模电06集成在半导体制造工艺的基

1、在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件及其连接导线，制作在一块硅片上，能的电子电路，称为集成电路。特定功集成电路按其功能来分，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。数字集成电路用来产生和处理各种数字信号，模拟集成电路用来产生和处理各种模拟信号。模拟集成电路一般由一块厚约0.20.5mm2的P型硅支撑，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做成包含数十个或更多个BJT、FET、电阻和连接导线的电路。其外形一般有金属圆 壳和双列直插结构。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器（简称运放），集率放大器，集成模拟乘法器，集成稳压器等等。集成运算放大器应用最为广泛。集成运算放大器是一种高增益

2、的直流多级放大器。由于最初用于数字运算，所以称为运算放大器。运算放大器的用途早已不限于数算，它在信号的产生、变换、处理、测量等方面，起着非常重要的作用，所以获得了非常广泛的应用。集成电路的内部结构特点：1、电路元件制作在一个度均一性好。2、电阻元件由硅半导体上，元件参数偏差方向一致，温，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结。5、集成电路的面积小，集成度高，因此各个元器件工作电流很小，一般在毫安以下，功耗很小，在毫瓦以下。6、级间采用直接耦合方式。6.16.26.36.4模拟集成

3、电路中的直流偏置技术差分式放大电路差分式放大电路的传输特性集成电路运算放大器基本要求:1 理解镜像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途2 重点掌握差分放大电路的工作原理和各项指标的计算3 了解集成运放的基本组成和工作原理6.1模拟集成电路中的直流偏置技术在模拟集成电路中，广泛使用一种单元电路电流源，它为放大电路提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载。6.1.16.1.2BJT电流源电路镜像电流源微电流源FET电流源 MOSFET镜像电流源 MOSFET多路电流源JFET电流源6.1.1BJT电流源电路1. 镜像电流源特点：T1、T2参数相同且T1对T2具有温度补偿作用电流估算VBE

4、1 = VBE0，IB1= IB0，= IC0 = IC，成镜象关系。IC1bIR = IC0 + IB0 + IB1 = IC + 2ICIC = b IR(b + 2)IC的受电源影响大，要求电源稳定镜像 IC2为IREF的镜像VCC和R一定时，IC电流随之确定。若b 2时，则I I= VCC -VBECRRT1对T2管具有温度补偿作用：1.电路简单，应用广泛；2.要求IC1电流较大情况下，R 的功耗较大，集成电路应避免；3.要求IC1电流较小时，要求R 数值较大，集成电路难以实现。T IC2 IC2 I I V (I R) V I C1RRRBB2. 微电流源VQ IC 2 CC R若需

5、要IC2较小，则要求R很大(集成电路中难以实现)改进微电流源= DVBE VBE1 - VBE2 II=C2E2Re2Re2由于 DVBE 很小，所以IC2也很小用阻值不大的R即可获得微小的工作电流，称为微电流源。IC2的稳定性较好VCC变化IREF、DVBE变化而Re2较大VBE2VBE1T2工作在非线性区IC2的变化IREF的变化且T1对T2具有温度补偿作用*3. 比例电流源= VCC - VBE1 IIR + RE1C1E1 IREFVBE1 = VBE2RE1 RE1= IREF IIC 2E 2Re2* 4. 组合电流源基本思想：使用一个基准电流， 获得多个电流源T1、R1 和T4支

6、路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5T1和T3，T4和T6镜像电流源了微电流源- VBE1 - VEB 4+ VEE= VCCIREFR1工程上：上部一组电路称为电流源；下部一组电路称为电流阱。6.1.2FET电流源+ VDDIREFT3= IO1. MOSFET镜像电流源Id2d1d2IO = ID 2= IREF= (VDD + VSS -VGS ) / RT2T1通常用一FET管代替R+ VGSW / L= 22 I借助宽长比， IOREFW / L-112. MOSFET多路电流源+ VDDIREFRIIID2D3D4d1d2T2T1+VGS-VSS6.1.2FET电流源3.

