集成電路原理與應用第一章

1、集成電路原理及應用,電子工業(yè)出版社,譚博學 主編,考核方式,平時考核及作業(yè)。（10%） 課后實驗。（10%） 期末考試形式：閉卷。（80%）,聯(lián)系方式,任課教師： 楊 艷 答疑地點：10#電信教研室 答疑時間：每周五 第二大節(jié) 電郵：,參考教材,模擬集成電路原理與應用 王可恕 電子工業(yè)出版社,使用教材,集成電路原理及應用 （第3版） 譚博學主編 電子工業(yè)出版社,第1章 集成運放的基礎知識,集成運放的基本組成電路,集成運放的基本構成和表示符號,集成運放的主要參數和分類,實際運放與理想運放的誤差,運放電路的穩(wěn)定性及其判斷,集成運放的相位補償技術,概 述,集成運算放大器實質上是一種高放大倍數、多級直

2、接耦合的放大電路。集成運放工作在放大區(qū)時，其輸入與輸出呈線性關系，所以又稱線性集成電路。 集成運放的發(fā)展從技術性能角度，大致可分為幾個階段： 上世紀60年代初出現(xiàn)原始型 “單片集成”運放A702。 1965年出現(xiàn)了第一代集成運放，如A709。 1966年出現(xiàn)了第二代集成運放，如A741。 1972年出現(xiàn)了第三代集成運放，如AD508。 1973年出現(xiàn)了第四代集成運放，如HA2900。 目前，集成運放還在向低漂移、低功耗、高速度、高輸入阻抗、高放大倍數和高輸出功率等高指標的方向發(fā)展。,1.1 集成運放的基本組成電路,1.1.1 差動輸入電路,1.1.2 恒流源電路,1.1.3 有源負載電路,1.

3、1.4 雙端變單端電路,1.1.5 直流電平位移電路,1.1.6 互補推挽輸出電路,圖1-1-1 差動放大電路 的基本形式,由兩個基極輸入雙入 由兩個集電極輸出雙出 電路特點：對稱 T1、T2特性完全相同 Rc1=Rc2=Rc集電極負載,差放的性能特點：,放大差模，抑制共模，能有效抑制零點漂移。,1. 差動放大電路的基本特性,1.1.1 差動輸入電路,（1）輸入差模信號,差模電壓增益：, 雙入、雙出,接入負載時, 雙入、單出,電壓增益和輸入電阻,單管共射放大器的源電壓增益,圖1-1-3 單管共射放大器的低頻小信號等效電路,輸入電阻：,單管共射放大器：,差模輸入電阻：,跨導,雙極型三極管的跨導

4、三極管輸出電流變化量與對應的e-b結電壓之比。 差動放大器的跨導 其輸出差分電流變化量與對應的差模輸入變化量之比。,三極管射極電流與e-b結電壓的關系式,差動放大器的跨導,可得差動放大器電壓增益的近似式,roe為三極管開路時的輸出電導的倒數,晶體管的跨導,室溫情況下：,結論：放大器的電壓增益與工作電流成正比。提高電壓增益，就要提高三極管的工作電流。,Io1為差動放大器的恒流源電流,（2）輸入共模信號,共模電壓增益：,共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。,共模抑制比：,共模抑制比是差分放大器的一個重要指標。,2.差動放大器的輸入失調及其漂移,(1)差動放大器的輸入失調,輸入失調電壓：在實際的差

5、動放大器中，當差動輸出電壓為零時，輸入端所加的直流補償電壓的大小。,失調的根本原因：電路的不對稱性，暫且忽略電阻 Ro 的不對稱性，往往分析導致失調的主要原因是晶體管參數的不對稱性。,輸入失調電壓表達式：,返回,輸入失調電流Ios ：差動放大器的輸出直流電壓等于零時，兩輸入端所加偏置電流的差值。,引起Ios的原因：,晶體管的不對稱，使基極注入電流產生偏差；,集電極負載電阻不對稱，引起輸出電壓偏差。為使這些偏差等于零，差分對管的基極注入電流將發(fā)生偏差。,輸入失調電流表達式：,返回,（2）差分放大器的溫度漂移,失調漂移：放大器的失調隨著環(huán)境溫度、電源電壓等外界因素的變化而變化。失調的溫漂必須在整個

