電子電路：模擬集成電路

5模擬集成電路

引

言集成電路分為兩大類：模擬集成電路和數(shù)字集成電路。模擬集成電路有集成運算放大器、集成窄帶放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成鎖相環(huán)、集成穩(wěn)壓電源、集成模－數(shù)轉換和集成數(shù)－模轉換、還有各種專用集成電路等，其中運算放大器是運用最廣泛的一種，本章只介紹運算放大器。模擬集成電路內(nèi)部元件的特點：

(1)元件的絕對值偏差大，但對稱性好。

(2)電阻值<幾十K，大電阻用恒流源代替，或外接。(3)電容值<幾十

Pf，用PN結電容代替，因此在集成電路中都用直接耦合方式。

(4)將三極管的發(fā)射結或集電結短路作二極管使用。

(5)

PNP型管的β<10，NPN型管的β較大。在集成電路中還可制造出>1000以上的晶體管，稱為超管。

(6)沒有電感元件。

5.1簡單的運算放大器運算放大器都由直接耦合多級放大器組成，輸入級一般均為差動電路，輸出級為共集電極電路或互補推挽電路，中間級為共發(fā)射極電路或組合電路。

運算放大器的電路符號

(b)

老符號 (c)

國標符號圖5.2.2運算放大器的電路符號

5.1通用型集成運算放大器通用型集成運算放大器有F001(BG301，5G922，A702)、FC3(A709)、F007(5G24，A741，BG308)、4E325(AD508)……多種類型，作為例子，下面介紹F007電路的組成和工作原理。

圖5.3.1為F007的內(nèi)部電路圖，由偏置電路、輸入級、中間級和輸出級組成，是一個中等增益的通用型集成運算放大器。它的主要指標為：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)106dB(2106)，差模輸入電阻2MW，輸出電阻75W，最大輸出電壓13V
，最大共模輸入電壓13V
，共模擬制比90dB(3105)，靜態(tài)電流1.7mA，靜態(tài)功耗50mW。圖中序號為管腳號，下面分析其工作原理。1.偏置電路由T10、T11和R4、R5購成的微電流源作主偏置電路，流過R5的電流為參考電流運用式(2.6.10) 試探求得

2.輸入級輸入級由T1~T8組成，其中T1~T4構成共集—共基單端輸出差動電路，輸入電阻很大，約2MW。T5~T7為改進型電流源，作差動電路的恒流源負載，用來提高輸入級的差模電壓放大倍數(shù)；電流源T5~T7的另一作用是能將差動電路的單端輸出變成雙端輸出，使輸入級的差模電壓放大倍數(shù)增大一倍。

圖5.3.2

F007輸入級的簡化原理電路圖5.3.3

F007中間級和輸出級的簡化原理電路3.輸出級T14和T20組成互補推挽電路輸出級，可以輸出大的電流，利用T18、T19的發(fā)射結作二極管和R8來消除交越失真。T24為射極輸出器，起中間級與輸出推挽電路之間的隔離作用，用來提高中間級的電壓放大倍數(shù)。恒流源T13A的輸出電阻為T24的射極電阻。4.過載保護電路

F007的過載保護電路由T15、T21~T23和R9、R10組成。在正常運行時，互補推挽電路T14和T20的射極輸出電流不大，R9、R10上的壓降較小，不能使T15和T21導通。當外接等效負載電阻RL非常小，或使用時不小心將輸出端對地短路時，推挽電路的輸出電流增大，可能將T14和T20燒壞，使整個電路報廢。例如，當正向輸出電流過大時，R9上的壓降增大，使T15導通，T14的基極電流減小，集電極電流也減小，保護了T14管；當負向輸出電流過大時，R10上的壓降增大，使T21導通，鏡象電流源T23和T22導通，T16的基極電流減小，集電極電壓將增大，T24的發(fā)射極電壓增大，T20的發(fā)射結電壓VEB減小，輸出電流減小，保護了T20管。

5.1集成運算放大器的主要參數(shù)

