模擬電子技術(shù)：第六章 模擬集成電路

1、6 模擬集成電路6.1 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6.4 集成電路運(yùn)算放大器6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng) 用電路的影響6.2 差分式放大電路引 言 把整個(gè)電路中的元器件制作在一個(gè)硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，成為集成電路，分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路。1、電路在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差小，方向一致，溫度均一性好。2、電路用半導(dǎo)體來代替，阻值在幾十到幾十千歐姆，精度低，高阻值用電流源來代替或者外接。3、幾十皮法的電容用PN結(jié)電工來代替，大電容要外接。4、二極管用三極管來代替。5、芯片面積小，集成度高，電流小，功耗小。6、一般采用直接耦合方式。6

2、.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.1.1 BJT電流源電路6.1.2 FET電流源1. 鏡像電流源2. 微電流源3. 高輸出阻抗電流源4. 組合電流源1. MOSFET鏡像電流源2. MOSFET多路電流源3. JFET電流源6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同 即12，ICEO1ICEO2 當(dāng)BJT的較大時(shí)，基極電流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符號6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源動態(tài)電阻 一般ro在幾百千歐以上6.1.1 BJT電流源電路2. 微電流源由于很小，所以IC2也很小。rorce2（1 ） （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻

3、）A1和A3分別是T1和T3的相對結(jié)面積 動態(tài)輸出電阻ro遠(yuǎn)比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路3. 高輸出阻抗電流源6.1.1 BJT電流源電路4. 組合電流源T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流IREFT1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流源6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源當(dāng)器件具有不同的寬長比時(shí)（=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)=0時(shí)，輸出電流為 常用的鏡像電流源 6.1.2 FET電流源2. M

4、OSFET多路電流源6.1.2 FET電流源3. JFET電流源end(a) 電路 (b) 輸出特性 6.2 差分式放大電路6.2.1 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6.2.3 源極耦合差分式放大電路6.2.1 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6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中差模信號產(chǎn)生的輸出共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念根據(jù)有 共模信號相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號中相同的部分 差模信號相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號

5、中不同的部分 兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理靜態(tài)動態(tài)僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。1. 電路組成及工作原理2. 抑制零點(diǎn)漂移原理 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的， 其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號。 這一過程類似于分壓式射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方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。 2. 抑制零點(diǎn)漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制

6、作用3. 主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模情況接入負(fù)載時(shí)以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力 雙入、雙出3. 主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模情況 雙入、單出接入負(fù)載時(shí)3. 主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模情況 單端輸入等效于雙端輸入 指標(biāo)計(jì)算與雙端輸入相同。3. 主要指標(biāo)計(jì)算（2）共模情況 雙端輸出 共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益 單端輸出抑制零漂能力增強(qiáng)3. 主要指標(biāo)計(jì)算（2）共模情況（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強(qiáng)單端輸出時(shí)的總輸出電壓（4）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。例(4)當(dāng)輸出接一個(gè)12k負(fù)載時(shí)的差模電壓增益.解：求:(1)靜態(tài)(2)電壓增

7、益(3)差分電路的共模增益共模輸入電壓不計(jì)共模輸出電壓時(shí)(4)4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路靜態(tài) IE6 IREFIO IE54. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益（負(fù)載開路） 則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路差模輸入電阻 Rid2rbe輸出電阻4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro56.2.3 源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益而:所以：6.2.3 源極耦合差分式放大電路1.

8、CMOS差分式放大電路單端輸出差模電壓增益vo2(id4-id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） (ro2/ ro4) gm(ro2 / ro4 )與雙端輸出相同end6.3 差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線end6.4 集成電路運(yùn)算放大器6.4.1 集成電路運(yùn)算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運(yùn)算放大器741集成電路

9、運(yùn)算放大器內(nèi)部框圖集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小BJTLM741特點(diǎn)：單片高性能內(nèi)補(bǔ)償，較寬的共模和差模電壓范圍，具有短路保護(hù)及失調(diào)電壓調(diào)到零的能力。1 82 73 64 5OA1IN-1N+V-NCV+OUTOA2-23374156.4.1 CMOS MC14573 集成電路運(yùn)算放大器1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算(1)直流分析已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。(2)小信號分析設(shè) gm1 = gm2 = gm 則2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算輸入級電壓增益 (2)小信號分析2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算總電壓增益

