模電第章模擬集成電路基礎

第3章模擬集成電路基礎3.1概述3.3差動放大電路3.2電流源電路3.4功率放大電路3.5集成電路3.1概述集成電路是一種將“管”和“路”緊密結合的器件，它以半導體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應管、二極管、電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。集成電路體積小、重量輕、耗電少、可靠性高，已成為現代電子器件的主體。集成電路分數字與模擬兩大類。集成電路體積小、重量輕、耗電少、可靠性高，已成為現代電子器件的主體。集成電路分數字與模擬兩大類。模擬集成電路的種類很多，有集成運算放大器(簡稱集成運放)，集成功率放大器，集成模擬乘法器，集成鎖相環(huán)，集成穩(wěn)壓器等。在模擬集成電路中，集成運算放大器是最為重要、用途最廣的一種，

這里主要介紹集成運放的內部電路、工作原理、性能指標及常用等效模型。（1）集成電路中的元器件是在相同的工藝條件下做出的，鄰近的器件具有良好的對稱性，而且受環(huán)境溫度和干擾的影響后的變化也相同，因而特別有利于實現需要對稱結構的電路。（2）集成工藝制造的電阻、電容數值范圍有一定的限制。集成電路中的電阻是使用半導體材料的體電阻制成的，因而很難制造大的電阻，其阻值一般在幾十歐姆到幾十千歐姆之間;集成電路中的電容是用PN結的結電容作的。（3）集成工藝制造晶體管、場效應管最容易，眾多數量的晶體管通過一次綜合工藝完成。集成晶體管有縱向NPN型管(β值高、性能好)、橫向PNP型管(β值低、但反向耐壓高）和場效應管，另外，集成工藝比較容易制造多極晶體管，如多發(fā)射極管、多集電極管等。集成二極管、穩(wěn)壓管等一般用NPN管的發(fā)射結代替。3.1.1集成電路中的元器件特點（1）利用元器件參數的對稱性來提高電路穩(wěn)定性（2）利用有源器件代替無源元件（3）一般采用直接耦合方式3.1.2集成電路結構形式上的特點（4）采用較復雜的電路結構（5）適當利用外接分立元件根據集成工藝的特點，模擬集成放大電路中的偏置電路、集電極或發(fā)射極負載等，一般采用晶體管電流源。這不僅能使電路性能具有不隨溫度及電源電壓變化而變化的良好穩(wěn)定性(做偏置)，而且能獲得高增益、大動態(tài)范圍的特性(做有源負載)。3.2晶體管電流源電路電流源電路是指能夠輸出恒定電流的電路。由第1章晶體管的特性已知，晶體管本身便具有近似恒流的特性。

在集成電路中，常用的電流源電路有：鏡像電流源、精密電流源、微電流源、比例電流源和多路電流源等。它主要提供集成運放中各級合適的靜態(tài)電流或作為有源負載代替高阻值電阻，以提高放大電路的放大倍數。

3.2.1電流源電路1.鏡像電流源條件：兩管參數對稱2.改進型鏡像電流源3.微電流源3.3差動放大電路零點漂移的嚴重性根據集成電路結構形式上的特點，集成電路的極間耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在溫度漂移問題。為了抑制溫度漂移，一種比較有效的電路就是差動放大電路。如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點漂移。3.3.1差動放大電路(DifferentialAmplifier)1.電路組成

特點：

a.兩只完全相同的管子；

b.元件參數對稱；2.輸入輸出方式輸入端：同相輸入端、反相輸入端輸入方式：雙端輸入：若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端。單端輸入：若信號僅從一個輸入端加入，另一個輸入端接地。輸出方式：雙端輸出：若從C1和C2兩端輸出。單端輸出：

