1、第六章第六章 模拟集成电路模拟集成电路湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院16.1 模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响用电路的影响6.2 差分式放大电路差分式放大电路2基本分类基本分类6.0 集成电路的类型和特点集成电路的类型和特点数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路1.集成电路的主要类型集成电路的主要类型逻辑门、逻辑功能模块、逻辑门、逻辑功能模块、
2、存储器、存储器、PLD线性放大器：运放、功放线性放大器：运放、功放数模和模数接口数模和模数接口稳压器稳压器通信集成电路通信集成电路可编程模拟电路可编程模拟电路集成电路：将元集成电路：将元器器件制作在一块基片上，构成特件制作在一块基片上，构成特定功能的电子电路。定功能的电子电路。32.模拟集成电路的主要特点模拟集成电路的主要特点 应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等 产品复杂多样：通用与专用产品复杂多样：通用与专用 电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列产品特点产品特点技术特点技术特点 元件一致性好，相对精度高元件一致
3、性好，相对精度高 大量应用有源器件取代电阻大量应用有源器件取代电阻 电路各级一般不用电容而直接耦合电路各级一般不用电容而直接耦合 主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、电平移动、温度补偿等电平移动、温度补偿等46.1 模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1 BJT电流源电路电流源电路6.1.2 FET电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源2.微电流源微电流源3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源4.组合电流源组合电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源2.MOSFET多路电流源多路电流源3.JFET电流源电流源56.1.1
4、 BJT电流源电路电流源电路1.镜像电流源镜像电流源BE1BE2=VVE1E2=IIC1C2=IIT T1 1、T T2 2的参数全同的参数全同 即即12，ICEO1ICEO2 当当BJT的的较大时，基极电流较大时，基极电流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)(代表符号代表符号66.1.1 BJT电流源电路电流源电路1.镜像电流源镜像电流源动态电阻动态电阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上ce r 76.1.1 BJT电流源电路电流源电路2.微电流源微电流源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV
5、由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ）e2be2e2RrR （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）oR 8A1和和A3分别是分别是T1和和T3的相对结面积的相对结面积 动态输出电阻动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高远比微电流源的动态输出电阻为高6.1.1 BJT电流源电路电流源电路3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源RVVVVIEEBE23BECCREF REF13C2oIAAII 96.1.1 BJT电流源电路电流源电路4.组合电流源组合电流源T1、R1 和和T4支路产生基准电流支路产生基准电流IREF
6、1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5构成镜像电流源构成镜像电流源T1和和T3，T4和和T6构成了微电流源构成了微电流源106.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源当器件具有不同的宽长比时当器件具有不同的宽长比时RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （=0=0）ro=rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 116.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源2T2GS22n2T2GS22n2D2)()()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，
7、且工作在放大区，当且工作在放大区，当=0时时，输出，输出电流为电流为 常用的镜像电流源常用的镜像电流源 126.1.2 FET电流源电流源2.MOSFET多路电流源多路电流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)(VVKII 136.1.2 FET电流源电流源3.JFET电流源电流源end(a)电路电路 (b)输出特性输出特性 146.2 差分式放大电路差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路6.2.3 源极耦合差
8、分式放大电路源极耦合差分式放大电路156.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路用三端器件组成的差分式放大电路166.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构2.有关概念有关概念i2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号idod=vvv A差模电压增益差模电压增益icoc=vvv A共模电压增益共模电压增益icciddooo =vvvvvvvAA 总输出电压总输出电压其中其中ov 差模信号产生的输出差模信号产生的输出ov 共模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比共模抑制比反映抑制
9、零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK176.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构2.有关概念有关概念根据根据2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv)(21=i2i1icvvv 有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。号大小相等，相位相反。186.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合
10、差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理196.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态静态OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7.0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 20动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号，i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。O2O1vv和和大小相等，大小相等，0O2O1o vvv信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理212.抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波温度变化和电源电压
11、波动，都将使集电极电流产动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相生变化。且变化趋势是相同的，同的，其效果相当于在两个其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。输入端加入了共模信号。22 iC1 iC2 温度温度 iC1 iE1 iC2 iE2 这一过程类似于分压式射这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂方式时，仍有较强的抑制零漂能力。能力。vE （vB1、vB2不变）不变）vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 2.抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理差分式放大电路对共模信号有很
12、强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用233.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时接入负载时i1o122vv becrR beLcd)21/(=rRRA v以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出243.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 双入、单出双入、单出 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入负载时接入负载时beLcd2)/(=rRRA v253.主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 单端输入单端输入eorr 等
13、效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双指标计算与双端输入相同。端输入相同。263.主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益27 单端输出单端输出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA3.主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况28（3）共模抑制比）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 双
14、端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMRK 单端输出单端输出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大，CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。29例例(4)当输出接一个当输出接一个12k 负载负载时的差模电压增益时的差模电压增益.解：解：求求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。时，时，当当，均为硅管，均为硅管，、V008050TTTO
