1、模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院第第3 3章章 模擬集成電路基礎模擬集成電路基礎3.1 概述概述3.3 差動放大電路差動放大電路3.2 電流源電路電流源電路3.4 功率放大電路功率放大電路3.5 集成電路集成電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.1概述概述 集成電路是一種將集成電路是一種將“管管”和和“路路”緊密結合的器件，緊密結合的器件， 它以半它以半導體單晶硅為芯片，導體單晶硅為芯片， 采用專門的制造工藝，采用專門的制造工藝， 把晶體管、把晶體管、 場效應場效應管、管、 二極管、二

2、極管、 電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完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，整電路制作在一起， 使之具有特定的功能。使之具有特定的功能。 集成電路體積小、集成電路體積小、 重量輕、重量輕、 耗電少、耗電少、 可靠性高，可靠性高， 已成為現代電子器件的主體。已成為現代電子器件的主體。 集集成電路分數字與模擬兩大類。成電路分數字與模擬兩大類。 集成電路體積小、集成電路體積小、 重量輕、重量輕、 耗電少、耗電少、 可靠性高，可靠性高， 已成為現已成為現代電子器件的主體。代電子器件的主體。 集成電路分數字與模擬兩大類。集成電路分數字與模擬兩大類。 模擬集成電路的種

3、類很多，模擬集成電路的種類很多， 有集成運算放大器有集成運算放大器(簡稱集成運放簡稱集成運放)， 集成功率放大器，集成功率放大器， 集成模擬乘法器，集成模擬乘法器， 集成鎖相環，集成鎖相環， 集成穩壓器等。集成穩壓器等。 在模擬集成電路中，在模擬集成電路中， 集成運算放大器是最為重要、集成運算放大器是最為重要、 用途最廣的一用途最廣的一種，種， 這里主要介紹集成運放的內部電路、這里主要介紹集成運放的內部電路、 工作原理、工作原理、 性能指標及性能指標及常用等效模型。常用等效模型。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（1）集成電路中的元器件是在相

4、同的工藝條件下做出的，）集成電路中的元器件是在相同的工藝條件下做出的， 鄰近鄰近的器件具有良好的的器件具有良好的對稱性對稱性， 而且受環境溫度和干擾的影響后的變而且受環境溫度和干擾的影響后的變化也相同，化也相同， 因而特別有因而特別有利于實現利于實現需要需要對稱結構對稱結構的的電路電路。（2）集成工藝制造的電阻、）集成工藝制造的電阻、 電容數值范圍有一定的限制。集成電電容數值范圍有一定的限制。集成電路中的路中的電阻是使用半導體材料的體電阻制成電阻是使用半導體材料的體電阻制成的，的， 因而因而很難制造大很難制造大的電阻的電阻， 其阻值一般在幾十歐姆到幾十千歐姆之間其阻值一般在幾十歐姆到幾十千歐姆

5、之間; 集成電路中的集成電路中的電容是用電容是用pn結的結電容作結的結電容作的。的。（3）集成工藝制造晶體管、）集成工藝制造晶體管、 場效應管最容易，場效應管最容易， 眾多數量的晶體管眾多數量的晶體管通過一次綜合工藝完成。通過一次綜合工藝完成。 集成晶體管有縱向集成晶體管有縱向npn型管型管(值高、性能值高、性能好好)、 橫向橫向pnp 型管型管(值低、但反向耐壓高）和場效應管，值低、但反向耐壓高）和場效應管， 另外，另外， 集成工藝比較容易制造多極晶體管，集成工藝比較容易制造多極晶體管， 如多發射極管、如多發射極管、 多集電極管等。多集電極管等。 集成二極管、集成二極管、 穩壓管等一般用穩壓

6、管等一般用npn管的發射結代替。管的發射結代替。3.1.1 集成電路中的元器件特點集成電路中的元器件特點模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（1）利用元器件參數的對稱性來提高電路穩定性）利用元器件參數的對稱性來提高電路穩定性（2）利用有源器件代替無源元件）利用有源器件代替無源元件（3）一般采用直接耦合方式）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集成電路結構形式上的特點（4）采用較復雜的電路結構）采用較復雜的電路結構（5）適當利用外接分立元件）適當利用外接分立元件模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大