僅從集電極C1或C2對地輸出稱為單端輸出。輸出端：一個是T1的集電極C1，另一個是T2的集電極C2差動電路的工作模式：(1)雙端輸入、雙端輸出（雙入——雙出）(2)雙端輸入、單端輸出（雙入——單出）(3)單端輸入、雙端輸出（單入——雙出）(4)單端輸入、單端輸出（單入——單出）3.差模信號與共模信號差模輸入信號：差動放大電路兩個輸入信號之差差模信號：指在兩個輸入端加上大小相等，極性相反的信號共模信號：指在兩個輸入端加上大小相等，極性相同的信號共模輸入信號：差動放大電路兩個輸入信號的平均值4.抑制零漂的工作原理

原理：靜態(tài)時，輸入信號為零，即將輸入端①和②短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外界條件發(fā)生變化時，兩管的集電極電流ICQ1和ICQ2的變化規(guī)律始終相同，結果使兩管的集電極電位UCQ1、UCQ2始終相等，從而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0，因此消除了零點漂移。具體實踐：在實踐中，兩個特性相同的管子采用“差分對管”，兩半電路中對應的電阻可用電橋精密選配，盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。結論：可想而知，即使采取了這些措施，差動放大電路的兩半電路仍不可能完全對稱，也就是說，零點漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。5.信號的輸入方式和電路的響應（1）差模輸入方式差模輸入信號為Ui1－

Ui2=

UId差模輸入方式若Ui1的瞬時極性與參考極性一致，則Ui2的瞬時極性與參考極性相反。則有：ui1↑→ib1↑→ic1↑→uc1↓ui2↓→ib2↓→ic2↓→uc2↑輸出電壓uO=uC1－

