線性應(yīng)用中，集成運放工作在在非線性應(yīng)用中，集成運放工作在 開環(huán)（無反饋）狀態(tài)，它的輸出量與開環(huán)（無反饋）狀態(tài)，它的輸出量與 輸入量呈非線性關(guān)系。有

8、電壓比較器輸入量呈非線性關(guān)系。有電壓比較器 和非正弦波發(fā)生器等電路。和非正弦波發(fā)生器等電路。 模擬集成電路的工藝特點 理想運放工作在線性區(qū)的重要特點：理想運放工作在線性區(qū)的重要特點： 虛短：兩輸入端的電位相同（兩輸入端之間電壓為虛短：兩輸入端的電位相同（兩輸入端之間電壓為 零），認為零），認為“虛假短路虛假短路”，簡稱，簡稱“虛短虛短”。 虛斷：集成運放兩輸入端的虛斷：集成運放兩輸入端的 電流幾乎為零，認為電流幾乎為零，認為“虛假斷路虛假斷路”， 簡稱簡稱“虛斷虛斷”。 模擬集成電路的工藝特點 虛地虛地 模擬集成電路的工藝特點 集成運放在開環(huán)（無反饋）、線性區(qū)工作時的集成運放在開環(huán)（無反饋）、

9、線性區(qū)工作時的 差模電壓增益。差模電壓增益。 一般在一般在100100120dB120dB左右，高增益運放可達左右，高增益運放可達140dB140dB以上。以上。 為使輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓，即為使輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓，即 輸出端折算到輸入端的失調(diào)電壓。輸出端折算到輸入端的失調(diào)電壓。 二、二、 集成運算放大器的主要性能指標集成運算放大器的主要性能指標 u u A id od uo Auo Ig20 模擬集成電路的工藝特點 3 3、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電流 Iio ： 在零輸入、零輸出時，流入運放兩輸入端的靜在零輸入、零輸出時，流入運放兩輸入端的靜 態(tài)基極電流之差，用

10、于表征差動級輸入電流不對態(tài)基極電流之差，用于表征差動級輸入電流不對 稱的程度。稱的程度。 2B1BIO III Uidmax是指是指運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電 壓。若超過此電壓時壓。若超過此電壓時, ,差動管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。差動管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。 模擬集成電路的工藝特點 V Vicmax icmax是指運放在線性工作范圍內(nèi)，所能承受的 是指運放在線性工作范圍內(nèi)，所能承受的 最大共模輸入電壓。若共模電壓超過此值時，放最大共模輸入電壓。若共模電壓超過此值時，放 大器失去共模抑制能力，運放不能正常工作。大器失去共模抑制能力，運放不能正常工作。 R R

11、id id是指運放兩輸入端之間的交流輸入電阻。一 是指運放兩輸入端之間的交流輸入電阻。一 般比較大。雙極型管輸入級約為般比較大。雙極型管輸入級約為10105 510106 6歐姆，場歐姆，場 效應(yīng)管輸入級可達效應(yīng)管輸入級可達10109 9歐姆以上。歐姆以上。 模擬集成電路的工藝特點 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 一般在一般在80dB80dB以上，性能好的高達以上，性能好的高達180dB180dB。 R Ro o是指運放開環(huán)工作時，從輸出端對地之間看進是指運放開環(huán)工作時，從輸出端對地之間看進 去的等效電阻。一般比較小。去的等效電阻。一般比較小。 模擬集成電路的工藝特點 u

12、 R R u i f 1 0 R R u u A f i uf 1 0 模擬集成電路的工藝特點 (2)(2)同相比例運算電路同相比例運算電路 u R R u i f )1 ( 1 0 )1 ( 1 0 R R u u A f i uf 因為有負反饋，利用虛短和虛斷因為有負反饋，利用虛短和虛斷. u-= u+= ui i1=if （虛斷）虛斷） f oi 1 i 0 R uu R u 模擬集成電路的工藝特點 此電路是同相比此電路是同相比 例運算的特殊情況，例運算的特殊情況， 輸入電阻大，輸出輸入電阻大，輸出 電阻小。在電路中電阻小。在電路中 作用與分立元件的作用與分立元件的 射極輸出器相同，射極