6、溫度范圍內都小于精度要求。失調的溫漂包括兩個部分。,失調電壓的溫度漂移,對應1mV的Uos，室溫時它的溫度系數約3.3mV/。,失調電流的溫度漂移,當工作溫度大于25時，其值約-0.005/。 當工作溫度小于25時，其值約-0.015/。,3.集成運放的輸入級,集成運放的許多性能指標主要取決于差動輸入級。輸入級的改進便成為各代集成運放的重要標志。,(1)普通差動放大電路,普通差放電路作為集成運放的輸入級時，其優(yōu)點是電路結構簡單，容易匹配，因此輸入失調電壓小。它廣泛用于早期產品和第一代集成運放中。,如國產的F001（5G922）、F004（5G23）以及國外的A709等。,輸入阻抗低，約為50k

7、到300k； 失調電流，約為100nA； 最大差模輸入電壓低，不超過7V； 差模輸入電壓范圍也較小，常為10V； 電壓增益不高，約為30到100倍。,缺點：,(2) 共集共基差動放大器,圖1-1-6 共集共基 差動放大器,由兩級差動放大電路組成。,第1級由高的NPN管VT1、VT2接成共集組態(tài)差動放大電路，VT3、VT4為其發(fā)射極負載。,第2級由高反壓的橫向PNP管VT5、VT6接成共基組態(tài)差動放大電路。,用于第二代集成運放中。如：國產的F007、5G24、F741，國外的A741、AD741等。,(3) 超管差動放大電路,圖1-1-7 超管差 動放大電路,用 =200010000超管作差動放

8、大電路，使差動輸入級的基極偏置電流減小一個數量級，這是集成運放在低漂移性能上重大突破。,第三代集成運放主要特點是采用了超 管的差動輸入級。 如：國產的4E325； 國外的AD508L。,(4) 場效應管差動放大電路,圖1-1-8 場效應管差 動放大電路,因場效應管的柵極電流比三極管的基極電流小三、四個數量級，因此在需要高輸入阻抗和低偏置電流等的情況下，常采用場效應管作差動輸入級。,輸入阻抗高達1012。,例如：國外的A740等。,缺點：輸入失調電壓較大。,1.1.2 恒流源電路,在集成運放中，作為各級電路的恒流偏置和有源負載。,1. 鏡像恒流源基本電路,圖1-1-9 鏡像恒流源 的基本電路,V

9、T1、VT2是匹配對管,即,足夠大時有,Io Ir，所以稱為電流鏡電路。,2. 改進型鏡像恒流源電路,圖1-1-10 減小對Io影響的恒流源,輸出電流為：,13,(1) 減小對Io影響的恒流源,與基本電路相比，此處 的變化對Io的影響要小得多。,（2）Io與Ir不同比例的恒流源,圖1-1-11 Io與Ir不同 比例的恒流源,即,當VT1、VT2中電流是同數量級時，其UBE可認為近似相等，故有（假設三極管的足夠大）：,調節(jié)R1、R2的比值，可獲得不同的Io輸出。,3. 多路輸出的恒流源,圖1-1-12 多路輸出的恒流源,當VT1、VT2、VTn等各三極管完全 對稱時，輸出電流I1、In等各電流近

10、似相等。,1.1.3 有源負載電路,1. 有源集電極負載電路,圖1-1-13 有源集電極 負載放大器,單管共發(fā)射極放大器 電壓增益表達式為,利用三極管恒流源來 代替集電極負載電阻。,2. 有源負載差動放大電路,圖1-1-14 有源負載 差動放大器,VT3、VT4組成鏡像恒流源。,它們的集電極電位均可以浮動，所以Ic3、Ic4均可變化，但始終保持相等。,常由VT4集電極輸出，rCE4作為差動放大器的負載，由于rCE4很高，所以差動放大器增益也很高。,1.1.4 雙端變單端電路,圖1-1-15 雙端變單端電路,集成運放是一個雙端輸入、單端輸出的器件，所以它的內部電路必需有一個由差動放大雙端輸入轉換