uC2≠0，而是出現了信號，記為Uod。定義：Ad=Uod/UId（2）共諷模輸守入方鉤式Ui1=Ui2=UIC在共毀模輸民入信捷號作桿用下妖，差礎放兩答半電克路中跳的電螺流和令電壓推的變噸化完擾全相含同。ui1=ui2=0，uo=0Ui1=Ui2=Uic時，Uoc=0。定義畜：Ac域=Uoc/UIc共模櫻輸入何方式膊下的花差放勁電路Ac叫做烘共模攪電壓貼放大縮慧倍數賤。理腦論上胳講，Ac為0，實挨際上由于蘆電路誰不完察全對齒稱，欠可能乎仍會錦有不子大的Uoc，一般Ac康<<策1。既然UOC=0或者UOC很小錄，為升什么唉還要忌討論梅共模修輸入沙呢？差放財的兩專半電殿路完游全對純稱，肆又處詢于同倚一工共作環(huán)嗚境，果這時溫度讓變化裹以及鋸其它腎干擾應因素硬對這寬兩半邀電路千都有攝完全堡相同的影逢響和輝作用嗓，都串等效鐮成共甲模輸申入信伶號。術如果巨在Ui岔c作用下，Uo萌c=0或Ac求=0，則說蓬明差瘡放有感效地高抑制病了因挨溫度僅變化而引航起的鋒零漂忍。（3）任擁意輸賄入方木式任意掌輸入霸方式輸入絡端分購別接Ui1和Ui2，這種血輸入臭方式嫂帶有主一般著性，叫“憲任意財輸入喜方式音”。Uic=任(Ui1+Ui2)但/站2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若則Uid=疑(Ui1-Ui2)緩/得2例如：Ui1=1艘0m前VUi2=6譽mV則Uid=2疤mVUic=8凍mV利用水疊加降原理蛇得到：Uo=Ad·2插Uid+AcUic=Ad（Ui1-Ui2）結論后：在勺任意公輸入判方式印下，朱被放奔大的重是輸數入信觀號Ui1和Ui2的差槽值。潔這也支是這謀種電架路為伴什么其叫做野“差晉動放巧大的溝原因陳”。（4）存庫在的想問題懸及改鄙進的趟方案以上寨研究用的是沙基本誘的差罪動放咸大電壟路，必它實狗際上酷不可著能完粉全抑堤制零私漂，睛因為覺兩半帖電路疊不會幸完全禁對稱慰。另裝外，遣如果話從一曠管輸耀出，水則與潛單管術放大揮電路誤一樣窗，對洪零漂嘴毫無生抑制舌能力蹦，而攏這種腔“單憐端輸暈出”喉方式祝的形基式又展是經嫂常采漲用的準。穩(wěn)定飽靜態(tài)嗎工作扛點，其就是縱要減焰小ICQ的變睬化，裳而抑宴制零思點漂裹移也揭同樣飯是減借小ICQ的變究化。嫁即抑舌制零丟點漂奸移和郵穩(wěn)定正靜態(tài)瓜工作柴點是概一回擔事。遙因此礦可以絕借鑒奶工作尺點穩(wěn)雷定電誕路中蜘采用混過的蝴方法次，在斯管子丸的射極伯上接否一電召阻。這雅樣，幻玉基本象的差謙動放時大電港路就丙改進出為如租下圖擊所示怪。在上問圖電挺路中鏡，RE越大，則工作遙點越睛穩(wěn)定，零點執(zhí)漂移揮也越小。但RE太大拍，在往一定最的工插作電蝦流下井，RE上的霉壓降體太大，龜管子勾的動航態(tài)范棵圍就旺會變路小。抱為了船保證保一定握的靜簽態(tài)工克作電流穩(wěn)和動料態(tài)范賣圍，匹而RE又希拼望取璃得大析些，剝常采蛙用雙敲電源沒供電，笑用電謊源VEE提供RE上所偶需的蔽電壓咸。采心用雙療電源去供電后，咽輸出僵電壓路的動君態(tài)范扮圍大需多了皺。改進肚后的恢電路飲叫射折極耦懇合差熊動放街大電率路也獅叫長尾電路口。射極遷耦合膨差動洪放大私電路122RCRCR1R1T1T2+-Uo.RLRWREC1C2Ui.+_VCCVEE因為術有負者電源VEE提供疏發(fā)射肌極正傻偏所懲需要歸的電稠壓，籃所以RB可以懷去掉硬。T1和T2的射駁極之澤間還巾接入便了電掘位器RW，用于酷電路鋸調零長。3.判3.伴2基本諒性能瘋分析1.靜態(tài)心分析忽略Ib，有：VB1=VB2=0奴V2.動態(tài)王分析--岔--半等慕效電渾路分狠析法差動悟放大砍器共貿有四山種輸門入輸摧出方具式:1.雙端爛輸入促、雙撞端輸摩出（雙入窮雙出）2.雙端獲輸入窮、單幕端輸于出（雙入偷單出）3.單端肉輸入誤、雙醒端輸糧出（單入報雙出）4.單端般輸入善、單堪端輸糞出（單入泥單出）主要罵討論曉的問添題有翅：差模拔電壓隙放大芳倍數共模碗電壓慌放大蜜倍數差模熊輸入哪電阻輸出識電阻1.雙端號輸入友雙端裕輸出(1戶)差模賺電壓妥放大拜倍數（2）共積模電炸壓放加大倍洲數（3）差潤模輸捕入電鐮阻（4）輸顫出電筋阻輸入蕩幅值晉不同喜，如何帳處理?2.雙端滑輸入鉗單端森輸出這種殿方式素適用炒于將差分房誠信號纖轉換希為單掙端輸辛出的信趕號。(1包)差模擾電壓堵放大陶倍數（2）差禮模輸彼入電歌阻（3）輸糧出電彩阻（4）共仙模電惠壓放醫(yī)大倍菌數共模糕等效防電路測：3.單端博輸入溪雙端套輸出--配--Re化單足入為植雙入單端欠輸入閉等效加雙端虜輸入:因為沉右側押的Rb+rbe歸算掛到發(fā)尿射極驗回路倒的值[(Rs+rbe)略/(序1+)]遼<<Re，故Re對Ie分流尾極小傳，可接忽略手，于毛是有vi1=鼻－vi2=vi/2計算租同雙孔端輸闖入雙握端輸鋒出：4.單端所輸入騾單端喬輸出注意邪放大甩倍數耽的正特負號鑼：設從T1的基脫極輸宗入信蜓號，析如果條從C1輸出里，為念負號資；從C2輸出扶為正迷號。計算盒同雙骨入單犧出：(1民)差模稱電壓愉放大妖倍數與單個端輸瓶入還醫(yī)是雙斬端輸樹入無砌關，跪只與脆輸出猶方式硬有關柴：差動讀放大征電路香動態(tài)屬參數賭計算竟總結雙端蘿輸出猛時：單端序輸出摘時：(2皮)共模從電壓嬌放大纏倍數與單書端輸通入還矮是雙疫端輸科入無罰關，稀只與經輸出候方式轟有關扭：雙端靜輸出份時：單端洋輸出桃時：(3摩)差模豈輸入山電阻不論華是單南端輸則入還底是雙項端輸羞入，兇差模槍輸入戴電阻Rid是基榆本放嫩大電鍵路的蓮兩倍頭。單端豬輸出責時，雙端會輸出爛時，(4床)輸出幅電阻(5樣)共模圍抑制膏比共模膨抑制物比KCM裝R是差咬分放納大器須的一咽個重時要指陪標。，或雙端溝輸出短時KCM翁R可認課為等珍于無登窮大搶，單端棗輸出萍時共挎模抑濫制比宮：四種杰輸入散、輸灰出方檢式比孝較輸入輸出方式差模uid共模uic差模電壓放大倍數Aud差模Rid差模Rod共模抑制比KCMR雙入雙出uid

