模拟集成电路基础

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第3章 模拟集成电路基础3.1 概述 3.2 电流源电路 3.3 差动放大电路 3.4 功率放大电路 3.5 集成电路

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3.1 概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件， 它以半 导体单晶硅为芯片， 采用专门的制造工艺， 把晶体管、 场效应 管、 二极管、 电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完 整电路制作在一起， 使之具有特定的功能。 集成电路体积小、 重量轻、 耗电少、 可靠性高， 已成为现代电子器件的主体。 集 成电路分数字与模拟两大类。 集成电路体积小、 重量轻、 耗电少、 可靠性高， 已成为现 代电子器件的主体。 集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多， 有集成运算放大器(简称集成运放), 集成功率放大器， 集成模拟乘法器， 集成锁相环， 集成稳压器等。 在模拟集成电路中， 集成运算放大器是最为重要、 用途最广的一 种， 这里主要介绍集成运放的内部电路、 工作原理、 性能指标及 常用等效模型。

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3.1.1 集成电路中的元器件特点(1)集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的， 邻近 的器件具有良好的对称性， 而且受环境温度和干扰的影响后的变 化也相同， 因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 (2)集成工艺制造的电阻、 电容数值范围有一定的限制。集成电 路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的， 因而很难制造大 的电阻， 其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间; 集成电路中 的电容是用PN结的结电容作的。 (3)集成工艺制造晶体管、 场效应管最容易， 众多数量的晶体管 通过一次综合工艺完成。 集成晶体管有纵向NPN型管(β值高、性能 好)、 横向PNP 型管(β值低、但反向耐压高)和场效应管， 另外， 集成工艺比较容易制造多极晶体管， 如多发射极管、 多集电极管等。 集成二极管、 稳压管等一般用NPN管的发射结代替。

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3.1.2 集成电路结构形式上的特点 (1)利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性 (2)利用有源器件代替无源元件

(3)一般采用直接耦合方式(4)采用较复杂的电路结构 (5)适当利用外接分立元件

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3.2 晶体管电流源电路根据集成工艺的特点， 模拟集成放大电路 中的偏置电路、 集电极或发射极负载等， 一般 采用晶体管电流源。 这不仅能使电路性能具有 不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性 (做偏置)

, 而且能获得高增益、 大动态范围的 特性(做有源负载)。

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3.2.1 电流源电路电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章 晶体管的特性已知， 晶体管本身便具有近似恒流的特性。 在集成电路中， 常用的电流源电路有： 镜像电流源、 精密电流源、 微电流源、 比例电流源和多路电流源等。 它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源 负载代替高阻值电阻， 以提高放大电路的放大倍数。

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术 条件：两管参数对称

1. 镜像电流源

I

o

I 2

R

1 1 2

I

R

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2. 改进型镜像电流源

I

o

I 2

R

1

1 2

I

R

(1 )

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3.微电流源

I

o

U

BE e

R

U I ln R IT e

R o

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3.3 差动放大电路根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方 式一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移问题。为了 抑制温度漂移，一种比较有效的电路就是差动放大电路。 零点漂移的严重性 如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就 无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能 正常工作，必须有效地抑制零点漂移。

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特点：

3.3.1 差动放大电路 (Differential Amplifier)1. 电路组成

a.两只完全相同的 管子；b.元件参数对称；

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2. 输入输出方式 输入端：同相输入端、反相输入端

输出端：一个是T1的集电极C1, 另一个是T2的集电极C2输入方式： 双端输入：若信号同时加到同相输入端和反相输入端。 输出方式： 双端输出：若从C1和C2两端输出。 差动电路的工作模式：单端输入：若信号仅从一个输入端加入， 另一个输入端接地。

单端输出： 仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。 (1)双端输入、 双端输出(双入——双出) (2)双端输入、 单端输出(双入——单出) (3)单端输入、 双端输出(单入——双出) (4)单端输入、 单端输出(单入——单出)

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3. 差模信号与共模信号 差模输入信号：差动放大电路两个输入信号之差

u

Id

u1 2

I1

u I2

共模输入信号：差动放大电路两个输入信号的平均值

u即

Ic

(u I 1 u I 2 );

u

I1

1

u Id u Ic 2

u

I2

1

u Id u Ic

2

差模信号：指在两个输入端加上大小相等， 极性相反的信号 共模信号： 指在两个输入端加上大小相等， 极性相同的信号

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模 拟 电 子 技 术 4. 抑制零漂的工作原理 原理：静态时，输入信号为零，即将输入端①和 ②短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条 件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规 律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始 终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0,因此消除了零点漂 移。

具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”,两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配， 尽可能保证阻值对称性精度满足要求。

结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点 漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。 中南大学信息科学与工程学院

模 拟 电 子 技 术 5. 信号的输入方式和电路的响应 (1)差模输入方式 Ui1

1

U 2

Id

,U

i2

1 2

U

Id

差模输入信号为Ui1 - Ui2= UId

若Ui1的瞬时极性与参考 极性一致，则Ui2的瞬时 极性与参考极性相反。 则有： ui1↑→ib1 ↑ →ic1 ↑ →uc1↓ui2 ↓ →ib2 ↓ →ic2 ↓ →uc2 ↑ 输出电压uO= uC1 - uC2≠0,而是 出现了信号，记为Uod。

差模输入方式

定义：Ad=Uod/UId中南大学信息科学与工程学院

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(2)共模输入方式

共模输入方式下的差放电路

Ui1=Ui2=UIC ui1=ui2=0,uo=0

在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电 流和电压的变化完全相同。

Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。

定义：Ac=Uoc/UIc

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Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为0,实际上 由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc,一般Ac<<1。 既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？ 差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时 温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同 的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用

下，Uoc=0或Ac=0,则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。

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模 拟 电 子 (3)任意输入方式

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任意输入方式

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输入端分别接Ui1和Ui2,这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。 结论：在任意输入 方式下，被放大的 若 Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2 是输入信号Ui1和 Ui2的差值。这也是 Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2 这种电路为什么叫 做“差动放大的原 则 Ui1=Uic+Uid Ui2=Uic+(-Uid) 因”。

利用叠加原理得到：

Uo=Ad· id+A

cUic 2U = Ad( Ui1- Ui2 ) 例如：Ui1=10mV Ui2=6mV

则 Uid=2mV Uic=8mV

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(4)存在的问题及改进的方案以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零 漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与 单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出” 方式的形式又是经常采用的。 稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是 减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此 可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。 这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。

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在上图电路中，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越 小。但RE太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太 大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作 电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源供

电，用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电后，输出电压的动态范围大多了。

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