7、學信息科學與工程學院 根據集成工藝的特點，根據集成工藝的特點， 模擬集成放大電路模擬集成放大電路中的中的偏置電路、偏置電路、 集電極或發射極負載集電極或發射極負載等，等， 一般一般采用晶體管電流源采用晶體管電流源。 這不僅能使電路性能具有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定性不隨溫度及電源電壓變化而變化的良好穩定性(做偏置做偏置)， 而且能獲得高增益、而且能獲得高增益、 大動態范圍的大動態范圍的特性特性(做有源負載做有源負載)。3.2 晶體管電流源電路晶體管電流源電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 電流源電路是指能

8、夠輸出恒定電流的電路。由第電流源電路是指能夠輸出恒定電流的電路。由第1章章晶體管的特性已知，晶體管的特性已知， 晶體管晶體管本身便本身便具有近似恒流具有近似恒流的特性。的特性。 在集成電路中，在集成電路中， 常用的電流源電路有：常用的電流源電路有： 鏡像電流源鏡像電流源、 精密電流源精密電流源、 微電流源微電流源、 比例電流源比例電流源和和多路電流源多路電流源等。等。 它主要提供集成運放中各級合適的靜態電流或作為有源它主要提供集成運放中各級合適的靜態電流或作為有源負載代替高阻值電阻，負載代替高阻值電阻， 以提高放大電路的放大倍數。以提高放大電路的放大倍數。 3.2.1 電流源電路電流源電路模模

9、 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院1. 鏡像電流源鏡像電流源條件：兩管參數對稱條件：兩管參數對稱iiirro2112模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 改進型鏡像電流源改進型鏡像電流源iiirro)1 (2112模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.微電流源微電流源iiruruioretebeoln模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.3 差動放大電路差動放大電路零點漂移的嚴重性零點漂移的

10、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。直接耦合存在式一般采用直接耦合。直接耦合存在溫度漂移溫度漂移問題。為了問題。為了抑制抑制溫度漂移溫度漂移，一種比較有效的電路就是，一種比較有效的電路就是差動放大電路。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分。因此，為了使放大電路能無法正確地將兩者加以區分。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。正常工作，必須有效地抑制零點漂移。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術

11、中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.3.1 差動放大電路差動放大電路( (differential amplifier) )1. 電路組成電路組成 特點：特點： a.兩只完全相同的兩只完全相同的管子；管子； b.元件參數對稱；元件參數對稱；模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 輸入輸出方式輸入輸出方式輸入端：輸入端：同相輸入端、反相輸入端同相輸入端、反相輸入端輸入方式：輸入方式：雙端輸入：雙端輸入：若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端。若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端。單端輸入：單端輸入：若信號僅從一個輸入端加入，若

12、信號僅從一個輸入端加入， 另一個輸入端接地。另一個輸入端接地。輸出方式：輸出方式：雙端輸出：雙端輸出：若從若從c1和和c2兩端輸出。兩端輸出。單端輸出：單端輸出： 僅從集電極僅從集電極c1或或c2對地輸出稱為單端輸出。對地輸出稱為單端輸出。輸出端：輸出端：一個是一個是t1的集電極的集電極c1， 另一個是另一個是t2的集電極的集電極c2差動電路的工作模式：差動電路的工作模式：(1)雙端輸入、雙端輸入、 雙端輸出（雙入雙端輸出（雙入雙出）雙出） (2)雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出（雙入單端輸出（雙入單出）單出） (3)單端輸入、單端輸入、 雙端輸出（單入雙端輸出（單入雙出）雙出） (4)單端輸入

13、、單端輸入、 單端輸出（單入單端輸出（單入單出）單出）模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3. 差模信號與共模信號差模信號與共模信號差模輸入信號：差模輸入信號：差動放大電路兩個輸入信號之差差動放大電路兩個輸入信號之差差模信號：差模信號：指在兩個輸入端加上大小相等，指在兩個輸入端加上大小相等， 極性相反的信號極性相反的信號共模信號：共模信號： 指在兩個輸入端加上大小相等，指在兩個輸入端加上大小相等， 極性相同的信號極性相同的信號共模輸入信號：共模輸入信號：差動放大電路兩個輸入信號的平均值差動放大電路兩個輸入信號的平均值)(2121uuuiiicu

