(模拟电子技术基础教学课件)7.模拟集成电路

1、( (模拟电子技术基础教学课件模拟电子技术基础教学课件)7.)7.模拟集成电路模拟集成电路02027.5 集成运算放大器集成运算放大器7.5.1 CMOS MC14573集成运算放大器集成运算放大器7.5.2 BJT型型LM741集成运算放大器集成运算放大器7.5.3 BiJFET型集成运算放大器型集成运算放大器LF3567.5.1 CMOS MC14573集成运算放大器集成运算放大器1. 电路结构和工作原理电路结构和工作原理引脚排列顶视图引脚排列顶视图7.5.1 CMOS MC14573集成运算放大器集成运算放大器(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF

2、RVVVRVVVII 2TPGS5p5REF)(VVKI 已知已知VTN 和和Kp5 ，可求出，可求出IREF 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。2. 技术指标分析计算技术指标分析计算7.5.1 CMOS MC14573集成运算放大器集成运算放大器(2)(2)小信号分析小信号分析2idgs1vv 2idgs2vv 设设 gm1 = gm2 = gm )|(ds4ds2mido21rrgA vvv输入级电压增益输入级电压增益 2. 技术指标分析计算技术指标分析计算)|)( )|(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则则)|()|

3、)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 7.5.1 CMOS MC14573集成运算放大器集成运算放大器总电压增益总电压增益 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 ）(2)(2)小信号分析小信号分析2. 技术指标分析计算技术指标分析计算7.5.2 BJT型型LM741集成运算放大器集成运算放大器原理电路原理电路 7.5.2 BJT型型LM741集成运算放大器集成运算放大器简化电路简化电路7.

4、5.3 BiJFET型集成运算放大器型集成运算放大器LF356简化电路简化电路JFET差分式差分式放大电路放大电路BJT差分式差分式放大电路放大电路共集电极共集电极放大电路放大电路复合管复合管共集电极共集电极放大电路放大电路互补对称互补对称输出级输出级过流保过流保护电路护电路外接调外接调零电阻零电阻7.5.3 BiJFET型集成运算放大器型集成运算放大器LF356简化电路简化电路很高的输入电阻，很低的输入偏置电流，高速、宽带和低噪声很高的输入电阻，很低的输入偏置电流，高速、宽带和低噪声 7.6 实际集成运算放大器的主要参数实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响和对应用电路的影响7.6.

5、1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题7.6.1 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）1. 输入失调电压输入失调电压VIO 输入电压为零时，为了使输出电压为零，在输入端加输入电压为零时，为了使输出电压为零，在输入端加的补偿电压。一般约为的补偿电压。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20mV。2. 输入偏置电流输入偏置电流IIB IBN IBP IBN

6、IBP VCC VEE VO 集成运放两个输入端静态电集成运放两个输入端静态电流的平均值流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为为10nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。7.6.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数3. 输入失调电流输入失调电流IIO 输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流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）输入失调电流温漂 IIO

7、/ T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）7.6.1 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 20lgAvo/ /dB 106 dB 100 80 60 40 20 0 10 0 fH7 Hz 20 dB/ /十倍频程十倍频程 fT1.4 MHz f/ /Hz fH 10 102 103 104 105 106 fT 107 741型运放型运放Avo的频率响应的频率响应 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)7.6

8、.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数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Vidmax差模特性差模特性7.6.1 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

9、 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 运放作为电压跟随器时，使输出电压产生运放作为电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差跟随误差的共模输入电压幅值。高质量的运放可达的共模输入电压幅值。高质量的运放可达 13V。7.6.1 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

10、输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(dttSv Vimax Vimax t R1 R2 vi R3 vO 741 Vomax Vomax t 斜率决定斜率决定 转换速率转换速率 若信号为若信号为viVimsin2 ft ，则运放的，则运放的SR必须满足必须满足SR2fmaxVom7.6.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数2. 全功率带宽全功率带宽BWP 运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即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是大信号和高频信号工作时的重要指标一般通用型运放一般通用型运放SR在在1V/ s以下，以

11、下，741的的SR=0.5V/ s高速运放要求高速运放要求SR30V/ s以上。以上。 目前超高速的运放如目前超高速的运放如AD9610的的SR 3500V/ s。omRmaxP2 VSfBW 大信号动态特性大信号动态特性7.6.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数电源特性电源特性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 1. 电源电压范围电源电压范围3. 最大输出电流最大输出电流IOmax 2. 最大耗散功耗最大耗散功耗PCO 极限参数极限参数7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运

12、放应用中的实际问题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满足要求时，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。各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。 虽然专用型运放某项技术参数很突出，但其他参数则虽然专用型运放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，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。速型与高精度常常有矛盾，如此等等。 7

13、.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题2. 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 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 解得误差电压解得误差电压)|(21)|()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV （IIBIIO/2） （R1|Rf） R1|Rf VIO Vn Vp R2 VO （IIBIIO/2）R2 f1O1RRVR 7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题)|(

14、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7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题3. 调零补偿调零补偿

15、（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 LM741 2 3 1 5 6 RL VEE VCC VCC VEE vO VCC VEE Rp R1 R2 Rp10k VC补偿 VIO和 VIO （a） （b） VC 7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题741中的调零电路中的调零电路 7.6.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题356中的调零电路中的调零电路 3. 调零补偿调零补偿7.7 变跨导式模拟乘法器变跨导式模拟乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理7.7.2 模拟乘法器的应用模

