模擬集成電路

6.模擬集成電路6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.2差分式放大電路6.3差分式放大電路的傳輸特性6.4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)用電路的影響6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器6.7放大電路中的噪聲與干擾6.5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6.5.1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6.5.1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）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，為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VIO。一般約為±（1～10）mV。超低失調(diào)運放為（1～20）V。高精度運放OP-117VIO=4V。MOSFET達(dá)20mV。2.輸入偏置電流IIB

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IIB＝（IBN＋I(xiàn)BP）/2BJT為10nA～1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。6.5.1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）3.輸入失調(diào)電流IIO

輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO＝|IBP－IBN|

一般約為1nA～0.1A。

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實際集成運放的主要參數(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—集成運放工作在線性區(qū)，在標(biāo)稱電壓接規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模增益。開環(huán)帶寬BW

(fH)—開環(huán)差模電壓增益下降

3dB時對應(yīng)的頻率。單位增益帶寬

BWG(fT)—對應(yīng)于開環(huán)電壓增益頻率響應(yīng)曲線上其增益下降到Avo=1時的頻率，即Avo為0dB時對應(yīng)的頻率。741型運放AvO的頻率響應(yīng)6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)差模特性2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運放rid＞1012Ω超高輸入電阻運放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA（輸入偏置電流）一般運放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.最大差模輸入電壓Vidmax集成運放的同相和反相輸入端直接所能承受的最大電壓值。6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)共模特性1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric

一般通用型運放KCMR為（80～120）dB，高精度運放可達(dá)140dB，ric≥100MΩ。2.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1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達(dá)±

13V。集成運放所能承受的最大共模輸入電壓。超過該值，會使共模抑制比顯著下降。6.5.1實際集成運放的主要參數(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，輸出電壓對時間的最大變化速率，即 若信號為vi＝Vimsin2ft

，則運放的SR必須滿足SR≥2πfmaxVom6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性2.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

SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標(biāo)。一般通用型運放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR＞3500V/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實際集成運放的主要參數(shù)式中，為因電源電壓變化而引起的輸出電壓變化。當(dāng)輸入信號為零時，運放消耗的總功率，即1.集成運放的選用根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運放，當(dāng)通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設(shè)計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題2.失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題輸入為零時的等效電路理想運放用戴維寧定理和諾頓定理進(jìn)行等效2.失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題戴維寧定理：任何一個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其外部特性而言，總可以用一個電壓源與電阻的串聯(lián)組合而等效代替。電壓源的數(shù)值和極性與引出端開路時的電壓相同；電阻等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源置零（電壓源短路、電流源開路）時從引出端看進(jìn)去的電阻。理想運放2.失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題諾頓定理：任何一個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其外部特性而言，總可以用一個電流源與電阻的并聯(lián)而等效代替。電流源的電流等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)在端口處的斷路電流；電阻等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源置零（電壓源短路、電流源開路）時從引出端看進(jìn)去的電阻。理想運放解得誤差電壓當(dāng)時，可以消除偏置電流引起的誤差，此時當(dāng)電路為積分運算時，即換成電容C，則時間越長，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3.調(diào)零補償6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題（a）調(diào)零電路（b）反相端加入補償電路6.6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時所以其中（乘法運算）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：精度差

vY必須大于0V，只能實現(xiàn)兩個象限的乘法運算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

T1、T2和T3、T4為兩個并聯(lián)的差分式電路，T5、T6為壓控電流源電路。由于所以而iC1＋iC2＝iC5

，iC4＋iC3＝iC6

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同理又i1,3＝iC1＋iC3，i2,4＝iC2＋iC4

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最后可得當(dāng)vX<<2VT、vY<<2VT時其中（乘法運算）信號大時增加非線性補償電路1.運算電路6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用乘方1.運算電路6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用除法只有當(dāng)vX2為正極性時，才能保證運算放大器是處于負(fù)反饋工作狀態(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.運算電路6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用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，電路才能正常工作。2.壓控放大器6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用乘法器的一個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，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當(dāng)Vc為可調(diào)電壓時，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現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的功能。3.調(diào)制解調(diào)end6.7放大電路中的噪聲與干擾6.7.1放大電路中的噪聲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)則熱運動而產(chǎn)生隨時間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。一個阻值為R（Ω）的電阻未接入電路時，在頻帶寬度B內(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值為

k——玻耳茲曼常數(shù)，T——熱力學(xué)溫度（K），B——頻帶寬度（Hz）。功率和電壓的形式分別為 6.7.1放大電路中的噪聲1.噪聲的種類及性質(zhì)具有均勻的功率頻譜的噪聲稱為白噪聲。

熱噪聲電壓密度熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數(shù)，它的頻率范圍是很寬廣的。因而噪聲電壓Vn將隨放大電路帶寬的增加而增加。所以在設(shè)計放大電路時要綜合考慮增益、帶寬等諸多因素。

熱噪聲的功率頻譜密度（1）電阻的熱噪聲6.7.1放大電路中的噪聲1.噪聲的種類及性質(zhì)①熱噪聲由于載流子不規(guī)則的熱運動通過BJT內(nèi)三個區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時而產(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。（2）三極管的噪聲6.7.1放大電路中的噪聲1.噪聲的種類及性質(zhì)（2）三極管的噪聲②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，在各個瞬時都不相同，因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個無規(guī)則的波動，產(chǎn)生散粒噪聲。散粒噪聲電流為

q——每個載流子所帶電荷量的絕對值，I——通過PN結(jié)電流的平均值，B——頻帶寬度。散粒噪聲具有白噪聲的性質(zhì)6.7.1放大電路中的噪聲1.噪聲的種類及性質(zhì)（2）三極管的噪聲③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)重，因而低頻時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。集成運放的噪聲，是由組成運放內(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的結(jié)果。一般是通過實驗方法進(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 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)因為當(dāng)滿足Ri=Ro時，NF可表示為另一種形式：一個無噪聲放大電路的噪聲系數(shù)是0dB，一個低噪聲放大電路的噪聲系