=uiuic=0單入雙出uid

=uiuic=0雙入單出uid

=uiuic=ui/2單入單出uid

=uiuic=ui/2很小差動鐘放大堪電路雞的改恨進1.電路框的組搜成和棚工作種原理KCM皇R=宗Ad/Ac從以質上兩猶式看糞出要釣減小Ac，提高妄共模國抑制仙比，控應增悄大RE，但RE不能留太大彩，因譜為RE上的例壓降合由VEE提供縣。在判保持VT1、VT2兩管覽的工說作電胞流為功一定前值時霉，要勇加大RE，必須僑提高VEE，這是億有困響難的題。能棄不能狡找到洲這樣服一種酬元器尸件，托它的觸直流嚴電阻公很小自，而芝它的幻玉交流根電阻噴卻很冶大，吉這樣商靜態(tài)盜時不關需要誤很大忽的VEE，動態(tài)送時的AC卻很束小，KCM川R很大姐？3.極4功率波放大樹電路3.照4.層2互補選對稱例功率界放大杏電路3.祥4.刻1概述*3.型4.者3集成能功放蕩及其穩(wěn)應用概述3.虎4.珠1功率蠻放大退的特訴點及跨主要妹性能他指標Pom唱ax大，三極業(yè)管工棚作在極限狀態(tài)=Pom/PV要高非線休性失甩真要龜小特點炒：晶體最管的馬散熱喪與保湊護問譯題分析誰方法--穩(wěn)--圖解桿法3.鼓1.派2功率開放大啄電路茶的分貪類甲類奶：乙類傲：甲乙離類：分類濟：QuCE

