第八章模擬功能集成電路

第八章模擬功能集成電路1§8-1集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路的基礎(chǔ)。他最早用于模擬計(jì)算機(jī)中作運(yùn)算放大，故得其名。集成運(yùn)算放大器分為通用型和專用型兩大類，均屬雙極型。而MOS型運(yùn)放一般是作為模擬系統(tǒng)中的一部分，與整個(gè)系統(tǒng)之作在一個(gè)芯片上，屬專用型。28.1.1通用型集成運(yùn)算放大器第一代以A709為代表（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)的FC3和5G23)，線路中首次采用了橫向PNP管；第二代以A741為代表（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)的FC4和5G24)，以采用有源集電極負(fù)載來(lái)提高電壓增益為主要標(biāo)志；第三代以MC1556為代表，它的特點(diǎn)是線路中采用超管作為輸入晶體管；第四代以HA2900為代表，特點(diǎn)是采用場(chǎng)效應(yīng)和雙極晶體管相結(jié)合的技術(shù)和斬波動(dòng)態(tài)校零方法。38.1.1通用型集成運(yùn)算放大器（續(xù)）V+T3V-VoVi+Vi-OA1OA21k1k50k5k50k10030p39k50k2722T8T9T1T2T3T4T5T6T7T10T11T12T13ABT14T15T16T17T18T19T20T21T22T23T24D1R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10C110kA741通用集成運(yùn)放電路圖輸入級(jí)主偏置電路中間增益輸出級(jí)48.1.2專用型集成運(yùn)算放大器

1.低功耗集成運(yùn)放

一般通用型功耗在100mW左右，功耗小于10mW的稱為低功耗集成運(yùn)放。減小功耗的途徑：a)采用有源負(fù)載增加負(fù)載電阻阻值；b)采用小工作電流，可采用外接偏置電阻來(lái)根據(jù)具體情況調(diào)整偏置電流；c)盡量降低輸出級(jí)的偏置電流以減小其靜態(tài)功耗。58.1.2專用型集成運(yùn)算放大器

2.低漂移集成運(yùn)放

主要是指運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度、時(shí)間、電源電壓變化而漂移很小的集成運(yùn)放。減小漂移的途徑：a)加設(shè)基片自動(dòng)控溫電路；b)采用復(fù)合管并恰當(dāng)設(shè)置小偏置電壓VBE

或設(shè)調(diào)零裝置等；c)采用斬波穩(wěn)零式放大電路。68.1.2專用型集成運(yùn)算放大器

3.高輸入阻抗集成運(yùn)放

雙極型高輸入阻抗集成運(yùn)放一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET或MOSFET）作為輸入級(jí)，高電流增益的雙極晶體管作為中間增益級(jí)或輸出級(jí)。輸入阻抗可以高達(dá)1012數(shù)量級(jí)。

主要用于模擬調(diào)節(jié)器、采樣保持電路、測(cè)量放大器、帶通濾波器等電路中。78.1.2專用型集成運(yùn)算放大器

4.高壓集成運(yùn)放

主要是利用電路中晶體管的CB結(jié)的高耐壓性、橫向PNP管的高耐壓性和單管串接等方法來(lái)提高耐壓。

對(duì)于電路中部分管子耐壓性能和功耗、電流的限制，通常采用一些特殊保護(hù)電路加以解決，并注意與其它器件間的隔離。88.1.3MOS型集成運(yùn)放

1.基本的兩級(jí)CMOS運(yùn)放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8C作為頻率補(bǔ)償?shù)拿芾针娙菀肓溯^強(qiáng)的輸出信號(hào)負(fù)反饋，將引起運(yùn)放的不穩(wěn)定。98.1.3MOS型集成運(yùn)放

2.加入緩沖器的兩級(jí)CMOS運(yùn)放VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5IsM6M7M9M8CM10M11

M11為源跟隨器，增益為1，作為反饋緩沖器，。108.1.3MOS型集成運(yùn)放

3.采用頻率補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)CMOS運(yùn)放M9為源跟隨器，起電平移位作用；M12、M13作為組成傳輸門等效為電阻；M10、M11

組成甲乙類推挽輸出。VccVi1Vi2VoM1M2M3M4M5M6M7M9M8M11M10M12M13C118.1.4集成電壓比較器

電壓比較器是用以識(shí)別加于電路的兩個(gè)輸入端上差模電壓極性的一種電路。電壓比較器輸入的是模擬信號(hào)，而輸出的是邏輯信號(hào)，可以看作是一位?！獢?shù)變換器。電壓比較器相當(dāng)于一個(gè)高增益的運(yùn)算放大器，其結(jié)構(gòu)和工作原理與運(yùn)放十分相似，而在應(yīng)用及使用要求等方面有一系列的差異。128.1.4集成電壓比較器