7、JFET电流源（P261）将栅极直接与源极相连，便可得到简单的电流源。(a) 电路(b) 输出特性6.2差分式放大电路6.2.1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6.2.3源极耦合差分式放大电路的概述1)直接耦合放大电路可以放大直流信号# 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？2) 直接耦合放大电路的零点漂移输入短路时， 输出仍有缓慢变化的电压产生。零漂：=0V时：形成：温度变化； 直流电源波动； 器件老化等。由于晶体管的特性对温度敏感是主要其称为温漂。，所以也将温漂指标： 温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。影响：零漂会引

8、起放大器静态工作点的变化。当第一级放大器的静态工作点发生微小而缓慢的变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。这种漂移电压大到一定程度时，就无法从正常的放大信号中加以区别，使放大器不能正常工作。漂移1 V+ 10 mV漂移10 mV+100 uV= 100,例如假设AV1AV2= 100,AV3= 1 。若第一级漂了100 uV，则输出漂移1 V。若第100 uV，也漂了漂了100 uV漂移1 V+ 10 mV则输出漂移10 mV。F 第一级是关键3) 减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿F 调制解调方式。如“斩波稳零放大器”F 采用差分式放大电路6.2.

9、1差分式放大电路的一般结构1. 差分式放大电路的组成：差分放大电路是由对称的两个基本放大电路的，两个基本电路参数完全相同，管子的特性也完全相路有两个输入端和两个输出端。电路中两子的集电极静态电位在温度变化时将时时相等，因此以两集电极电压差作为输出，可以克服温度的漂移。V+= vi1 - vi21vid差模信号R2R1vv(v+ vo 2v=)共模信号o1I1I 2ici1i22T+vi 2-+vi1-输入 2认清差模输入电流信号和共模输入电流信号的电流 iid共模输入若用差模、共模信号表示两个输入信号共模输入IOiic电流vi电流v= v+icv id = v-v id 2V-i1ic2vi2

10、ic= v- vA= od v差模输出信号差模电压增益VDodo1=(vo1 2o2v1id+ vo2 )voc= voc共模输出信号A共模电压增益VCvicvo = vod + voc= AVDvid + AVCvic总输出电压一般：希望差模增益大，共模增益小。AVD共模抑制比K=CMRAVCT1差模6.2.21. 基本电路射极耦合差分式放大电路2. 工作原理1）静态分析vi1=vi2=0= 1 I= II= IC1C2C02= VCC -IC RC - VEVCE1 = VCE2= VCC - IC RC - (-0.7)ICb= I=IB1 B2 vo1=vo2vo=vo1-vo2=0输

11、入为0，输出也为0。vo2vo1组成：a.T1、T2特性完全相同； b.Rc1=Rc2 =Rc 。2）动态分析若输入差模信号，= -vi2= vid / 2vi1vi1vo1vi2和大小相等，相位相反。vo2和大小相等，相位相反，= vo1 - vo2 0一管将电流增大，一管将电流减小vo信号被放大。2）动态分析若输入共模信号， vi1vi2 大小相等，相位相同，均为vic。和vo1vo2和大小相等，相位相同，双端输出时，vo = vo1 - vo2 = 0 。一般输入信号为vid与vic的叠加+ vid- vidv= vv= vi1ici2ic22- vod+ vodv= vv= vo2oc

12、o1oc22= vo1 - vo2 = vod 。在双端输出时， vo即，双端输出差放只放大差模信号，而抑制了共模信号。温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流变化,且变化趋势相同，从而使VOQ=VCQ1-VCQ20，因而消除了零点漂移。实际上，两管不可能完全对称，因此零点漂移不可能完全 消除，只能被抑制到很小。零漂的效果相当于在两个输入端加入了共模信号。 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。3.主要技术指标计算差分放大电路的四种接法：根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。（1）差模电压增益定义：放大电路