15、i321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv时，时，当当的值的值及及、AAARVVIII(1)静态静态30 k3.2mV26)1(200E33be3Ir(2)电压增益电压增益mA37.0c2BE3e3E3C2 RVRII V9V)7.0(1037.012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74.022C2E2E III k2.5k 74.0121074.07.0)12(Ee1EEe2IRIVR k78.3mV26)1(200E22be2Ir 31 k3.245)1(e33be3i2RrR(3)50)(2)/(b1bei2c22d2 RrR
16、RAv9.3)1()/(e33beL3c32 RrRRAv1952d2 vvvAAAmV5.2)0mV5(21)(21i2i1ic vvv差分电路的共模增益差分电路的共模增益3.0)(2)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvmV972)9.3(5.2)3.0(550)(2icc2idd22O2O vvvvvvvvAAAA共模输入电压共模输入电压不计共模输出电压时不计共模输出电压时mV975O v32(4)时时 k12LR95.1)1()/(e33beL3c32 RrRRAv5.972d2 vvvAAA334.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放
17、大电路静态静态 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5344.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益差模电压增益（负载开路）（负载开路）0ce4o2ce2o2c2c4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 则则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 354.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻差模输入电阻 Rid2rbece4ce2o
18、/rrR 输出电阻输出电阻364.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5376.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路386.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路双端输出差模电压增益双端输出差模电压增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A)/(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而:)/()/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：396.2.3 源
19、极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路单端输出差模电压增益单端输出差模电压增益vo2(id4-id2)(ro2/ro4)gm vid（ro2/ro4）)2(2idmidmvvgg (ro2/ro4)ido2dvvv A gm(ro2/ro4)与与双端输出相同双端输出相同end406.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性根据根据TBE/ESEeVIiv iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线可得传输特性曲线 vO1
20、，vO2f（vid）41vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线的传输特性曲线end426.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器集成运算放大器741436.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理442.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5，可求出可求出IRE
21、F 根据各管子的宽长比根据各管子的宽长比，可求出其它支路电流。可求出其它支路电流。45(2)(2)小信号分析小信号分析2idgs1vv 2idgs2vv 设设 gm1=gm2=gm)/)()/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则则)/()/)(2()2(ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算)/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv输入级电压增益输入级电压增益 46(2)(2)小信号分析小信号分析2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算总电压增益总电压
22、增益 Av=Av1Av2 Av2=vo/v gs7 =gm7(rds7/rds8)第二级电压增益第二级电压增益 将参数代入计算得将参数代入计算得 Av=40884.8（92.2 dB）476.4.2 集成运算放大器集成运算放大器741原理电路原理电路 486.4.2 集成运算放大器集成运算放大器741简化电路简化电路end496.5 实际集成运算放大器的主要实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题506.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要
23、参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）1.输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压调电压VIO。一般约为一般约为（110）mV。超低失调运放为（超低失调运放为（120）V。高精度运放高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 mV。2.输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值两个输入
24、端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。516.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）3.输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电流输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|一般约为一般约为1 nA0.1 A。4.温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电
25、流温漂 IIO/T526.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性1.开环差模电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益AvO开环带宽开环带宽BW(fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 536.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性2.差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放超高输入
26、电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速而超高速AD9610的的ro0.05。3.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax546.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数共模特性共模特性1.共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放一般通用型运放KCMR为（为（80120）dB，高精度运放高精度运放可达可达140dB，ric100M。2.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟跟随误差的共模输入电压幅值，
27、高质量的运放可达随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。556.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数大信号动态特性大信号动态特性1.转换速率转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信号为若信号为viVimsin2 ft，则，则运放的运放的SR必须满足必须满足SR2fmaxVom566.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数大信号动态特性大信号动态特性2.全功率带宽全功率带宽BWP
28、 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放型运放SR在在nV/s以下，以下，741的的SR=0.5V/s而高速运放要求而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如以上。目前超高速的运放如AD9610的的SR3500V/s。omRmaxP2 VSfBW 57电源特性电源特性1.电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响衡量电源电压波动对输出电压的影响 2.静态功耗静态功耗PV 6.5.1 实际集成运放的主要参
29、数实际集成运放的主要参数581.1.集成运放的选用集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。高精度常常
30、有矛盾，如此等等。6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题592.失调电压失调电压VIO、失调电流失调电流IIO和偏置电流和偏置电流IIB带来的误差带来的误差 6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题输入为零时的等效电路输入为零时的等效电路2IOIBP)2(RIIV f11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 60解得误差电压解得误差电压 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 当当 时，可以时，可以消除偏置电流消除偏置电流 引起的引起的误差，此时误差，此时f12/RRR IBI当电路为积分运算时，当电路为积分运算时，即即 换成电容换成电容C，则，则fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)(1)()()(2IOIO12IOIOO时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。IOIO IV和和引起的误差仍存在引起的误差仍存在61end3.调零补偿调零补偿6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题（a a）调零电路调零电路 （b b）反相端加入补偿电路反相端加入补偿电路62