11、為單端輸出的過程。,圖示電路的功能是將差動放大級的雙端輸入信號ui1、ui2轉換為單端輸出uo ，采用恒流源負載提高電路的增益。,1.1.5 直流電平位移電路,圖1-1-16 恒流源電平位移電路,1. 采用恒流源完成電平位移,由于恒流源的直流內阻Ro很小，交流內阻ro很大，當R1 Ro和R1 ro時，,輸出端的直流電平U2比輸入端的直流電平U1降低很多，即U2 U1。 而輸出端的交流電壓u2只比輸入端的交流電壓u1減小很少，即u2 u1。 所以，滿足了在不損失交流電壓的情況下，降低了直流電平。,2. 利用PNP管完成電平位移,圖1-1-17 用PNP管完成 電平位移的電路,因PNP管組成共射放

12、大電路時，為使三極管工作在放大區(qū)，集電極電平必須低于基極電平。,所以，在NPN管多級直流放大電路中，插入一級PNP管共射放大電路，可完成直流電平位移，并具有一定放大功能。,1.1.6 互補推挽輸出電路,對集成運放輸出級的要求是： 具有很低的輸出電阻和較高的輸入電阻； 具有一定的輸出功率； 具有盡可能高的效率； 具有過流和過壓保護措施等。,1. 互補推挽輸出電路,圖1-1-18 基本互補 推挽輸出電路,VT2、VT3組成互補射隨器電路，Io為VT1的有源集電極負載。,優(yōu)點：效率高，管耗小，有利于降低結溫，延長管子壽命，減小散熱器體積。,缺點：在輸出信號uo的 波形中帶有交越失真。,2. 克服交越

13、失真的互補推挽輸出電路,圖1-1-19 克服交越失真的互補推挽輸出電路,VT4、R1、R2組成固定恒壓偏置電路(稱VBE擴大電路)，為VT2、VT3基極提供固定偏壓，克服了交越失真。,3. 具有過載保護的互補推挽輸出電路,圖1-1-20 具有過載保護的互補推挽輸出電路,由Re2、Re3、 VD1、VD2 組成限流型 保護電路。,1.2 集成運放的基本構成和表示符號,1.2.1 集成運放的基本構成,1.2.2 通用型集成運放內部電路簡介,1.2.3 集成運放的表示符號及其引出端,1.2.1 集成運放的基本構成,圖1-2-1 集成運放內部電路方框圖,1. 輸入級,作用是提供與輸出電壓同相和反相關系

14、的兩個輸入端，并盡量具有低的零點漂移和高的共模抑制比，由差動放大器組成。常采用超管、達林頓復合管、串聯(lián)互補復合管、場效應管等。 為了獲得較高的增益，減少內部電路的補償要求，在差動輸入放大級中，還采用有源負載或恒流源負載。 輸入級的保護電路也是不可缺少的。,2. 中間級,它的作用是提供較高的電壓放大倍數，為輸出級提供必需的激勵電壓，它是主要的增益級，是一級及一級以上的放大器。它還具有緩沖作用及電平位移的職能。,3. 輸出級,4. 偏置電路,作用是它外接正、負電源，內供各放大環(huán)節(jié)所需的靜態(tài)偏置電流或偏壓。,作用是提高整個放大器輸出端的負載能力。 輸出級應輸出以零電平為中心、有一定大小電流正負電壓，

15、并能與中間電壓放大級和負載進行匹配，所以常采用各種形式的互補推挽輸出放大電路。 輸出級設有保護電路，以保護輸出級不致?lián)p壞。 有些集成運放中還設有過熱保護等。,1.2.2 通用型集成運放內部電路簡介,1.典型集成運放電路741,(2)通用型741型集成運放的性能特點,有很寬的輸入共模電壓范圍，不會在使用中出現(xiàn)“阻塞”，在積分電路、求和電路以及通常的反饋放大電路中使用都不需要補償電容。,采用頻率內補償； 具有短路保護功能； 具有失調電壓調整能力； 具有很高的輸入差模電壓和共模電壓范圍； 無阻塞現(xiàn)象； 功耗較低，電源電壓適應范圍較寬。,2. 14573CMOS程控四運放簡介,(1)14573集成運放