13、的输出电压vo与差模输入电压vid的比值，称为差模电压放大倍数或差模电压增益，用AVD表示，即AVD= vo/vid 双入、双出 双入、双出交流通= vo1 - vo2 vo路空载时A=v- vVDvi1= - bRci2id= 2vo1 2vi1rbec1b1接入负载时1b (Rc / 2 RL )= -AVDrbee= 2rbeRidRo = 2Rcc2b2 vo2 vo1在电路完全对称时，双入双出的增益与单管的相同。以双倍元器件换取抑制零漂的能力。 双入、单出空载时vo1 = vo1 =AVD12vvi1id= - bRc= 1 AVD2r2be接入负载时c1b1b ( Rc / RL

14、)= -AVD1Rid2rbe= 2rbeeRo = Rcc2b2 vo1 单端输入Qro re(发射结电阻)ro几乎不分流，e端等效为对地开路。单端输入信号vid相当于平均分配在T1、T2上。即等效于vi1=(1/2)vid，vi2=-(1/2)vid，等同于双端输入。单端输入等同于双端输入。指标计算与双端输入相同。具体为：单入双出双入双出，单入单出双入单出。差模电压放大倍数的计算与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。（2）共模电压增益定义：当差分放大电路的两个输入端接入共模输入电压时，放大电路的输出电压vo与共模输入电压vic的比值，称为共模电压放大倍数或共模电压增益，用AVC表示

15、，即：AVC=vo/vic 双端输出共模信号的输入使两管集电极电压voc = voc1 - voc2 0 0有相同的变化。 所以= voc 共模增益 AVCvic共模信号即为伴随输入信号一起加入的干扰信号，因此共模电压增益越小，放大电路的性能越好。 单端输出- bRc= voc1= voc2Rc=A -VC1r+ (1 + b )2rvv2ricicbeooro AVC1抑制零漂能力增强共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关（3）共模抑制比差模电压放大倍数反映了差动放大器放大有用信号的能力， 当然希望它大一些；共模电压放大倍数反映了抑制共模信号的能力，希望它小一些。通常用

16、共模抑制比作为一项技术指标来衡量差分式放大电路的性能。- bRc2rbe b ro=双端输出，理想情况KCMRAVD1=单端输出K- RcrbeCMRA2roVC1其值越大，说明电路对有用信号的放大能力越强，而对有害的共模信号的抑制能力越强，因此表明电路的性能越好。定义：放大电路差模信号的电压增益Avd与共模信号的电压增益Avc之比的绝对值。K= AVDK= 20lgCMRACMRVCAVD AVCdB= AVDvid + AVCvicvo由：AVD1得：=KCMR1AVC1vicv= Av(1 +)单端输出时的总输出电压o1VD1idKvCMRid说明：在设计放大电路时，必须至少使共模抑制比

17、大于共模信号与差模信号之比。（4）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。 几种方式指标比较双端输入双出输出方式单出双出单出b (R / 1 Rb (R / 1 Rb (R / R )b (R / R )- cL2rbecL-2 cL2rbecLA2-VDrrbebe - Rc/ RL - Rc/ RLA 0 0VC2ro2ro b ro b ro KCMRrberbe 几种方式指标比较输出方式双出单出Rid2rbe1 r+ (1 + b )2r Ricbeo2Ro2RcRc不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路(

18、1) 电路组成双入-单出(2) 工作原理1) 静态vi1=vi2=0有源负载+ VEE - VBE= VCCI= Ie6R + R电流源REFe 6T5、T6为比例恒流源Re6Re6I= I= Ie5IC1e6REFRRe5e5= IC2 IC3 = IC4 = IC5 /2 = IO/2输出电流：io= IC4 - IC2 04.带有源负载的射极耦合差分式放大电路2) 动态= -vi 2 = vid / 2vi1T1电流增加，T2电流减小= -ic 2ic1故Io不变，ve=0= ic1,ic4 = ic3 ,ic2 = -ic1ic3io = ic4 - ic2 = ic1 - (-ic1