（續(xù)1）VrefViVoVoViVrefVOHVOLtt138.1.4集成電壓比較器

（續(xù)2）電壓比較器運(yùn)算放大器工作狀態(tài)過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)小信號(hào)狀態(tài)應(yīng)用狀態(tài)開環(huán)閉環(huán)輸出電平要求單極性輸出，邏輯電平值按后級(jí)電路要求雙極性輸出，一般要求擺幅盡量大靜態(tài)時(shí)輸出電平零輸入時(shí)，輸出為后級(jí)邏輯電路的閾值電平零輸入時(shí)，輸出電平也為零電平位移電路選擇通常采用齊納二極管，位移的電壓值易控制，頻響較好通常用NPN恒流管與電阻串接（或用橫向PNP管）選通端一般均有選通端沒有選通端148.1.4集成運(yùn)算放大器版圖示例15§8-2D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。他接收的是一定位數(shù)的數(shù)字編碼信號(hào)，輸出的是電流或電壓形式的模擬信號(hào)。168.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的一般組成

基準(zhǔn)電源數(shù)據(jù)鎖存采樣與保持控制電路開關(guān)電路(電流型、電壓型)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)網(wǎng)絡(luò)陣列(電阻或電容)運(yùn)算電路（加法器、跟隨器等）基準(zhǔn)電源：可集成在芯片內(nèi)部，也可以外接；數(shù)據(jù)鎖存：是防止輸入的數(shù)據(jù)在完成變換之前改變；采樣保持：是使輸出的模擬量直到下一次新的變換輸出之前保持不變。178.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

轉(zhuǎn)換速度：從輸入數(shù)字信號(hào)開始到模擬輸出的時(shí)間（可有不同的規(guī)定）。溫度靈敏度：在確定的數(shù)字信號(hào)輸入下，模擬輸出隨溫度的相對(duì)變化。分辨率：接收輸入的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)。若轉(zhuǎn)換器接收n位數(shù)字信號(hào)輸入，則能對(duì)應(yīng)輸出模擬量的個(gè)數(shù)為2n，稱其分辨率為n。188.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

（續(xù)）線性度：對(duì)理想的D/A轉(zhuǎn)換器，相等的數(shù)字輸入增量應(yīng)有相等的模擬輸出增量。輸入與輸出呈線性關(guān)系（單調(diào)函數(shù)）。而實(shí)際上總是存在偏差。000001010011100101110111a0a1a2a3a4a5a6a7設(shè)線為線性度誤差，為數(shù)字輸入變化最低有效位時(shí)正常模擬輸出的變化量。則定義為線性度。而應(yīng)滿足：<1

2198.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的分類按其開關(guān)類型分類可分為

電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型；按其網(wǎng)絡(luò)陣列形式分類可分為權(quán)電阻型和梯形R-2R型等；按其連接方式分類可分為串聯(lián)、并聯(lián)及間接式；按定標(biāo)類型分類可分為電流定標(biāo)型（適合雙極型）、電壓定標(biāo)型和電荷定標(biāo)型（適合MOS型）。208.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

1.基本結(jié)構(gòu)Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

b1b2b3…

bn

為n位輸入數(shù)字量，控制模擬開關(guān)，其中：

b1為最高位，bn為最低位；

VO為輸出電壓的模擬量；

R2R4R…2n-1R為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，Vref為基準(zhǔn)電壓，放大器接成反相求和運(yùn)算形式；218.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②

由虛地的概念可知：無(wú)論開關(guān)合向哪一端，每個(gè)電阻上所通過(guò)的電流是不變的。I1=VrefRI2=Vref2RI3=Vref4RIn=Vref2n-1R設(shè)bi為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)合向①；bi為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)合向②。228.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理（續(xù)）

I=b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInRf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②VO=–

Vref(+++

…+)b120b221b322bn2n-1設(shè)放大器輸入阻抗為，Rf

=R，則有：VO

=–

IfRIf=I238.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

3.線性度Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②由于電阻的阻值差別很大，對(duì)精度有很大影響.