14、uuiiid21uuuuuuicidicidii21 ; 21 21即模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院4. 抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 原理：原理：靜態時，輸入信號為零，即將輸入端靜態時，輸入信號為零，即將輸入端和和短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外界條短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外界條件發生變化時，兩管的集電極電流件發生變化時，兩管的集電極電流icq1和和icq2的變化規的變化規律始終相同，結果使兩管的集電極電位律始終相同，結果使兩管的集電極電位ucq1、ucq2始終始終相等，從而使相等，從而使uoq=ucq

15、1-ucq20，因此消除了零點漂移。，因此消除了零點漂移。具體實踐：具體實踐：在實踐中，兩個特性相同的管子采用在實踐中，兩個特性相同的管子采用“差差分對管分對管”，兩半電路中對應的電阻可用電橋精密選配，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。盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。結論：結論：可想而知，即使采取了這些措施，差動放大可想而知，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。漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中

16、南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5. 信號的輸入方式和電路的響應信號的輸入方式和電路的響應（1）差模輸入方式）差模輸入方式差模輸入信號為差模輸入信號為ui1 ui2= uid差模輸入方式差模輸入方式若若ui1的瞬時極性與參考的瞬時極性與參考極性一致，則極性一致，則ui2的瞬時的瞬時極性與參考極性相反。極性與參考極性相反。則有：則有：ui1ib1 ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 輸出電壓uo= uc1 uc20，而是出現了信號，記為uod。定義：定義：ad=uod/uiduuuuidiidi21,2121模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院

17、中南大學信息科學與工程學院（2）共模輸入方式）共模輸入方式ui1=ui2=uic在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電流和電壓的變化完全相同。流和電壓的變化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0ui1=ui2=uic時，時，uoc=0。定義：定義：ac=uoc/uic共模輸入方式下的差放電路共模輸入方式下的差放電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院ac叫做共模電壓放大倍數。理論上講，叫做共模電壓放大倍數。理論上講，ac為為0，實際上，實際上由于電路不完全對稱，可能仍會有不大的由于電路不完全對稱，可能仍

18、會有不大的uoc，一般，一般ac1。既然既然uoc=0或者或者uoc很小，為什么還要討論共模輸入呢？很小，為什么還要討論共模輸入呢？差放的兩半電路完全對稱，又處于同一工作環境，這時差放的兩半電路完全對稱，又處于同一工作環境，這時溫度變化以及其它干擾因素對這兩半電路都有完全相同溫度變化以及其它干擾因素對這兩半電路都有完全相同的影響和作用，都等效成共模輸入信號。如果在的影響和作用，都等效成共模輸入信號。如果在uic作用作用下，下，uoc=0或或ac=0，則說明差放有效地抑制了因溫度變化，則說明差放有效地抑制了因溫度變化而引起的零漂。而引起的零漂。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與

19、工程學院中南大學信息科學與工程學院（3）任意輸入方式）任意輸入方式 任意輸入方式任意輸入方式模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院輸入端分別接ui1和ui2，這種輸入方式帶有一般性，叫“任意輸入方式”。uic = (ui1+ ui2 ) / 2ui1=uic+uidui2=uic+（-uid）若若則則uid = (ui1- ui2 ) / 2例如例如：ui1=10mvui2=6mv則則 uid=2mv uic=8mv利用疊加原理得到利用疊加原理得到：uo=ad2uid+acuic= ad（ ui1- ui2 ）結論：在任意輸入結論：在任意輸入方式

20、下，被放大的方式下，被放大的是輸入信號是輸入信號ui1和和ui2的差值。這也是的差值。這也是這種電路為什么叫這種電路為什么叫做做“差動放大的原差動放大的原因因”。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（4）存在的問題及改進的方案）存在的問題及改進的方案以上研究的是基本的差動放大電路，它實際上不可能完全抑制零以上研究的是基本的差動放大電路，它實際上不可能完全抑制零漂，因為兩半電路不會完全對稱。另外，如果從一管輸出，則與漂，因為兩半電路不會完全對稱。另外，如果從一管輸出，則與單管放大電路一樣，對零漂毫無抑制能力，而這種單管放大電路一樣，對零漂毫無抑制

