模電模擬集成電路課件

1、電子技術(shù)基礎(chǔ) A（模擬部分）6：模擬集成電路電子技術(shù)基礎(chǔ) A（模擬部分）6：模擬集成電路內(nèi)容提要集成電路IC總論6.0集成電路OP中的電流源6.1差分式放大電路6.2集成電路運(yùn)算放大器6.4集成電路OP的主要參數(shù)6.5內(nèi)容提要集成電路IC總論6.0集成電路OP中的電流源6.1差 復(fù)合管電路 組合放大電路 6.0.1 集成電路的特點(diǎn) 6.0.2 集成電路中常用的電路組態(tài) 參數(shù)具有對(duì)稱性 有源器件代替無源元件 復(fù)合結(jié)構(gòu)電路 二極管作溫度補(bǔ)償元件和電平移動(dòng)電路 復(fù)合管電路 組合放大電路 6.0.1 集成電路的特點(diǎn) 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)N+P+PP P+P+P+N+PPNNNN+N+Alceb二

2、極管電阻 三極管 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)N+P+PP P+P+P+N+P 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)P+ISOP+ISOP+ISOP+ISOP+P+N+P+P+N+P+N+N+P SubstrateP+ Isolation=20mAl/Si(1%)=11kAN+ Emitter=2.5mN+ Buried Layer=4.5mN+ Buried Layer=4.5mN EPI=17mP Base=3mVertical PNPLateral PNPNPNbeeeeecccbbcc 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)P+P+P+P+P+P+N+P+ 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)N+P WellP-Cha

3、nnel P+N+P+P+N+N+P+Tgox=900A2m10mImetal=2mN-Channel Si3N4SO2=0.8mN SubstrateTrkldox=1.15mgdssgd 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)N+P WellP-Channe 集成電路(IC)中單個(gè)元器件精度不很高，參數(shù)隨溫度漂移較大，但在同一芯片上用相同工藝制造出的元器件性能一致性好，芯片上同一類元器件溫度特性也基本一致。如果做成對(duì)稱電路或補(bǔ)償回路，則電路的熱穩(wěn)定性相當(dāng)好。 6.0.1 集成電路的特點(diǎn)1. 電路結(jié)構(gòu)與元器件參數(shù)具有對(duì)稱性 集成電路(IC)中單個(gè)元器件精度不很高，參數(shù)隨溫度漂移 IC中由于用 P 或 N

4、 型半導(dǎo)體材料作電阻，阻值有一定限制，一般幾十W到幾十kW之間，太高太低都會(huì)因占芯片面積過大而不易制造。常用占用面積小且性能好的MOS、BJT管等有源器件構(gòu)成電流源替代大電阻。大電容也不易制造，常用PN結(jié)電容或SiO2絕緣層構(gòu)成小電容，一般VBE , 故 IREF 取決于VCC和R， 6.1.1 BJT電流源1. 鏡像電流源IC1的 T 不敏感性原理：Thb1h IC1hIREFhVBE1iIC1iIB1iIC1維持穩(wěn)定！與PN結(jié)特性（T 敏感）基本無關(guān)！ IREF為恒定！恒流特性：VCC VBE , 故 IREF 取決于VCC恒流特性：IC2取決于VCC和R，與PN結(jié)的特性（T 敏感）基本無

5、關(guān)！ 6.1.1 BJT電流源1. 鏡像電流源T鏡像對(duì)稱！思考：T2 的 Q 點(diǎn)必須處于什么區(qū)域思考：如圖所示電路IC2穩(wěn)定性如何通過自動(dòng)調(diào)節(jié)VBE獲得穩(wěn)定恒流特性：IC2取決于VCC和R，與PN結(jié)的特性（T 敏感）由于T2的集電極電流基本不變。所以交流量：實(shí)際上，一般ro在幾百千歐以上 6.1.1 BJT電流源1. 鏡像電流源交流電阻：鏡像電流源的恒流特性要求：交流電阻盡量大(Why) 、 T穩(wěn)定性高！由于T2的集電極電流基本不變。所以交流量：實(shí)際上，一般ro在由于增加T3，使IC3更接近kIREF 6.1.1 BJT電流源1. 鏡像電流源精度更高更穩(wěn)的鏡像電流源鏡像電流源大交流電阻，對(duì)T3