13、輸出器相同， 但是電壓跟隨性能但是電壓跟隨性能 好。好。 ui=u+= u-= uo 因為有負反饋，因為有負反饋， 利用虛短和虛斷：利用虛短和虛斷： u R R u i f )1 ( 1 0 )1 ( 1 0 R R u u A f i uf 模擬集成電路的工藝特點 （1 1） 加法運算電路加法運算電路 有同相加法電路和反相加有同相加法電路和反相加 法電路。這里分析反相加法電路。法電路。這里分析反相加法電路。 反相加法運算電路 I3 Ui3 uo + + - If R3 R Rf I2 R2 I1 R1 Ui2 Ui1 Ii N P 反饋信號通過反反饋信號通過反 饋電阻饋電阻Rf加到反相加到反

14、相 輸入端，同相輸入輸入端，同相輸入 端通過平衡電阻端通過平衡電阻R 接地。接地。 虛地虛地 模擬集成電路的工藝特點 如果取如果取Rf=R 則：則： UO = - (Ui1+Ui2+Ui3) UO = - (Ui1+Ui2+Ui3) Rf R Uo= -Rf ( + + ) Ui1 R1 Ui2 R2 Ui3 R3R U R U R U R U iii f3 3 2 2 1 10 0 模擬集成電路的工藝特點 若若R1 =R2 =R, 0 uu i1 + i2= if u u u 0 u 2 R A f o f R i2 + i + i 2u R + i1 R i 1 1 虛地虛地 f o 2

15、i2 1 i1 R u R u R u )( i2 2 f i1 1 f o u R R u R R u )( i2i1 f o uu R R u 平衡電阻平衡電阻 R R0= = R R1/R R2/R Rf 模擬集成電路的工藝特點 Ui1 Uo + + - If R1 R Rf Ii Ui2 Ii N P R2 模擬集成電路的工藝特點 UO = (Ui2-Ui1) Rf R1 如果如果 Rf=R1，則，則 UO=Ui2-Ui1 i1U R R U i f 1 1 01 U R U ip R R 2 1 U RR R U i f R R 2 21 02 )1 ( 模擬集成電路的工藝特點 Uo

16、 + + - R3 R Rf2 Ui1 Uo1 + + - R1 R Rf1 R2Ui2 反相比例運算電路反相比例運算電路加法運算電路加法運算電路 U U =-R=-R (U(U +U+U )/R)/R 模擬集成電路的工藝特點即：利用加法器和反相比例器實現(xiàn)減法運算。即：利用加法器和反相比例器實現(xiàn)減法運算。 )( i2 2 f i1 1 f u R R u R R uo i1 1 f i2 2 f i2 2 f i1 1 f )(u R R u R R u R R u R R uo u u u 0 f u u R i1 R R o i A + 1 + + R 2 f A R + u u + +

17、R i2 uO A /2R 模擬集成電路的工藝特點 R u i i 虛地 ti C uud 1 CCO tu RC d 1 i u u + o i i A C + i R1 R C u C t ui 0 t uo 0 積分電路將方波積分電路將方波 轉(zhuǎn)換為三角波。轉(zhuǎn)換為三角波。 模擬集成電路的工藝特點 A R R I O + _ + _ C C R + _ uC u u i i t u RC RiRiu d d C CRO t u RCu d d I O CR ii 0 UU 0 C uuI （2）微分電路）微分電路 微分電路將方波轉(zhuǎn)換微分電路將方波轉(zhuǎn)換 為尖脈沖。為尖脈沖。 模擬集成電路的工藝

18、特點 模擬集成電路的工藝特點 二、集成運放的非線性應(yīng)用二、集成運放的非線性應(yīng)用 非線性應(yīng)用是電路往往處于開環(huán)工作狀態(tài)，或指引非線性應(yīng)用是電路往往處于開環(huán)工作狀態(tài)，或指引 入正反饋。由于理想集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)趨于入正反饋。由于理想集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)趨于 無窮大，所以只要兩個輸入端之間存在微小的電壓差值，無窮大，所以只要兩個輸入端之間存在微小的電壓差值， 就足以使輸出電壓飽和。其正向飽和值就足以使輸出電壓飽和。其正向飽和值Uo+接近正電源電接近正電源電 壓值，負向飽和值壓值，負向飽和值Uo-接近負電源電壓值，即在非線性區(qū)接近負電源電壓值，即在非線性區(qū) 域內(nèi)，輸出電壓域內(nèi)，輸出電壓u