21、能力，而這種“單端輸出單端輸出”方式的形式又是經常采用的。方式的形式又是經常采用的。穩定靜態工作點，就是要減小穩定靜態工作點，就是要減小icq的變化，而抑制零點漂移也同樣是的變化，而抑制零點漂移也同樣是減小減小icq的變化。即抑制零點漂移和穩定靜態工作點是一回事。因此的變化。即抑制零點漂移和穩定靜態工作點是一回事。因此可以借鑒工作點穩定電路中采用過的方法，在管子的可以借鑒工作點穩定電路中采用過的方法，在管子的射極上接一電阻射極上接一電阻。這樣，基本的差動放大電路就改進為如下圖所示。這樣，基本的差動放大電路就改進為如下圖所示。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信

22、息科學與工程學院在上圖電路中，在上圖電路中，re越大越大，則，則工作點越穩定工作點越穩定，零點漂移也越零點漂移也越小小。但。但re太大，在一定的工作電流下，太大，在一定的工作電流下，re上的壓降太上的壓降太大，管子的動態范圍就會變小。為了保證一定的靜態工作大，管子的動態范圍就會變小。為了保證一定的靜態工作電流和動態范圍，而電流和動態范圍，而re又希望取得大些，常采用雙電源供又希望取得大些，常采用雙電源供電，用電源電，用電源vee提供提供re上所需的電壓。采用雙電源供電上所需的電壓。采用雙電源供電后，輸出電壓的動態范圍大多了。后，輸出電壓的動態范圍大多了。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大

23、學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院改進后的電路叫射極耦合差動放大電路也叫改進后的電路叫射極耦合差動放大電路也叫長尾長尾電路。電路。射極耦合差動放大電路射極耦合差動放大電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院因為有負電源因為有負電源vee提供發射極正偏所需要的電壓，所以提供發射極正偏所需要的電壓，所以rb可可以去掉。以去掉。t1和和t2的射極之間還接入了電位器的射極之間還接入了電位器rw，用于電路調，用于電路調零。零。3.3.2 基本性能分析基本性能分析0=i2i1vv1. 靜態分析靜態分析 忽略ib，有：vb1=vb2=0veeer

24、e)(7 . 0=rvvi模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院recc2c121=iiiice2ce1= vv)7 . 0(ccccrivcb1b1iii模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 動態分析動態分析-半等效電路分析法半等效電路分析法 差動放大器共有四種輸入輸出方式差動放大器共有四種輸入輸出方式: 1. 雙端輸入、雙端輸出（雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出雙入雙出） 2. 雙端輸入、單端輸出（雙端輸入、單端輸出（雙入單出雙入單出） 3. 單端輸入、雙端輸出（單端輸入、雙端輸出（單入雙出單

25、入雙出） 4. 單端輸入、單端輸出（單端輸入、單端輸出（單入單出單入單出） 主要討論的問題有：主要討論的問題有： 差模電壓放大倍數差模電壓放大倍數 共模電壓放大倍數共模電壓放大倍數 差模輸入電阻差模輸入電阻 輸出電阻輸出電阻模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院belcd)2/(rrrrabv1.雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數差模電壓放大倍數 （2）共模電壓放大倍數）共模電壓放大倍數0vca（3）差模輸入電阻）差模輸入電阻beid2rrrb（4）輸出電阻）輸出電阻co2rr輸入幅值不同，如何處理?模模 擬擬 電電 子子 技

26、技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院beblcd2/rrrrav2. 雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出 這種方式適用于將差分信號轉換為單端輸出的信號。(1)差模電壓放大倍數差模電壓放大倍數 （2）差模輸入電阻）差模輸入電阻beid2rrrb（3）輸出電阻）輸出電阻corr模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（4）共模電壓放大倍數）共模電壓放大倍數共模等效電路：共模等效電路：icoc1c=vvavebebl2)1 (=rrrrel2rr模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 3. 單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出- re化單入為雙入化單入為雙入單端輸入等效雙端輸入單端輸入等效雙端輸入: 因為右側的因為右側的rb+rbe歸算到發射極歸算到發射極回路的值回路的值(rs+rbe) /(1+ ) 0 t1 導通導通 t2 截止截止ic1io = ie1 = ic1, uo = ic1rlui u時，時， uo = uo