1.輸入失調電壓VIO在集成運放的兩個輸入端不加信號時，輸出端應該為零電位(不加調零電位器)，實際上由于元件的誤差，輸出端不為零電位。為了使輸出端為零，可以在兩輸入端之間外加電壓，這個外加電壓即補為失調電壓VIO，其值越小越好，一般為(1~10)mV。2.輸入偏置電流IIB在運放的輸出為零時，輸入偏置電流為輸入級差動電路兩輸入端靜態(tài)電流的平均值，即IIB=(IBN+IBP)/2，一般為10nA~1A，如圖5.4.1所示。它的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于差動電路三極管的b值，如b值太小，將引起偏置電流的增加。從使用角度來看，IIB愈小，信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是重要的技術指標。3輸入失調電流IIO

是指當輸出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。

由于信號源有內(nèi)阻，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡,使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，一般為1nA~0.。

4.溫度漂移溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調電壓和輸入失調電流隨溫度的漂移所引起的。常用下面方式表示：

(1)輸入失調電壓溫漂VIO/T

是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)輸入失調電壓VIO的溫度系數(shù)，也是衡量電路溫漂的重要指標。高質量的放大器常用低漂移的器件來組成，一般約為(10~20)V/℃

(2)輸入失調電流溫漂IIO/T

是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)輸入失調電壓VIO的溫度系數(shù)，也是對放大器電流漂移的量度。高質量的每度幾個pA。

必須指出，上述兩個參數(shù)不能用外接調零裝置的辦法來補償。

5.最大差模輸入電壓Vidmax

是運放兩個輸入端所能承受的最大電壓值。它與運放輸入級三極管發(fā)射結的反向擊穿有關。利用平面工藝制成的NPN管約為5V左右，而橫向三極管可達30V發(fā)上。

6.轉換速率SR

運放在閉環(huán)狀態(tài)下大信號(如階躍信號)輸入時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即

如圖5.4.2所示，它主要是與運放所加的補償電容、三極管的極間電容、以及電路的雜散電容有關。在電容的影響下，反饋信號不能極時送回到輸入端，而造成輸入差動電路出現(xiàn)瞬時飽和或瞬時截止狀態(tài)，使輸出不能即時跟隨階躍電壓變化。

圖5.4.2輸出電壓波形受轉換速率限制的情況

7.開環(huán)差模電壓增益Avo是指運放在無反饋情況下的直流差模增益，是影響運算精度的重要指標，通常用分貝表示。8.單位增益帶寬BWG和開環(huán)帶寬BWBWG是指運放在開環(huán)差模電壓增益下降到0dB時的頻率。

BW是指運放在開環(huán)差模電壓增益下降到3dB時的頻率。

除此之外，還有共模擬制比、輸入電阻、輸出電阻、功耗和總電流等。本章小結集成電路是把一個完整電路中的元器件制作在一塊半導體的硅基片上，構成特定功能的電子電路，要求它的性能好，可靠性高，搞干擾能力強。１.差動放大電路一般是作為模擬集成電路的輸入級，它由兩個完全對稱的發(fā)射極連接在一起的共發(fā)射極放大電路組成，因此可以用分析共發(fā)放大電路的方法來分析它。差動電路的差模電壓放大倍數(shù)Ad與輸入方式(即單端輸入，雙端輸入)無關，只與輸出方式有關。對雙端輸出可以當作一個共發(fā)電路。對單端輸出可以當作半個共發(fā)電路，但要注意輸出與輸入的相位關系，即由左邊管子(T1管)輸出時取負號；由右邊管子(T2管)輸出時取正號。

差動電路的輸入電阻與輸入方式無關，為兩管輸入電阻之和。

差動電路的輸出電阻與輸出方式有關，雙端輸出時為兩個共發(fā)電路輸出電阻之和；單端輸出時為一個共發(fā)電路的輸出電阻。２.為了提高差動電路的抗干擾能力，要求共模電壓放大倍數(shù)Ac愈小愈好。為了降低共模電壓放大倍數(shù)，可在共發(fā)電路的射極接一公共電阻Ree，并要求Ree愈大愈好。為了降低直流電源電壓，可選用恒流源代替Ree。

在理想情況下，雙端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為零；單