19、 ) = 2ic1结论：带有源负载差分放大电路的输出电流是基本单端输出差放的两倍6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路(1) 电路组成双入-双出(2) 工作原理1) 静态有源负载= IS 5 =I D6= ID7= IOIREF= vi 2 = 0vi1= ID 2 = ID3 = ID 4= IO / 2ID1vo = vo1 - vo 2 = 02) 动态电流源= -vi 2 = vid / 2vi1T1管电流增加，vo1减小；T2管电流减小，vo2增加。vo = vo1 - vo2 06.2.3源极耦合差分式放大电路2.JFET差分式放大电路(1) 电路组成双入-双出

20、T1、T2对管和电阻Rd1=Rd2=Rd组成差分放大电路T3组成电流源，为T1、T2提供偏置电流ID1=ID2=Io/2ro动态电阻很大，可以抑制共模信号。电流源(2) 工作原理电路参数理想对称， 1 2，rbe1rbe2例rbe。（1）写出RW 的滑动端在中点时Avd的表达式；（2）写出RW 的滑动端在最右端时Avd的表达式，比较两个结果有什么不同。解：（1）RW的滑动端在中点时Ad的表达式为+ RWb ( R)= uOc2= -AVdurIbe（2）RW的滑动端在最右端时= - b ( Rc + RW ) uDuC1I2rbe= + b RcDu uC2I2rbeb (R + RW )c2

21、u= Du- Du= - uOC1C2Irbe所以Avd的表达式为+ RWb (R)= uOc2= -AvdurIbe比较结果可知，两种情况下的Avd完全相等；DuC1 DuC2但第二种情况下的例6-1：电路如图，=100(1) 求静态工作点；(2) 求电路的差模Aud，Rid，Ro。+VCCRCRC+6 V7.5 kWu7.5 kWoui2ui1100 WT2T1Iui1 = ui2 =0V解 (1)REFIC36.2R2T3VEE - UBE46 - 0.7 0.84 (mA)=IREFT4RR1 + R26.2 + 0.1100 W3100 WVEER2-6 VI= I= 0.84 mA

22、0REFR3ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0=0.42mAUCQ1 = UCQ2 = 6 0.42 7.5UEQ1 = UEQ2 =-0.7 (V)= 2.85 (V)kW(2)求Aud，Rid，Ro+VCCRCRC+6 V267.5 kWurbe1 = rbe2= 200 + 101= 6452 ( W )0.427.5 kWoui2ui1 Tb R100 WT= -CAvd2IREF1rbe + ( 1 + b ) 1 RpIC326.2 kWT3100 W3- 100 7.5= -65TR24R6.45 + 101 0.05100 WVEE-6 V= 2rbe + (1 + b

23、) 1RidRp c12b1= 23kWe1RPRo = 2RC = 15 (kW)RPe2c2b2例6-2:电路中，已知三极管的 均为100，CC=12VRLV=0.7V。1：静态工作点（I ，IV ）；BECB， CT2T1RC=10K ，RL=20K， Re=11.3KVVi2oVi12：求双出的Avd、KCMR 。3：计算差摸输入电阻Rid和输出电阻Rod。4：若输出信号ReVEE=-12V从T1的集电极输出，计算KCMR= VEE -VBE 2= 12 - 0.7= IE 3解：1= 1m A; I= I= 0.5m A.IE 3E 1E 2Re11.32VCE 1 = VCE 2=

24、 VCC- IC 1 RC 1+ VBE = 12 - 0.5 10 + 0.7 = 7.7V26 ( 1 + 101 ) = 5.45KWr= 200 +be0.5RL2:20bR50 10= -2 = - 50 5 = -45.9C2A= -vdr5.455.45be1 KCMR Q双出的Avc = 0= 2 rbe1 = 10.9KWRid3:Ro = 2RC = 20KWRCRC+V例6-2:电路中，已知三极管的 均为100，CC=12VRLV=0.7V。1：静态工作点（I ，IV ）；BECB， CTTRC=10K ，RL=20K， Re=11.3KVo21VVi2i12：求双出的A