10、 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級電壓增益 將參數(shù)代入計(jì)算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）6.4.2 集成運(yùn)算放大器741原理電路 6.4.2 集成運(yùn)算放大器741簡化電路end6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓VIO 在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（

11、110）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（120）V。高精度運(yùn)放OP-117 VIO=4V。MOSFET達(dá)20 mV。2. 輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT為10 nA1A；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級。6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3. 輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為1 nA0.1A。 4. 溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO / T6.5.1 實(shí)際集成

12、運(yùn)放的主要參數(shù)差模特性1. 開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW 開環(huán)差模電壓增益AvO開環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬 BWG (fT)741型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng) 6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)差模特性2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro BJT輸入級的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運(yùn)放rid1012超高輸入電阻運(yùn)放rid1013、IIB0.040pA一般運(yùn)放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3. 最大差模輸入電壓Vidmax6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric 一般通用型運(yùn)放KCMR為（8012

13、0）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá) 13V。6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性1. 轉(zhuǎn)換速率SR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(shí)，輸出電壓對時(shí)間的最大變化速率，即 若信號為viVimsin2ft ，則運(yùn)放的SR必須滿足SR2fmaxVom6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性2. 全功率帶寬BWP 指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率，即 SR和BWP是大信號和高頻信號工作時(shí)的重要指標(biāo)。一般通用型運(yùn)放SR

14、在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運(yùn)放要求SR30V/s以上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的SR3500V/s。電源特性1. 電源電壓抑制比KSVR 衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響 2. 靜態(tài)功耗PV 6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)1. 集成運(yùn)放的選用 根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時(shí)，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。 6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題2. 失調(diào)

15、電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差 6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題輸入為零時(shí)的等效電路解得誤差電壓當(dāng) 時(shí)，可以消除偏置電流 引起的誤差，此時(shí)當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，即 換成電容C，則時(shí)間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。引起的誤差仍存在end3. 調(diào)零補(bǔ)償6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題（a）調(diào)零電路 （b）反相端加入補(bǔ)償電路2.1 集成電路運(yùn)算放大器2 運(yùn)算放大器2.2 理想運(yùn)算放大器2.3 基本線性運(yùn)放電路2.4 同相輸入和反相輸入放大電 路的其他應(yīng)用補(bǔ)充第六章2.1 集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)

16、構(gòu)框圖2.1 集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.2 運(yùn)算放大器的代表符號（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號 （b）國內(nèi)外常用符號2. 運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型通常： 開環(huán)電壓增益 Avo的105 （很高） 輸入電阻 ri 106 （很大） 輸出電阻 ro 100 （很?。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)系2. 運(yùn)算放大器的電路模型當(dāng)Avo(vPvN) V 時(shí) vO V 當(dāng)Avo(vPvN) V-時(shí) vO V-電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率end2.2 理想運(yùn)

17、算放大器1. vo的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓V和V 2. 運(yùn)放的開環(huán)電壓增益很高 若（vPvN）0 則 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 則 vO= Vom=V 3. 若V vO R3時(shí)，（1）試證明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（1）根據(jù)虛斷有 Ii =0所以 I2 = Is = Vs / R1 例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1R2150k，R31k，輸入信號電壓Vs100mV時(shí)，通過毫伏表的最大電流Im(max)？ 又根據(jù)虛短有 Vp = Vn =0R2和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im )所以當(dāng)R2 R3時(shí)，Vs( R3R1/R2 ) Im

18、（2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可end2.4 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用2.4.1 求差電路2.4.2 儀用放大器2.4.3 求和電路2.4.4 積分電路和微分電路2.4.1 求差電路 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。當(dāng)則若繼續(xù)有則 根據(jù)虛短、虛斷和N、P點(diǎn)的KCL得：2.4.1 求差電路從放大器角度看時(shí)，增益為（該電路也稱為差分電路或減法電路）2.4.1 求差電路一種高輸入電阻的差分電路2.4.2 儀用放大器2.4.3 求和電路 根據(jù)虛短、虛斷和N點(diǎn)的KCL得：若則有（該電路也稱為加法電路）2.4.4 積分電路和微分電路1. 積分電路式中，負(fù)號表示vO與vI在相位上是相反