16、的簡化電路,輸入級由差分電路組成,偏置電路,輸出級,(2)14573CMOS程控四運放的性能特點,輸入電阻大； 差模輸入電壓范圍大，一般為0.5VDD+0.5V； 電源電壓范圍大，可以單電源供電(3.015V)，也可以雙電源供電(1.5V7.5V)， 且正負電源可以不對稱； 具有良好的匹配和溫度跟蹤特性； 電流源電路可以由外部程控； 當恒流源有電流時，電路進入工作狀態(tài)， 改變偏置電流，可以改變運放參數， 沒有偏置時便處于截止狀態(tài)。,1.2.3 集成運放的表示符號及其引出端,1. 集成運放的封裝形式及管腳排列,主要有兩類：雙列直插封裝和金屬圓帽封裝。,圖1-2-4 雙列直插封裝引腳 排列圖(頂視

17、圖),圖1-2-5 金屬圓帽封裝引腳 排列圖(底視圖),2. 集成運放的表示符號及引出端,(1) 集成運放的表示符號,(2) 集成運放的引出端,有五類引出端，分別是：,兩個輸入端、一個輸出端、電源端、調零端、相位補償端。,1.3 集成運放的主要參數和分類,1.3.1 集成運放的主要直流參數,1.3.2 集成運放的主要交流參數,1.3.3 集成運放的分類,1.3.1 集成運放的主要直流參數,1. 輸入失調電壓Uos,為了使集成運放在零輸入時達到零輸出，需在其輸入端加一個直流補償電壓，這個直流補償電壓的大小即為輸入失調電壓。 輸入失調電壓一般是mV數量級。 采用雙極型三極管作為輸入級的運放，其Uo

18、s約為110mV； 輸入失調電壓實際上反映了運放內部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調電壓越小。,2. 輸入偏置電流IB,輸入偏置電流定義為當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值。,雙極型三極管輸入：IB約為10nA1A左右； 場效應管輸入： IB一般小于1nA。,3. 輸入失調電流Ios,當集成運放的輸入電壓為零，輸出電壓也為零時，兩個輸入偏置電流的差值，稱為輸入失調電流。,即,一般來說，偏置電流越大，其輸入失調電流也越大。,輸入失調電流越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。所以對于精密運放是一個極為重要的指標。,4. 差模開環(huán)直流電壓增益Aud,集成運放工作于線性區(qū)

19、時，差模電壓輸入后，其輸出電壓變化Uo與差模輸入電壓變化Uid的比值，稱為差模開環(huán)電壓增益，即：,或,理想運放： Aud = 一般運放： Aud 40dB,5. 共模擬制比CMRR,集成運放工作于線性區(qū)時，其差模電壓增益Aud與共模電壓增益Auc之比稱為共模抑制比，即,或,理想運放：CMRR= 一般運放：CMRR80dB,6.最大差模輸入電壓UidM,集成運放兩輸入端所允許加的最大電壓差。 當差模輸入電壓超過此電壓值時，集成運放輸入級的三極管將被反向擊穿，甚至損壞。,1.3.2 集成運放的主要交流參數,1. 開環(huán)帶寬BW 集成運放的開環(huán)電壓增益下降3db(或是相當于運放的直流增益的0.707)

20、所對應的信號頻率。,2. 單位增益帶寬GW,集成運放在閉環(huán)增益為1倍狀態(tài)下，當用正弦小信號驅動時，其閉環(huán)增益下降至0.707倍時頻率。,當集成運放的頻率具有單極點響應時，其單位增益帶寬可表示為輸入信號頻率與該頻率下的最大增益的乘積。 GW=Aud f,3. 轉換速率(或電壓擺率)SR,轉換速率SR的定義,定義：運放接成閉環(huán)條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。 轉換速率對于大信號處理是一個很重要的指標. 一般運放轉換速率：SR10V/s 高速運放最高轉換速率SR達到 6000V/s。,4. 全功率帶寬BWP,在額定負載條件下，集成運放閉環(huán)增

21、益為 1 倍時，當輸入正弦大信號后，使集成運放輸出電壓幅度達到最大（在一定的失真條件下）的信號頻率，即為功率帶寬。 可用下述近似公式估計SR與BWP之間的關系：,全功率帶寬是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。,Uop：集成運放輸出的峰值電壓,5. 建立時間tS,集成運放閉環(huán)增益為1倍時，在一定的負載條件下當輸入階躍大信號后，集成運放輸出電壓達到某一特定值的范圍時所需的時間稱為建立時間。 由于是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現(xiàn)一定抖動，這個抖動時間稱為穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間+上升時間=建立時間。,1.3.3 集成運放的分類,反映集成運放性能的好壞有幾十個參數，一種運放要想在各種指