25、vd、KCMR 。3：计算差摸输入电阻Rid和输出电阻Rod。4：若输出信号ReVEE=-12V从T1的集电极输出，计算KCMRbRCRL= 50 6.67 = 0.585；解：4A= -vc+ 2( 1 + b )R5.45 + 565rbe1e= - bRCRL 1 = - 50 6.67 1 = -30.6Avd 1r25.452b1be1c1Avd 130.6= 52.3；Ke1CMRA0.585RPvcRPe2c2b2RCRC+V，设晶体管的参数为 1= 2= 50，例6-3差动放大电路rbe1=rbe2=1.5K ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.7V，稳压二极管稳定电压U

26、2=8V，Rw的滑动端位于中点，试估算：1 静态工作点ICQ1、ICQ2、UCQ1、UCQ2。2. 差模电压放大倍数Aod。3. 差模输入电阻Rid和输出电阻Ro。解：具有稳流源的差动放大电路。1UCQ1 = UCQ2 = Vcc - ICQ1RC1 = 7V (这时由于UCQ1=UCQ2，故RL上电流为零)23 Rid = 2 Rb + rbe1 + (1+)Ro = 2Rc =10K=10K，例6-4:如图电路中的三极管的+VCCRC5 kWRv C =50，V =0.7V. R =R =5 K，+12 VoLCBE7.5 kWRb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RL100

27、WRbRb TRW=100，rce=300k，VCC=+12V，T2IREF1R=2.4K。1）求Q点; 2）求双出的Rb1b2IC3Avd、Rid和R0; 3）求出Avd1、KCMR的表5.6kRb2T达式。3= 12 2.4 = 3.6VVCC Rb2R解：1）V=eW2.4K5KVEEb 3R+ R8b1b2-12 V= Vb3 -VBE 3= 3.6 - 0.6 = 0.6m A; I= IE 3= I= 0.3m A.IE 3E 1E 2Re52= 12 - 0.3 5 + 0.3 20 + 0.6 = 11.22V+ IE 1 Rb= V= V- I+ VVRCE 1CE 2CCC

28、 1C 1BEb + 151= 200 + 26 (1 + 50) = 4.62KWrbe10.326= 200 +(1 + 50) = 2.41KW0.6rbe 3例6-4:如图电路中的三极管的+VCCRC5 kWRv C =50，V =0.7V. R =R =5 K，+12 VoLCBE7.5 kWRb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RL100 WRbRb TRW=100，rce=300k，VCC=+12V，T2IREF12）求双出R=2.4K。1）求Q点;Rb1b2的Avd、Rid 、R0和Avd1。IC35.6kT3Rb2ReR2）55KWbRC2.4K50 5VEE L

29、 50 1.67 = 2.5= -2=2=-12 VAvd+ ( 1 + b ) Rw33.4733.47R + rbbe12+ ( 1 + b ) Rw （R= 2 R + r单/ 双输入idbbe12Ro = 2RC = 10KW= 2 ( 20 + 11.22 + 2.25 ) = 66.94bRCRL 1 = 50 2.5 1 = 1.867= -Avd 1+ ( 1 + b ) Rw233.472R + rbbe126.3差分式放大电路的传输特性传输特性曲线：描述输出信号随输入信号的变化规律的曲线/ V= IES evBET根据 iEiC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2又可得传输特性曲线vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线静态：vid=vi1-vi2=0时， ic1=ic2=I0/2 Vo1=Vo2=Vcc-(Io/2)Rc线性放大区：-VTVidVT，Vid增加，ic1增加，ic2减小，Vo1减小，Vo2增加。Vo1、Vo2与Vid呈线性关系，放大电路工作在放大区。非线性区：VT|Vid|4VT,Vo1、Vo2与Vid间呈非线性。电路工作在非线性区。vid4VT，曲线趋于平坦，vid增加