第6章模擬集成電路

1、1第六章第六章 模擬集成電路模擬集成電路湖南科技大學信息與電氣工程學院湖南科技大學信息與電氣工程學院E-mail:hunan_E-mail:hunan_ 主講主講: : 王潤民王潤民26.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng) 用電路的影響用電路的影響6.2 差分式放大電路差分式放大電路3基本分類基本分類6.0 集成電路的類型和特點集成電路的類型和特點數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路

2、1. 集成電路的主要類型集成電路的主要類型邏輯門、邏輯功能模塊、邏輯門、邏輯功能模塊、存儲器、存儲器、PLD線性放大器：運放、功放線性放大器：運放、功放數(shù)模和模數(shù)接口數(shù)模和模數(shù)接口穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器通信集成電路通信集成電路可編程模擬電路可編程模擬電路集成電路：將元集成電路：將元器器件制作在一塊基片上，構(gòu)成特件制作在一塊基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。定功能的電子電路。42. 模擬集成電路的主要特點模擬集成電路的主要特點 應(yīng)用范圍廣泛：測量、儀表、通信、控制等應(yīng)用范圍廣泛：測量、儀表、通信、控制等 產(chǎn)品復(fù)雜多樣：通用與專用產(chǎn)品復(fù)雜多樣：通用與專用 電路系列繁多：沒有也很難規(guī)范出統(tǒng)一系列電路系列繁多：沒

3、有也很難規(guī)范出統(tǒng)一系列產(chǎn)品特點產(chǎn)品特點技術(shù)特點技術(shù)特點 元件一致性好，相對精度高元件一致性好，相對精度高 大量應(yīng)用有源器件取代電阻大量應(yīng)用有源器件取代電阻 電路各級一般不用電容而直接耦合電路各級一般不用電容而直接耦合 主要電路構(gòu)成單元：復(fù)合管、恒流源、差分對、主要電路構(gòu)成單元：復(fù)合管、恒流源、差分對、電平移動、溫度補償?shù)入娖揭苿印囟妊a償?shù)?6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.1.1 BJT電流源電路電流源電路6.1.2 FET電流源電流源1. 鏡像電流源鏡像電流源2. 微電流源微電流源3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源4. 組合電流源組合電流源1. MOS

4、FET鏡像電流源鏡像電流源2. MOSFET多路電流源多路電流源3. JFET電流源電流源66.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源BE1BE2=VVE1E2= IIC1C2= IIT T1 1、T T2 2的參數(shù)全同的參數(shù)全同 即即12，ICEO1ICEO2 當當BJT的的較大時，基極電流較大時，基極電流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符號代表符號76.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源動態(tài)電阻動態(tài)電阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在幾百千歐以上在幾百千歐以上ce r 86

5、.1.1 BJT電流源電路電流源電路2. 微電流源微電流源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）oR 9A1和和A3分別是分別是T1和和T3的相對結(jié)面積的相對結(jié)面積 動態(tài)輸出電阻動態(tài)輸出電阻ro遠比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高遠比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路電流源電路3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源RVVVVIEEBE23BECCREF REF13C2oIAAII 106

6、.1.1 BJT電流源電路電流源電路4. 組合電流源組合電流源T1、R1 和和T4支路產(chǎn)生基準電流支路產(chǎn)生基準電流IREF1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5構(gòu)成鏡像電流源構(gòu)成鏡像電流源T1和和T3，T4和和T6構(gòu)成了微電流源構(gòu)成了微電流源116.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時當器件具有不同的寬長比時RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （ =0=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流基本鏡像電路流 126.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源

7、鏡像電流源2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，且工作在放大區(qū)，當且工作在放大區(qū)，當 =0時時，輸出，輸出電流為電流為 常用的鏡像電流源常用的鏡像電流源 136.1.2 FET電流源電流源2. MOSFET多路電流源多路電流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 146.1.2 FET電流源電流源3. JFET電流源電流源end(a) 電路電路 (b) 輸出特性輸出特性 156.2 差分式放大電路差分式放

8、大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路166.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路176.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念有關(guān)概念i2i1id=vvv 差模信號差模信號)(21=i2i1icvvv 共模信號共模信號idod=vvv A差模電壓增益差模電壓增益icoc=vvv A共模電壓增益共模電壓增益icciddooo =vvvvvv

9、vAA 總輸出電壓總輸出電壓其中其中ov 差模信號產(chǎn)生的輸出差模信號產(chǎn)生的輸出ov 共模信號產(chǎn)生的輸出共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標反映抑制零漂能力的指標cdCMR=vvAAK186.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念有關(guān)概念根據(jù)根據(jù)2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有有 共模信號相當于兩個輸入共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分端信號中相同的部分 差模信號相當于兩個輸入差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分端信號中不同的部分 兩輸入端中的共模信號兩輸入端中

10、的共模信號大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。號大小相等，相位相反。196.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理206.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理靜態(tài)靜態(tài)OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 21動態(tài)動態(tài)僅輸入差模信號，僅輸入差模信號， i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，大小相等， 0O2O1o vv

11、v信號被放大。信號被放大。相位相反。相位相反。1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理222. 抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理 溫度變化和電源電壓波溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相生變化。且變化趨勢是相同的，同的， 其效果相當于在兩個其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。輸入端加入了共模信號。23 iC1 iC2 溫度溫度 iC1 iE1 iC2 iE2 這一過程類似于分壓式射這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂方式時，

12、仍有較強的抑制零漂能力。能力。 vE （vB1、vB2不變）不變） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 2. 抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用243. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入負載時接入負載時i1o122vv becrR beLcd)21/(=rRRA v以雙倍的元器件換以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 雙入、雙出雙入、雙出253. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 雙入、單出雙入、單出 ido1d1=vv

