模拟集成电路简介一、集成电路(IC)概述在半导体制造工艺的基础上,把整个电路中的元器件制作在一块硅片上,构成特定功能的电子电路,称为集成电路。它体积小、性能很好,能完成一定的功能。二、集成电路的分类(三种分类方法)1、按结构工艺分:半导体集成电路、混合集成电路、电子管集成电路。2、按集成度分:小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。3、按功能分:模拟集成电路、数字集成电路。三、集成电路的特点1、同在一块硅片上制造,元件参数的一致性很好。2、电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻构成,阻值范围为几十欧~20千欧左右,电阻值的精度不易控制,误差在20%~30%左右。3、不容易实现大电容,一般只实现几十PF。4、是直接耦合式电路,模拟IC容易产生温漂。运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器,它是模拟集成电路最重要的品种,广泛应用于各种电子电路之中。集成电路中第一级常采用差动电路,以减小温漂。电流源概述(1)电流源电路是一个电流负反馈电路,并利用PN结的温度特性,对电流源电路进行温度补偿,以减小温度对电流的影响。(2)电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点,这对直接耦合放大器是十分重要的。(3)用电流源做有源负载,可获得增益高、动态范围大的特性。(4)用电流源给电容充电,以获得线性电压输出。(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。(6)在模拟集成电路中,常用的电流源电路有:镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。三极管基本电流源分压偏置电路对工作点具有稳定作用,也就是对IO有稳定作用,具有稳流特性。电压源的内阻小,电流源的内阻大,内阻越大稳流特性越好。三极管电流源的内阻rce有较大提高。(a)(b)三极管电流源用普通的三极管接成电流负反馈电路,即可构成一个基本的电流源电路。分压偏置基本放大电路就具有这一功能,其电路如下图示。集成电路电流源一、镜象电流源三极管T1、T2匹配,则,BE2BE1BE21VVV====bbbIIIIIIRCBCBC()===1222212b且RVVIBECCR=,当b2时,IICR2=,IC2和IR是镜象关系。镜象电流源电路如图所示,它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜象(电流相等)。镜象电流源精密镜象电流源和普通镜象电流源相比,其精度提高了b倍。电路如下图所示。由于有T3存在,IB3将比镜象电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。精密电流源二、精密镜象电流源(带缓冲)请同学们自行推导IC2和IREF的关系。三、微电流源微电流源电路如下图所示,通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源,适用微功耗的集成电路中。由图可得:微电流源e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVVD==D==Io与IR的关系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV==D=一般有IS1=IS2,所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI==D=因DVBE小,IoIR。同时Io的稳定性也比IR好。四、比例电流源在镜象电流源电路的基础上,增加两个发射极电阻,使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系,即可构成比例电流源。其电路如下图所示。比例电流源因两三极管基极对地电位相等,于是有e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV因五、多电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流,即可构成多路电流源,电路见下图。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。多电流源差分放大电路差分放大电路是由对称的两个基本放大电路,通过射极公共电阻耦合构成的。如下图所示。对称的含义是两个三极管的特性一致,电路参数对应相等。即:b1=b2=bVBE1=VBE2=VBErbe1=rbe2=rbeICBO1=ICBO2=ICBORC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路可以有两个输出端,一个是集电极C1,另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出,仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。信号的输入方式:若信号同时加到同相输入端和反相输入端,称为双端输入;若信号仅从一个输入端对地加入,称为单端输入。同相输入端:根据规定的正方向,在一个输入端加上一定极性的信号,如果所得到的输出信号极性与其相同,则该输入端称为同相输入端。反相输入端:反之,如果所得到的输出信号的极性与其相反,则该输入端称为反相输入端。差模信号和共模信号理论上:差分放大电路仅对差模信号具有放大能力,对共模信号不予放大。双电源差分放大电路CBCCCCcEEeEECECEBEBE===2==+IIVVIRVIRVVVVVVVbesBEEEB2)1(=RRVVIb差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时,其输入端基本上是零电位,将Re从接地改为接负电源-VEE。由IB的计算式可知,Re对一半差分电路而言,只有2Re才能获得相同的电压降。一、静态计算二、差模动态分析输入差模信号时,Vi1增大的同时Vi2在反向增大,所以三极管的发射极电位不会发生变化,也即为交流的“地”。2//'LCLRRR=--1iV2iVoVsRsRbesLcd)2//(rRRRAv=b(1)双端输入双端输出)(2dbeirRsR=CoRR2d=--1iV2iVoVsRsRbesLcd2//rRRRAv=b(2)双端输入单端输出)(2dbeirRsR=CoRR=--1iV2iVoVCRLCRR//sRsRbesLcd)2//(rRRRAv=bvi1=-vi2=vi/2(3)单端输入双端输出三极管的发射极电位始终是Vi/2,也即是“浮地”。将单端信号转换成双端差分信号。)