19、的。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得因此電容器被充電，其充電電流為設(shè)電容器C的初始電壓為零，則（積分運(yùn)算）2.4.4 積分電路和微分電路當(dāng)vI為階躍電壓時(shí)，有vO與 t 成線性關(guān)系1. 積分電路2.4.4 積分電路和微分電路2. 微分電路end6.6 變跨導(dǎo)式模擬乘法器6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理6.6.2 模擬乘法器的應(yīng)用6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器與差分式放大電路的差別（a）原理電路 （b）同相（或反相）乘法器代表符號電流源iEE受輸入電壓vY的控制6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器單入雙出方式即又所以6.6.1

20、 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器 對于T3、T4構(gòu)成的鏡像電流源，當(dāng)vY VBE時(shí)所以其中（乘法運(yùn)算）而由vY 控制跨導(dǎo)gm變化，所以稱為變跨導(dǎo)乘法器6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器電路的最后輸 缺點(diǎn)： 精度差 vY必須大于0V，只能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)象限的乘法運(yùn)算乘法器的符號 6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理2.雙平衡四象限乘法器其中（乘法運(yùn)算）信號大時(shí)增加非線性補(bǔ)償電路1. 運(yùn)算電路6.6.2 運(yùn)放模擬乘法器的應(yīng)用（1）乘方 1. 運(yùn)算電路6.6.2 運(yùn)放模擬乘法器的應(yīng)用（2）除法 只有當(dāng)vX2為正極性時(shí)，才能保證運(yùn)算放大器是處于負(fù)反饋工

21、作狀態(tài)，而vX1則可正可負(fù)，故屬二象限除法器。 利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有1. 運(yùn)算電路6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用（3）開平方 利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有vi必須為負(fù)值時(shí)，電路才能正常工作。 2. 壓控放大器6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用 乘法器的一個(gè)輸入端加一直流控制電壓VC，另一輸入端加一信號電壓vs時(shí)，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當(dāng)Vc為可調(diào)電壓時(shí)，就得到可控增益放大器。 調(diào)制和解調(diào)在通信、廣播、電視和遙控等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用模擬乘法器的功能很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的功能。3. 調(diào)制解調(diào)（略）end6.7 放大電路中的噪聲與干擾6.7.1 放大電路中

22、的噪聲6.7.2 放大電路中的干擾6.7.1 放大電路中的噪聲1. 噪聲的種類及性質(zhì)（1）電阻的熱噪聲 由電子無規(guī)則熱運(yùn)動而產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。（2）三極管的噪聲 熱噪聲 由于載流子不規(guī)則的熱運(yùn)動通過BJT內(nèi)三個(gè)區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時(shí)而產(chǎn)生。其中rbb所產(chǎn)生的噪聲是主要的。FET主要是溝道電阻的熱噪聲。 散粒噪聲 由于通過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個(gè)瞬時(shí)都不相同，因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個(gè)無規(guī)則的波動，產(chǎn)生散粒噪聲。 閃礫噪聲 這種噪聲與頻率成反比，故又稱為1/f 噪聲或低頻噪聲。 JFET的噪聲主要來源于溝道電阻熱噪聲，MOSFET的1/f 噪聲較嚴(yán)

23、重，因而低頻時(shí)MOSFET比JFET的噪聲大。一般而言，F(xiàn)ET的噪聲比BJT小。此外。電阻元件中碳膜電阻的1/f 噪聲最大，繞線電阻的1/f 噪聲最小。集成運(yùn)放的噪聲，是由組成運(yùn)放內(nèi)部電路的元器件產(chǎn)生的噪聲源以及內(nèi)部電路連接的噪聲源累計(jì)的結(jié)果。一般是通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測量。6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標(biāo)噪聲系數(shù)定義其中 AP 為功率增益 放大電路不僅把輸入端的噪聲進(jìn)行放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸出端的信噪比必然小于輸入端信噪比。 當(dāng)NF用分貝（dB）表示時(shí)6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標(biāo)噪聲系數(shù)因?yàn)楫?dāng)滿足 Ri=Ro 時(shí)，NF可表示為另一種形式： 一個(gè)無噪聲放大電路的噪聲系數(shù)是0dB，一個(gè)低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)應(yīng)小于3dB。6.7.1 放大電路中的噪聲3. 減小噪聲的措施選低噪聲集成運(yùn)放，如OP-27，AD745等；采用濾波處理或引入負(fù)反饋以抑制噪聲；轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，借助軟件方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以減小噪聲的影響。6.7.2 放大電路中的干擾1. 雜散電磁場干擾和