6、起射極偏置電阻作用（強(qiáng)反饋穩(wěn)Q），當(dāng)然輸出交流電阻更高，恒流特性更好，溫度穩(wěn)定性更高！由于增加T3，使IC3更接近kIREF 6.1.1 BJT電由于DVBE很小，故 IC2也很小 6.1.1 BJT電流源2. 微電流源由于DVBE很小，故 IC2也很小 6.1.1 BJT電流源 6.1.1 BJT電流源3. 多路電流源試指出該電路的鏡像電流源和微電流源。 6.1.1 BJT電流源3. 多路電流源試指出該電路的鏡共射電路電壓增益為：對(duì)于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益為：比用電阻Rc就作負(fù)載時(shí)提高了。 6.1.1 BJT電流源4. 電流源作有源負(fù)載放大管 鏡像電流源共射電路電壓增益

7、為：對(duì)于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻， 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 6.1.2 FET電流源2. MOSFET多路電流源 6.1.2 FET電流源2. MOSFET多路電流源 6.1.2 FET電流源3. JFET電流源iD/mAiD/mAUDS/V電阻區(qū)飽和區(qū) 6.1.2 FET電流源3. JFET電流源iD/mAiD 電路結(jié)構(gòu) 靜態(tài)分析 6.2.1 差分放大電路的概念 6.2.2 基本差分式放大電路

8、 直接耦合放大電路 共模和差模 共模抑制比 動(dòng)態(tài)分析 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算 6.2.4 基本差分式放大電路的傳輸特性 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn) 二等分定理 參數(shù)計(jì)算 抑制零點(diǎn)漂移 電路結(jié)構(gòu) 靜態(tài)分析 6.2.1 差分放大電路的概念 可以放大直流信號(hào)零點(diǎn)漂移問題一般集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦合方式，Why？主要原因：溫度變化引起，也稱溫漂零漂：輸入短路時(shí)，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生溫漂指標(biāo)：溫度每升高1時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值1. 直接耦合放大電路 6.2.1 差分放大電路的概念電源電壓波動(dòng)也是原因之一可以放大直流信號(hào)零點(diǎn)漂移問題

9、一般集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦例：假設(shè) 若第一級(jí)漂了100mV，則輸出漂移1 V。 若第二級(jí)也漂了100mV，則輸出漂移 10 mV。1. 直接耦合放大電路 6.2.1 差分放大電路的概念第一級(jí)是關(guān)鍵漂移1V+10mV 漂移1V+10mV 漂了100mV 漂移10mV+100mV 需采用低噪聲低溫漂差放例：假設(shè) 若第一級(jí)漂了100mV，則輸出漂移1 V。 A1vivo103A2vivo105？思 考 題增加了Re電壓增益輸出漂移電壓均為 200 mV輸出漂移電壓均為 200 mV輸入端漂移電壓為 0.2 mV輸入端漂移電壓輸入端漂移電壓輸入端漂移電壓為 0.002 mVA1vivo103A2

10、vivo105？思 考 題增加了Re電 6.2.1 差分放大電路的概念2. 什么是差放？差動(dòng)放大器T1T2 取 vo= vo1 vo2，則：（1）vi1 、 vi2大小相等方向相同時(shí)， vo= 0；（2）vi1 、 vi2大小相等方向相反時(shí)， vo 0；只能夠放大差信號(hào)！ 6.2.1 差分放大電路的概念2. 什么是差放？差動(dòng)T1T 6.2.1 差分放大電路的概念vid：差模信號(hào)信號(hào)分解類型與定義：3. 共模和差模差動(dòng)放大器信號(hào)差/自有信號(hào)差模信號(hào)輸入對(duì)稱電路后一分為二：差放NN差放NN大小相等方向相反 6.2.1 差分放大電路的概念vid：差模信號(hào)信號(hào)分解類型 6.2.1 差分放大電路的概念v