(2dbeirRsR=CoRR2=单端输入时交流信号的实际作用效果eiei2/ivei2/iv2/iveieiei2/ivVi=0v时,假定:=kRs30VVEE11=VVE1==k10RemAkI0005.11011995.0'Re==50=bAIB10=Vi=10mV时:VmVVVE995.051'==mAIE5.0=AkI17.10037.0995.00.01'B==)(左mAAI508.05017.10'E==左AkI83.9037.0995.00'B==)(右mAAI492.05083.9'E==右besLcd2//rRRRAv=b通过从T1或T2的集电极输出,可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号,从C1输出,为反相;从C2输出为同相。(3)单端输入单端输出)(2dbeirRsR=CoRR=三、共模状态动态计算[问题引出]前面已经介绍差放电路抑制温漂的原理,在理想情况下温漂应为零,但实际电路的器件和参数很难完全对称,因此达不到预期的结果。怎样来衡量实际效果呢?因此提出了共模信号的概念,由于温漂的变化作用于电路的两部分,且T1、T2的变化相同,可看作在两个输入端同时输入一对极性相同、幅值相同的信号的结果。于是引入共模电压放大倍数来衡量放大电路抑制温漂的能力。ci计算共模放大倍数Avc的微变等效电路,如下图所示。其中Re用2Re等效,这与差模时不同。Avc的大小,取决于差分电路的对称性,双端输出时可以认为等于零。单端输出时为:eLebebLICOC1c2'2)1('=RRRrRRvvAv=bb共模微变等效电路(1)共模放大倍数AvcLCLRRR//'=(2)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。cdCMRvvAAK=dBlg20cdCMRvvAAK=,或bebeeLbebLCMR2/')(2/'rRRRRrRRK=bb双端输出时KCMR可认为等于无穷大,单端输出时共模抑制比:四、恒流源差分放大电路为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后,为保证工作点不变,必须提高负电源,这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re。恒流源动态电阻大,可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏,可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路,电路如右图所示。恒流源电流数值为IE=(VZ-VBE3)/Re运算放大器的结构集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路。输入级要使用高性能的差分放大电路。中间放大级为差分电路和带有源负载的高增益放大器。互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成,提高运放的电流输出能力。运算放大器的符号和型号(a)国家标准符号(b)常用符号一、图形符号同相输入端反相输入端二、型号命名序号其它:集成功率放大器CD----集成稳压器CW----运算放大器的静态技术指标1.输入失调电压Vio:(inputoffsetvoltage)输入电压为零时,将输出电压除以电压增益,即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路整体对称性的指标。2.输入失调电流Iio:(inputoffsetcurrent)在零输入时,差分输入级的差分对管基极电流之差,用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流IB:(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值,用于衡量差分放大对管输入电流的大小。4.输入失调电压温漂dVio/dT:在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。5.输入失调电流温漂dIio/dT:在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压Vidmax:(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压,超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压Vicmax:(maximumcommonmodeinputvoltage)在保证运放正常工作条件下,共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时,输入差分对管出现饱和,放大器失去共模抑制能力。运算放大器的动态技术指标1.开环差模电压放大倍数Avd:(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下,输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid:(inputresistance)输入差模信号时,运放的输入电阻。3.共模抑制比KCMR:(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同,是差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比,常用分贝数来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)运算放大器实物图理想运算放大器满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器:1.差模电压放大倍数Avd=,实际上Avd≥80dB即可。3.输出电阻Ro=0,实际上Ro比输入端外电路的电阻小1~2个量级即可。4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时,产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。2.差模输入电阻Rid=,实际上Rid比输入端外电路的电阻大2~3个量级即可。运算放大器分类•通用型:指标适中,价格低廉。如:A741、LM324。•高速宽带型:用于宽带放大、高速数据处理。如:AD9620。•高精度(低漂移型):精密测试、精密传感等。如:OP177。•高输入阻抗型:常用于测量设备及采样保持电路。如:AD549。•低功耗型:如OP290在0.8V电压下工作,功耗为24W。•功率型:输出功率可达1W以上,输出电流可达几安培。