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(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6.6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(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±（1～10）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（1～20）V。高精度運(yùn)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(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值IIB＝（IBN＋I(xiàn)BP）/2BJT為10nA～1A；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＝|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(shí)際集成運(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—集成運(yùn)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(shí)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(shí)的頻率，即Avo為0dB時(shí)對應(yīng)的頻率。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rid＞1012Ω超高輸入電阻運(yùn)放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA（輸入偏置電流）一般運(yùn)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(yùn)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(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（80～120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric≥100MΩ。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。集成運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過該值，會(huì)使共模抑制比顯著下降。6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號動(dòng)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vi＝Vimsin2ft

，則運(yùn)放的SR必須滿足SR≥2πfmaxVom6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號動(dòng)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在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運(yùn)放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的運(yùn)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(dòng)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)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(shí)，運(yùn)放消耗的總功率，即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)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)的等效電路理想運(yùn)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(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題戴維寧定理：任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其外部特性而言，總可以用一個(gè)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(shí)的電壓相同；電阻等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源置零（電壓源短路、電流源開路）時(shí)從引出端看進(jìn)去的電阻。理想運(yùn)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(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題諾頓定理：任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其外部特性而言，總可以用一個(gè)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(dú)立源置零（電壓源短路、電流源開路）時(shí)從引出端看進(jìn)去的電阻。理想運(yùn)放解得誤差電壓當(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3.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(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(gè)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(shí)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模擬乘法器的應(yīng)用乘方1.運(yùn)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(shí)，才能保證運(yùn)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(yùn)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(shí)，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(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)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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。一個(gè)阻值為R（Ω）的電阻未接入電路時(shí)，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(gè)非周期變化的時(shí)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(jì)放大電路時(shí)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(yùn)動(dòng)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。（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(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(dòng)，產(chǎn)生散粒噪聲。散粒噪聲電流為

q——每個(gè)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(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