11、id：差模信號(hào)信號(hào)分解類型與定義：3. 共模和差模差動(dòng)放大器vic：共模信號(hào)平均信號(hào)/共有信號(hào)差動(dòng)放大器 6.2.1 差分放大電路的概念vid：差模信號(hào)信號(hào)分解類型 6.2.1 差分放大電路的概念vid：差模信號(hào)信號(hào)分解類型與定義：3. 共模和差模差動(dòng)放大器vic：共模信號(hào)差動(dòng)放大器差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓： 6.2.1 差分放大電路的概念vid：差模信號(hào)信號(hào)分解類型 6.2.1 差分放大電路的概念共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)有時(shí)用對(duì)數(shù)表達(dá)：4. 共模抑制比 6.2.1 差分放大電路的概念共模抑制比反映抑制零漂能力的 6.2.2 基本差分式放大電路1. 電路（vi1= vi2 =

12、 0）2. 靜態(tài)分析 6.2.2 基本差分式放大電路1. 電路（vi1= vi2 僅輸入差模信號(hào)，vi1 和 vi2大小相等但反相。則 vc1 和 vc2 大小相等且反相，故 vo= vc1-vc20，差分信號(hào)被放大！ 6.2.2 基本差分式放大電路3. 動(dòng)態(tài)分析 僅輸入共模信號(hào)，vi1 和 vi2大小相等但同相。則 vc1 和 vc2 大小相等且同相，vo= vc1-vc2= 0，共模信號(hào)被抑制！ 若輸入信號(hào)含共、差模分量，需分別提取分析計(jì)算 僅輸入差模信號(hào)，vi1 和 vi2大小相等但反相。則 v 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算1. 二等分定理（A. 差模輸入）N/2N/2N/2

13、N/2N/2N/2拆分電路，方便分析 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算1. 二等分定理（ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算1. 二等分定理（B. 共模輸入）N/2N/2N/2N/2N/2N/2拆分電路，方便分析 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算1. 二等分定理（ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(1) 雙端輸入、雙端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(1) 雙端輸入、雙端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.

14、2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(1) 雙端輸入、雙端輸出差模！Avd與半邊放大電路同 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(1) 雙端輸入、雙端輸出Double！ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(1) 雙端輸入、雙端輸出Double！ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(2) 雙端輸入、單

15、端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(2) 雙端輸入、單端輸出Half！Unchanged！Half！思考: 從T2輸出, Avd怎樣變化? 接負(fù)載后怎樣計(jì)算? 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(3) 單端輸入、雙端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(3) 單端輸入、雙端輸出差分信號(hào)分析與雙入雙出完全相同,

16、Avd、rid、ro均不變, 但含共模信號(hào), 輸出電壓有差異 ! 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(4) 單端輸入、單端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)差模）(4) 單端輸入、單端輸出差分信號(hào)分析與雙入單出完全相同 (Avd、rid、ro)，但含共模信號(hào), 輸出電壓有差異 ! 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)共模）(1)

17、雙端輸出 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)共模）(1) 雙端輸出雙端輸出差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有超強(qiáng)抑制作用！ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng)態(tài)共模）(1) 單端輸出共模抑制很強(qiáng)!很??！ 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算2. 參數(shù)計(jì)算（動(dòng) 溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化,且變化趨勢(shì)是相同的，因此，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用！ 6.2.3 基本

18、差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算3. 抑制零點(diǎn)漂移VERY GOOD！ 溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化,且變化 另外，溫度，兩 c 極電流，使流過Re的電流，e 極電位上升，從而限制了 c 極電流。其過程類似分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使差放為單端輸出，仍有很強(qiáng)的抑制零漂能力。 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算3. 抑制零點(diǎn)漂移 另外，溫度，兩 c 極電流，使流過Re的電流，e 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4. 幾種方式指標(biāo)比較雙端輸入單端輸入 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4. 幾種方式指標(biāo) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4.