僅最高位電阻的誤差（R)所引進(jìn)的輸出模擬量誤差為:VO=Rf

–

Rf

-VrefR+R-VrefR=VrefRf

R(R+R)R248.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

3.線性度（續(xù)）Rf=RR2R4R2n-1RI1I2InI3IfVrefVOb1b2b3bnI①①①①②②②②而最低有效位對(duì)應(yīng)輸出模擬量為:=VrefRf

12n-1R=2n-1<(R+R)R12則：近似有：<RR12n可見，位數(shù)越多，對(duì)電阻的精度要求就越高。即：=VrefRf

R(R+R)R258.2.4權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

4.電路示例Vbe

取0.7VVOb1b2b3b4AD11.2V-4.5VD2D3D410k20k40k80k5k注意：

該電路當(dāng)Bi為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)位的電路參加運(yùn)算。268.2.5反梯形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)

電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路結(jié)構(gòu)Rf=R2R2R2R2RIfVrefVOb1b2b3bnRRR2R①①①①②②②②阻值只有R和2R兩種，精度較容易控制。開關(guān)接在電阻網(wǎng)絡(luò)前面、直接與運(yùn)算器輸入端相連的稱為反梯形，開關(guān)接在電阻網(wǎng)絡(luò)后面的稱為正梯形。278.2.5反梯形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)

電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②從圖中清楚地可以看出無(wú)論開關(guān)合向哪一側(cè)：I=VrefRI1=I121I1=I122I1=I123I1=I12n288.2.5反梯形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)

電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理（續(xù)）Rf=R2R2R2R2RInI3I1I2IfVrefVOb1b2b3bnRRR2RI2-1I2-2I2-3I2-nI①①①①②②②②設(shè)bi為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)合向①；bi為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)合向②。放大器輸入阻抗為，則有：If=

b1I1+b2I2+b3I3+…

+bnInVO=-Vref(+++

…+)b121b222b323bn2n又：VO

=-

IfR所以有：298.2.5反梯形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電流開關(guān)

電流定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

3.電路示例Vbe

=0.75Vb1b21k2k1k2kVD

=0.75VVZ

=6.2VVOb3b4A2k2k2k1k1K2k40D2D1DZVB-8V308.2.6電阻分壓式電壓開關(guān)電壓定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路結(jié)構(gòu)VrefVORRRRRRRRb2b2b3b3b3b3b2b2b3b3b3b3b1b1三位D/A

N位轉(zhuǎn)換器由2N個(gè)相同電阻串聯(lián)對(duì)一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓；

由輸入數(shù)字信號(hào)控制的開關(guān)矩陣對(duì)分壓值作選擇傳送；由高阻抗緩沖放大器（或電壓跟隨器）進(jìn)行模擬輸出。318.2.6電阻分壓式電壓開關(guān)電壓定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

2.電阻分壓及開關(guān)部分版圖示例VrefGND到運(yùn)算電路b3b3b2b2b1b1

位數(shù)過(guò)多時(shí)，電阻鏈過(guò)長(zhǎng)，開關(guān)級(jí)數(shù)過(guò)多，影響精度和速度。328.2.7電荷定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

電路結(jié)構(gòu)及工作原理①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA

先由控制信號(hào)CTR將所有開關(guān)合向①，使電容都對(duì)地放電，VA=0。然后，將開關(guān)S0斷開，其它開關(guān)由輸入數(shù)字編碼b1b2b2…bn控制。設(shè)bi為0時(shí)，開關(guān)合向①；bi為1時(shí)，開關(guān)合向②，Vref對(duì)電容充電。338.2.7電荷定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

電路結(jié)構(gòu)及工作原理（續(xù)1）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VA(Vref

–VA)CV=VACGVA=VrefCVCV+CGVrefVACVCGCtolCV

=Vref348.2.7電荷定標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器

電路結(jié)構(gòu)及工作原理（續(xù)2）①①①②②②①②VOVrefCC/2C/4C/2n-1C/2n-1b1b2b3bnCTRS0①VACtol=C+

++…+

+

=2CC22n-1CC42n-1CCV=C(b1++

+…+)

b22b342n-1bnVA=

Vref(

++

+…+)

b12b24b382nbnVrefVACVCG35§8-3A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。他接收的是電流或電壓形式的模擬信號(hào)，輸出的是一定位數(shù)的數(shù)字編碼信號(hào)。正在朝著高速高分辨率，低壓低功耗的方向發(fā)展。368.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般特性

常用轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字編碼信號(hào)的位數(shù)表示轉(zhuǎn)換精度，它反映了轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬信號(hào)差，位數(shù)越高，精度越高。

輸入的模擬信號(hào)是連續(xù)的變化量，而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的，二者不是一一對(duì)應(yīng)的，實(shí)際上是一定小范圍的模擬量對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字量。378.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般特性（續(xù)1）

當(dāng)模擬輸入從零至滿量程AF變化時(shí)，對(duì)于N位輸出數(shù)字信號(hào)有2N個(gè)輸出狀態(tài)，其間有2N-1個(gè)狀態(tài)躍變。

每個(gè)數(shù)字輸出對(duì)應(yīng)輸入模擬量的范圍為：=

AF/2N，各段的中心點(diǎn)為編碼中心點(diǎn)。000001010011100101110111ADAF0AF4AF23AF4388.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般特性