iCO

tiCO

QQ乙類舟工作深狀態(tài)蛾失真視大，陵靜態(tài)工電流困為零捧，汽管耗爆小，修效率洗高。甲乙櫻類工滲作狀善態(tài)失侮真大著，頂靜態(tài)宵電流鞏小嶄，管桌耗小尿，效缺率較絞高。甲類尊工作菠狀態(tài)嗽失真姑小，幻玉靜態(tài)回電流根大，芒管耗燥大，收效率竿低。3.對4.眉2OC軋L電路的組蛾成與顛工作年原理(OC鋸L—Out羽pu床tCap吳ac嘉it憤orles坦s)電路所組成曠及工白作原鑄理RLT1T2+VCC+ui+uoVEEui>誓0夠T1導通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<漲0妙T2導通T1截止iC1io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=與0震T1、T2截止電路姥存在贏的問脾題：當輸賽入電活壓小甚于死餡區(qū)電疾壓時零，三姓極管界截止像，引姻起交越蹈失真。交越屠失真輸入術信號仙幅度找越小秋失真六越明掘顯。3.泰2.換3騎OC京L電路載的輸學出功傷率與扔效率1.最大蝕不失帶真輸饑出功尸率Po軍ma筍x=Po宜m2.電源災功率PV3.效率3.總5.月1集成植運放漿基本踩知識一、擋通用貨型集票成運賤放(Op疤er型at筍io直na拿l歉Am隙pl賞if音ie籍r)的組更成1.模擬伏集成誦電路濤的特副點1)直接館耦合巴：采用伯差分扒電路例形式夢，元賠件相杯對誤到差小霉；2)大電拴阻用恒來流源雕代替育，大嗽電容探外接蔽；3)二極始管用移三極性管代托替(B、C極接瓣在一信起)；4)高增脫益、并高輸離入電觀阻、侍低輸秧出電慣阻。3.革5集成握運算唱放大軟電路2.組成燭方框礙圖輸入突級：差分點電路摧，大接大減漢少溫嘉漂。中間單級：采用有源蕩負載態(tài)的共貍發(fā)射應極電后路，肅增益驚大。輸出區(qū)級：OC采L電路天，帶遵負載愉能力朝強偏置幼電路：鏡像縱電流閉源，飼微電傷流源冬。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid輸入莊級T1—T7共集-共基姓組合納差分精電路3.優(yōu)5.黑2通用瘋型集泊成運睬算放旁大器F0蠻07電路橫簡介T5--佩-T7有源負載構成豆雙端泊變單坑端電叼路中間攀級T16、T17復合膠管，傾共發(fā)薦射極具有軋高增粒益輸出掃級甲乙借類互補穿對稱功率糖放大想電路(OC剛L)T18T19、T14偏置加電路T11T12F0到07的結哪構框開圖F0隆07的偏戚置電羅路3.淚5.速2集成擋運算破放大扣器電托路符爆號及淡理想川化條脖件1.運放懸的符翼號習慣版用符償號uid+VCC–VEE國家成標準褲符號uouid+VCC–VEE8(VCC=VEE)等效充電路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相臣端輸窯入電持壓u-—反相位端輸躺入電貫壓uid—差模炸輸入匹電壓uid=u–u+Aud—開環(huán)精差模亦電壓已放大鞋倍數uo=Aud(u+–u)1)Aud2.運放聯特性徐的理拌想化6)UIO級0，IIO燃0理想直運放盲：4)KCM倡R舉5)BW澡2)Rid稍3)Ro0傳輸賄特性理想線性區(qū)OuiduoUomax–Uomax實際uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–1)Aud2.運放指特性究的理芒想化6)UIO崇0，IIO緣瑞0理想運放妥：4)KCM跟R繪5)fBW廣2)Rid絲式3)Ro0傳輸資特性OuiduoUomax–Uomax理想線性區(qū)實際3.理想烏運放謹工作歇在線售性區(qū)惹的兩克個特告點1)u+u–(虛短)證：uo=Aud(u+–u–)忽=Auduidu+–u–=uo/Aud02)i+i–0(虛斷)證：i+=uid/Rid0同理i–0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–4.理想梨運放逼工作懇在非箱線性單區(qū)的滴兩個輕特點1)u+>u–時，uo=Uom衡axu+<u–時,uo=–UOm捆ax2)i+i–0(虛斷)5.柱4.陡3通用畜型集義成運距算放丙大器幣的組急成及種基本塞特性一、首集成瓣電路獲器件手命名盼及主戴要性拔能指定標1.國標GB跡-3摧43碎0-刺82對集登成電投路的旬規(guī)定第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符號國標字母器件類型數字品種字母工作條件字母封裝符號意義符號意義符號意義符號意義C中國制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS線性放大音響電視穩(wěn)壓器接口電路非線性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封閉扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金屬菱形金屬圓形2.主要走參數1)輸入忙失調絮電壓UIO使UO=作0，輸入罵端施笛