19、幾種方式指標(biāo)比較輸入方式雙入單入輸出方式雙出單出雙出單出AVDAVC00KCMRAVD :雙出2單出AVC :雙出 = 0，單出 = 負(fù)載/2倍恒流源阻值 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4. 幾種方式指標(biāo) 6.2.3 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4. 幾種方式指標(biāo)比較輸入方式雙入單入輸出方式雙出單出雙出單出rid2rbe2rbericrbe+(1+b)2rorbe+(1+b)2roro2RcRc2RcRc高頻響應(yīng)參閱p270參閱p270用途浮地場(chǎng)合輸入/中間級(jí)雙端轉(zhuǎn)單端輸入/中間級(jí)單端轉(zhuǎn)雙端輸入級(jí)輸入/出信號(hào)需共地場(chǎng)合rid、ric : 與輸入形式無關(guān)ro : 雙出2單出 6.2.3

20、 基本差分式放大電路的參數(shù)計(jì)算4. 幾種方式指標(biāo)？1. 若在基本差分式放大電路中增加兩個(gè)電阻Re（如圖）。則動(dòng)態(tài)指標(biāo)將有何變化？增加了Re思 考 題？1. 若在基本差分式放大電路中增加兩個(gè)電阻Re（如圖）。則？答：雙端輸出差模增益差模輸入電阻單端輸出共模增益共模輸入電阻思 考 題？答：雙端輸出差模增益差模輸入電阻單端輸出共模增益共模輸入電反相vc1與vi1同相vc2與vi1同相vc1與vi2反相vc2與vi2反相vo與vi1同相vo與vi2 2. 差分式放大電路如圖。分析下列輸入輸出相位關(guān)系： 3. 靜態(tài)時(shí)，兩個(gè)輸入端是否有靜態(tài)偏置電流？偏置電流由哪個(gè)電源提供？沒有這個(gè)電源 (單電源) 行嗎？

21、思 考 題反相vc1與vi1同相vc2與vi1同相vc1與vi2反相v例：T1、T2、T3均為硅管, b1 = b2 =50, b3 = 80, 當(dāng) vi = 0 時(shí), vo = 0，求：(1) IC3、IC2、IE、VCE3、VCE2、Re2；(2) AV = AVD2AV2；(3) 當(dāng)vi = 5mV時(shí)，vo= ？(4)當(dāng)輸出接12k負(fù)載時(shí)的電壓增益。例：T1、T2、T3均為硅管, b1 = b2 =50, b解：(1) 靜態(tài)：已知vi1=0, vo=0解：(1) 靜態(tài)：已知vi1=0, vo=0解：(2) 電壓增益：解：(2) 電壓增益：解：(3) 輸出電壓：(4) RL= 12kW時(shí)：

22、 已知vi = 5mV忽略共模放大解：(3) 輸出電壓：(4) RL= 12kW時(shí)： 已知v 6.2.4 基本差分式放大電路的傳輸特性線性區(qū) 6.2.4 基本差分式放大電路的傳輸特性線性區(qū) 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)輸入級(jí)偏置電流源輸出級(jí)有源負(fù)載 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)輸入級(jí)偏置電流源輸出 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)差放管 偏置級(jí) 恒流源 *復(fù)合管 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)差放管 偏置級(jí) 恒流源 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)偏置級(jí) *復(fù)合管 有源負(fù)載 恒流源 6.2.5 基本差分放大電路的改進(jìn)偏置級(jí) *復(fù)合管 有源負(fù) 6.3.1 集成電路運(yùn)算放大器的

23、基本結(jié)構(gòu) 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器 6.3.1 集成電路運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu) 6.3.2 通用集成運(yùn)放內(nèi)部組成框圖 6.3.1 簡(jiǎn)單的集成電路運(yùn)算放大器電壓放大級(jí)輸出級(jí)差分輸入級(jí)偏置電路集成運(yùn)放內(nèi)部組成框圖 6.3.1 簡(jiǎn)單的集成電路運(yùn)算放大器電集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小 6.3.1 簡(jiǎn)單的集成電路運(yùn)算放大器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)vo _+vi傳統(tǒng)符號(hào)vnvovpA+運(yùn)放中的“ + ”、“ - ”的含義指什么？集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小 6.3.1 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器LM741 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器LM741 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化電路LM741 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化電路LM741 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器外觀（LM741）DIP：dual inline-pin package 6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器外觀（LM741）DI1. 輸入失調(diào)電壓VIO2. 輸入偏置電流IIB3. 輸入失調(diào)電流IIO4. 溫度