（續(xù)2）

由于模擬輸入往往都是隨時(shí)間的變化量，因而會(huì)造成轉(zhuǎn)換輸出的不確定，所以一般都需要在轉(zhuǎn)換器的輸入端加采樣保持電路。VAt孔闌時(shí)間孔闌誤差t1t2VA2VA1TxVx398.3.2單斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計(jì)數(shù)器b3bnVaR2

每次轉(zhuǎn)換前，開關(guān)S閉合，將電容C放電，并將計(jì)數(shù)器清零。

開始轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)S斷開，積分器開始積分，積分時(shí)間常數(shù)為R1C。Va起始為負(fù)值，比較器C1輸出為“0”，比較器C2輸出為“1”，時(shí)鐘clk被屏蔽，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。408.3.2單斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)1）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計(jì)數(shù)器b3bnVaR2當(dāng)Va達(dá)到0V時(shí)，比較器C1狀態(tài)改變，輸出為“1”，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)Va達(dá)到模擬輸入Vi時(shí)，比較器C2狀態(tài)改變，輸出為“0”，時(shí)鐘clk再次被屏蔽，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。418.3.2單斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)2）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計(jì)數(shù)器b3bnVaR2

N位計(jì)數(shù)器的最終值即為與模擬輸入Vi對(duì)應(yīng)的N位數(shù)字值。n12N個(gè)周期Vat0VFSn2Va2Va1428.3.2單斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)3）C1AViLSBMSBb1b2C2VrefCR1S-VclkN位計(jì)數(shù)器b3bnVaR2關(guān)鍵要設(shè)計(jì)積分常數(shù)R1C，使N位計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)（2N個(gè)時(shí)鐘周期）對(duì)應(yīng)的模擬電壓為滿量程電壓VFS，另外要求時(shí)鐘頻率精確。

可以采用開關(guān)電容等效電阻電路，提高積分常數(shù)的精度：=R1C=c(C1/C）1438.3.3雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計(jì)數(shù)器

每次轉(zhuǎn)換前，開關(guān)S1合向模擬輸入Vi

，開關(guān)S2閉合將電容C放電，并將N位計(jì)數(shù)器清零。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)S2斷開，積分器開始2N個(gè)時(shí)鐘周期的固定時(shí)間積分，Va上升斜率為：Vi/RC。448.3.3雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)1）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計(jì)數(shù)器

對(duì)于不同的模擬輸入Vi

，有不同的上升斜率。2N個(gè)周期對(duì)Vi積分Vat0Va1Va2Va3458.3.3雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)2）積分器開始反積分，Va下降斜率為-Vref/RC。CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)至2N個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，

S1合向與模擬輸入極性相反的參考電壓-Vref，同時(shí)計(jì)數(shù)器回復(fù)零重新開始計(jì)數(shù)。

當(dāng)Va降到0V時(shí)，比較器C狀態(tài)改變，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)的值即為對(duì)應(yīng)模擬輸入Vi的數(shù)字輸出。468.3.3雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計(jì)數(shù)器對(duì)于不同的模擬輸入Vi時(shí)，Va有不同的上升斜率，但是有固定的下降斜率。n1n2n32N個(gè)周期對(duì)Vi積分對(duì)-Vref積分Vat0Va1Va2Va3478.3.3雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)3）CA-VrefCRLSBMSBb1b2b3bnVaS1ViS2控制電路N位計(jì)數(shù)器積分時(shí)間常數(shù)RC和時(shí)鐘頻率對(duì)上升和下降的影響相同，轉(zhuǎn)換精度較高。n1n2n32N個(gè)周期對(duì)Vi積分對(duì)-Vref積分Vat0Va1Va2Va3488.3.4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

1.結(jié)構(gòu)及原理10000110000100011100101000110000100111101101010110100100111001010001100001011111111011101111001101111010110011100010111101101010110100100111001010001100001數(shù)碼寄存器D/A轉(zhuǎn)換器移位寄存器數(shù)碼輸出比較器模擬輸入控制器498.3.4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

2.電路實(shí)例11111.5V11101.4V11011.3V11001.2V10111.1V10101.0V10010.9V10000.8V01110.7V01100.6V01010.5V01000.4V00110.3V00100.2V00010.1V00000.0V1.45V1.35V1.25V1.15V1.05V0.95V0.85V0.75V0.65V0.55V0.45V0.35V0.25V0.15V0.05VCPDRQCPDRQCPDRQCPDRQCPDRQCPDSQQQQQQQSRCPQQSRCPQQSRCPQQSRCPQQRDRDRD四位D/A轉(zhuǎn)換器比較器模擬輸入ViRSTCLKMSBLSBb1b2b