19、o只有兩個狀態(tài)：只有兩個狀態(tài)： 當當 u+ u- 時時 uo= Uo+當當 u+ 0 時，時，uo = Uo-, 當當ui 0時，時，uo = Uo+,當當ui = 0時時 比較器產(chǎn)生跳變。比較器產(chǎn)生跳變。 模擬集成電路的工藝特點 + + - ui uo R1 R2 V2 V1 o uo ui -Uz +Uz 模擬集成電路的工藝特點 由此可知，參考電壓由此可知，參考電壓U UR R=0=0，則輸入電壓，則輸入電壓u ui i每次過零時，輸每次過零時，輸 出電壓就要發(fā)生突然變化，所以這種比較器叫過零電壓比較器。出電壓就要發(fā)生突然變化，所以這種比較器叫過零電壓比較器。 2.2.單門限電壓比較器單門

20、限電壓比較器 + + - ui uo uR o uo ui Uo- Uo+ o uo ui Uo- Uo+ 模擬集成電路的工藝特點 + + - ui uo uR o t ui o t uo Uo+ Uo- 模擬集成電路的工藝特點 三、集成運放的使用常識（自學(xué)）三、集成運放的使用常識（自學(xué)） 1.1.常見故障分析常見故障分析 & 不能調(diào)零。開環(huán)狀態(tài)可認為正常，若引入負反饋不能調(diào)零。開環(huán)狀態(tài)可認為正常，若引入負反饋 后，輸出電壓仍接近極限值，其原因可能是接線錯誤、后，輸出電壓仍接近極限值，其原因可能是接線錯誤、 或有虛焊、或集成運放損壞?；蛴刑摵?、或集成運放損壞。 & 工作時產(chǎn)生自激振蕩?？赡苁峭?/p>

21、接的工作時產(chǎn)生自激振蕩?？赡苁峭饨拥腞C補償網(wǎng)絡(luò)參補償網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)不恰當、輸出端有電容性負載或接線太長。數(shù)不恰當、輸出端有電容性負載或接線太長。 & 集成運放組件突然損壞。輸出端對地短路、電源極集成運放組件突然損壞。輸出端對地短路、電源極 性接反或電源電壓過高、輸入信號過大、集成運放質(zhì)性接反或電源電壓過高、輸入信號過大、集成運放質(zhì) 量差等。量差等。 模擬集成電路的工藝特點 2.2.集成運放的保護集成運放的保護 & 輸入保護輸入保護 在輸入電路上接入二極管在輸入電路上接入二極管V1、V2 ， 利用二極管對輸入信號幅度加以限制。利用二極管對輸入信號幅度加以限制。 & 輸出保護輸出保護 在輸出電路上反

22、向串聯(lián)兩只穩(wěn)壓二在輸出電路上反向串聯(lián)兩只穩(wěn)壓二 極管極管V1、V2 ，無論輸出端出現(xiàn)正向或負向的過電，無論輸出端出現(xiàn)正向或負向的過電 壓，都將有一只管子正偏導(dǎo)通，另一只管子反向擊壓，都將有一只管子正偏導(dǎo)通，另一只管子反向擊 穿，將輸出電壓幅度穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。穿，將輸出電壓幅度穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。 & 電源極性接錯的保護電源極性接錯的保護 將二極管正向串入正、將二極管正向串入正、 負電源供電電路中，因二極管的單向?qū)щ娦?，電源負電源供電電路中，因二極管的單向?qū)щ娦?，電?極性正確它導(dǎo)通，極性接反它截止，電源不通，保極性正確它導(dǎo)通，極性接反它截止，電源不通，保 護了集成運放。護了集成運放。 模擬集成電路的工藝特點 小結(jié)：小結(jié)： 模擬集成電路的工藝特點 反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運 放要想在各種指標上都達到很高的性能是不容易的，放要想在各種指標上都達到很高的性能是不容易的， 也是不必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標都不算也是不必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標都不算 太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要