13、vAi1o12vvd21vA bec2rR 接入負載時接入負載時beLcd2)/(=rRRA v263. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 單端輸入單端輸入eorr 等效于雙端輸入等效于雙端輸入 指標計算與雙指標計算與雙端輸入相同。端輸入相同。273. 主要指標計算主要指標計算（2）共模情況）共模情況 雙端輸出雙端輸出 共模信號的輸入使兩管共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。集電極電壓有相同的變化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益28 單端輸出單端輸出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增強抑制零漂能力增強icoc2vv obec

14、2)1(rrR oc2rR or c1vA3. 主要指標計算主要指標計算（2）共模情況）共模情況29（3）共模抑制比）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況 CMRK 單端輸出單端輸出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越強越強單端輸出時的總輸出電壓單端輸出時的總輸出電壓)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （4）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng)高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。30例例(4)當輸出接一個當輸出接一個12k 負載負載

15、時的差模電壓增益時的差模電壓增益.解：解：求求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。時，時，當當，均為硅管，均為硅管，、V008050TTTOi321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv時，時，當當?shù)闹档闹导凹?、AAARVVIII(1)靜態(tài)靜態(tài)31 k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)電壓增益電壓增益mA37. 0c2BE3e3E3C2 RVRII V9V )7 . 0(1037. 012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74. 022C2E2E III k2 . 5k

16、 74. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR k78. 3mV26)1(200E22be2Ir 32 k3 .245)1(e33be3i2RrR (3)50)(2)/(b1bei2c22d2 RrRRAv9 . 3)1()/(e33beL3c32 RrRRAv1952d2 vvvAAAmV5 . 2)0mV5(21)(21i2i1ic vvv差分電路的共模增益差分電路的共模增益3 . 0)(2)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvmV972)9 . 3(5 . 2)3 . 0(550)(2icc2idd22O2O vvvvvvvvAAAA共模

17、輸入電壓共模輸入電壓不計共模輸出電壓時不計共模輸出電壓時mV975O v33(4)時時 k12LR95. 1)1()/(e33beL3c32 RrRRAv5 .972d2 vvvAAA344. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路靜態(tài)靜態(tài) IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5354. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益差模電壓增益（負載開路）（負載開路） 0ce4o2ce2o2c2c4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4c

18、e2ido2d2)/(rrrvvAv 則則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 364. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 輸出電阻輸出電阻374. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路共模輸入電阻共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro5386.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路396.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式

19、放大電路差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益雙端輸出差模電壓增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而: :)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：406.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路單端輸出差模電壓增益單端輸出差模電壓增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(ro2 / ro4 )與雙端輸出相

20、同與雙端輸出相同end416.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)根據(jù)TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）42vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線的傳輸特性曲線end436.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.4.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741446.4.1 CMOS MC1

21、4573 集成電路運算放大器集成電路運算放大器1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理452. 電路技術(shù)指標的分析計算電路技術(shù)指標的分析計算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根據(jù)各管子的寬長比根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。，可求出其它支路電流。46(2)(2)小信號分析小信號分析2idgs1vv 2idgs2vv 設(shè)設(shè) gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv則則)/(

22、)/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2. 電路技術(shù)指標的分析計算電路技術(shù)指標的分析計算)/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv輸入級電壓增益輸入級電壓增益 47(2)(2)小信號分析小信號分析2. 電路技術(shù)指標的分析計算電路技術(shù)指標的分析計算總電壓增益總電壓增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級電壓增益第二級電壓增益 將參數(shù)代入計算得將參數(shù)代入計算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）486.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741原

23、理電路原理電路 496.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741簡化電路簡化電路end506.5 實際集成運算放大器的主要實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題集成運放應(yīng)用中的實際問題516.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO 在室溫（在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入

24、端加的補償電壓叫做失了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓調(diào)電壓VIO。一般約為。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運放為（。超低失調(diào)運放為（120） V。高精度運放。高精度運放OP-117 VIO=4 V。MOSFET達達20 mV。2. 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運放輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT為為10 nA1 A；MOSFET運放運放IIB在在pA數(shù)量級。數(shù)量級。526.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）輸

25、入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為一般約為1 nA0.1 A。 4. 溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂）輸入失調(diào)電壓溫漂 VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂）輸入失調(diào)電流溫漂 IIO / T536.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)差模特性差模特性1. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬和帶寬BW 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益AvO開環(huán)帶寬開

26、環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG (fT)741型運放型運放AvO的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) 546.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)差模特性差模特性2. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid和輸出電阻和輸出電阻ro BJT輸入級的運放輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運放為輸入級的運放rid1012超高輸入電阻運放超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA一般運放的一般運放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro0.05。3. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax556.5.1 實際集

27、成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)共模特性共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模輸入電阻和共模輸入電阻ric 一般通用型運放一般通用型運放KCMR為（為（80120）dB，高精度運放，高精度運放可達可達140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達 13V。566.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性大信號動態(tài)特性1. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR放

28、大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即輸出電壓對時間的最大變化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信號為若信號為viVimsin2 ft ，則運放的，則運放的SR必須滿足必須滿足SR2fmaxVom576.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性大信號動態(tài)特性2. 全功率帶寬全功率帶寬BWP 指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即 SR和和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放型運放SR在在nV/ s以下，以下，741的的SR=0.5V/ s而高速運放要求而高速運放要求SR30V/ s以上。目前超高速的運放如以上。目前超高速的運放如AD9610的的SR3500V/ s。omRmaxP2 VSfBW 58電源特性