22、標上都達到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運放，各種參數指標都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集成運放，在某一個或幾個參數上有很高的性能，而其他參數一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。,高輸入阻抗型 2.低漂移高精度型（OP27） 3.高速型和寬頻帶型 高速運放一般要求轉換速率SR大于幾十伏微秒，單位增益帶寬BW 10MHZ。 4.低功耗型 要求其功耗為微瓦數量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。典型產品有CA3078、mPC253、ICL7641等。 5.大功率型 大功率型集成運放的電源電壓為正負幾十伏，

23、輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。 典型產品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,1.4 集成運放的等效模型,集成運放的實際等效模型主要用于分析集成運放的實際等效參數，也用于分析和計算實際集成運放的非理想特性和帶來的誤差。,1.4.1 集成運放的實際等效模型,圖1-4-1 集成運放的等效模型,Uos 輸入失調電壓，可加在運放同相端， 也可加在反端；,eN 等效輸入噪聲電壓；,iN 等效輸入噪聲電流；,IB+、IB分別是輸入偏流；,Zic共模輸入阻抗；,Zd 差模輸入阻抗，它是差模輸入電阻Rd和差模輸入電容Cd的并聯(lián)阻抗；,Zo 輸出阻抗，它是共模輸

24、出電阻RcM和共模輸出電容CcM的并聯(lián)阻抗，通常只考慮輸出電阻；,Eod經差模放大的輸出電壓；,EocM由共模引起的輸出電壓；,通常在頻率不是很高時，差模輸入阻抗和共模輸入阻抗可以忽略容抗的影響。,差模輸入電壓為,經差模放大的輸出電壓為,當輸入電壓為直流電壓時,共模電壓引起的輸出電壓,1.4.2 理想集成運放的等效模型,差模電壓增益為無限大，即Aud = 。 輸入電阻為無限大，即Rid = 。 輸出電阻為零，即ro = 0。 共模抑制比為無限大，即CMRR = 。 轉換速率為無限大，即SR = 。 具有無限寬的頻帶。 失調電壓、失調電流及其它們的溫漂均為零。 干擾和噪聲均為零。,1.理想集成運

25、放的基本條件,2.理想集成運放的兩個重要特性,或,理想集成運放有兩個重要特性：虛短和虛斷。 (1)虛短 兩輸入端的電位相等 u+= u 由于集成運放的輸出電壓為有限值，而理想集成運放的Auo = ，則,(2)虛斷,即集成運放兩輸入端的輸入電流為零 i+= i,由于集成運放的輸入電阻為無窮大，因而流入兩個輸入端的電流為零，即,3. 集成運放的理想等效模型,圖1-4-2 理想運放等效模型,由集成運放的理想條件和兩個重要特性，可得到集成運放的理想等效模型。,1.5 實際運放與理想運放的誤差,實際集成運放不能達到“理想條件”，只能趨近于這些“理想”條件。實際運放和理想運放總存在偏差。,1.5.1 Ad

26、為有限值時實際運放和理想運放的誤差,當Ad為有限值，其它條件均為理想條件時，集成運放的輸出電壓為,實際運放和理想運放存在誤差，“虛地點”要移動。,圖1-5-1 考慮Ad影響后 的實際運放模型,圖中,整理得,實際運放的虛地點不在M點，而是移動到Q點。,1.5.2 Ac為有限值時實際運放和理想運放的誤差,代入上式得,將,當Ad為有限值、Ac不為零時，集成運放輸出電壓為,令,則,圖1-5-2 考慮Ad、Ac影響 的實際運放模型,求虛地點的位置,得,虛地點不在M點和N點，而是移動到了P點。,1.5.3 Uos不為零時實際運放和理想運放的誤差,如果再假定Ad為無窮大，則有,當Uos不為零、同時考慮Ad為有限值時，集成運放的輸出電壓為,當同時考慮Ad為有限值、Ac不為零、Uos不為零時，實際運放的等效電路如圖所示。,考慮Ad、Ac、Uos影響后的實際運放模型,1.6 運放電路的穩(wěn)定性及其判斷,由于運放電路是一個多極點高增益放大器，且一般都工作在閉環(huán)狀態(tài)，所以在實際應用中有時會出現(xiàn)自激振蕩，而使運放電路不能正常工作。,自激振蕩現(xiàn)象 在不加任何