16、拟乘法器的应用7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理1. 变跨导二象限乘法器变跨导二象限乘法器与差分式放与差分式放大电路的差大电路的差别：别：（a）原理电路）原理电路 （b）同相（或反相）乘法器代表符号）同相（或反相）乘法器代表符号电流源电流源iEE受受输入电压输入电压vY的控制的控制7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理单入双出方式单入双出方式becXO1drRA vvv即即XbecO1vvrR 又又EQbbebbbbe)1(IVrrrrT EQ)1(IVT E1)1(iVT 所以所以mXcO1gR vv m1)1(g 1. 变跨导

17、二象限乘法器变跨导二象限乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理 对于对于T3、T4构成的镜像电流构成的镜像电流源，当源，当vY VBE时时RiYEEv 所以所以YXcO12vvvTRVR YXvvK 其中其中TRVRK2c （乘法运算）（乘法运算）mXcO1gR vv YEEE1m212vTTTRVViVig 而而由由vY 控制跨导控制跨导gm变化，所以称为变跨导乘法器变化，所以称为变跨导乘法器1. 变跨导二象限乘法器变跨导二象限乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理电路的最后输电路的最后输 O112OvvRR YX12v

18、vRRK 缺点：缺点： 精度差精度差 vY必须大于必须大于0V，只能实现两个象限的乘法运算，只能实现两个象限的乘法运算1. 变跨导二象限乘法器变跨导二象限乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理 T1、T2和和T3、T4为两为两个并联的差分式电路，个并联的差分式电路， T5、T6为压控电流源电路。为压控电流源电路。由于由于)1e (BEESEC TVIiiv所以所以TTVVii/ )(C2C1XBE2BE1eevvv 而而 iC1iC2iC5 ，iC4iC3iC6 TVIBEeESv 1eXC5C2 TViivC5C11eeXXiiTTVV vv2. 双平衡四

19、象限乘法器双平衡四象限乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理C5C11eeXXiiTTVV vv1eXC5C2 TViiv1e1eXXC5C2C1 TTVViiivvTVi2thXC5v 同理同理TViii2thXC6C3C4v TVIii2thYEEC6C5v 又又 i1,3iC1iC3，i2,4iC2iC4 2. 双平衡四象限乘法器双平衡四象限乘法器7.7.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理c2,41,3O1)(Rii v最后可得最后可得TTVVIR2th2thYXEEcvv 当当vX 2VT、vY 2VT时时TTVVIR22Y

20、XEEcO1vvv YXYX2EEc4vvvvKVIRT 其中其中2EEc4TVIRK （乘法运算）（乘法运算）信号大时增加非线性补偿电路信号大时增加非线性补偿电路2. 双平衡四象限乘法器双平衡四象限乘法器7.7.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用乘方乘方 1. 运算电路运算电路7.7.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用除法除法 只有当只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反馈工作状态，而馈工作状态，而vX1则可正可负，故属二象限除法器。则可正可负，故属二象限除法器。 利用虚短和虚断概念有利用虚短和虚断概念有0221X1 RRvvX2o2

21、vvvK X2X112ovvv KRR得得由乘法器的功能有由乘法器的功能有1. 运算电路运算电路7.7.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用开平方开平方 利用虚短和虚断概念有利用虚短和虚断概念有02i RRvv2o2vvK Kiovv 得得由乘法器的功能有由乘法器的功能有vi必须为负值时，电路才能正常工作。必须为负值时，电路才能正常工作。 1. 运算电路运算电路7.7.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用2. 压控放大器压控放大器 乘法器的一个输入端加一直流控制电压乘法器的一个输入端加一直流控制电压VC，另一输入端，另一输入端加一信号电压加一信号电压vs时，乘法器就成了增益为时，乘法器就成了增

22、益为KVc的放大器。当的放大器。当Vc为可调电压时，就得到可控增益放大器。为可调电压时，就得到可控增益放大器。 调制和解调在通信、广播、电视和遥控等领域中得到调制和解调在通信、广播、电视和遥控等领域中得到广泛的应用。利用模拟乘法器的功能很容易实现调制和解广泛的应用。利用模拟乘法器的功能很容易实现调制和解调的功能。调的功能。3. 调制解调调制解调7.8 放大电路中的噪声与干扰放大电路中的噪声与干扰7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声7.8.2 放大电路中的干扰放大电路中的干扰7.8.3 低噪声放大电路举例低噪声放大电路举例*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声1. 噪声的种类及性

23、质噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声）电阻的热噪声 由电子无规则热运动而产生随时间而变化的电压称为由电子无规则热运动而产生随时间而变化的电压称为热噪声电压。热噪声电压。 一个阻值为一个阻值为R（）的电阻未接入电路时，在频带宽度）的电阻未接入电路时，在频带宽度B内所产生的热噪声电压均方值为内所产生的热噪声电压均方值为 K 玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，T 热力学温度（热力学温度（K），），B 频频带宽度（带宽度（Hz）。）。BkTRRIV 42n2n2n功率和电压的形式分别为功率和电压的形式分别为kTBRVP42nn kTRBV4n *7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声具有均匀的功率频谱

24、的噪声称为白噪声具有均匀的功率频谱的噪声称为白噪声热噪声电压密度热噪声电压密度 热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数，它的频率热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数，它的频率范围是很宽广的。因而噪声电压范围是很宽广的。因而噪声电压Vn将随放大电路带宽的增加将随放大电路带宽的增加而增加。所以在设计放大电路时要综合考虑增益、带宽等诸而增加。所以在设计放大电路时要综合考虑增益、带宽等诸多因素。多因素。 kTBRVP42nn kTRBV4n 热噪声的功率频谱密度热噪声的功率频谱密度kTBP4n kTRBV4n 1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声）电阻的热噪声*7.8.1 放

25、大电路中的噪声放大电路中的噪声 热噪声热噪声 由于载流子不规则的热运动通过由于载流子不规则的热运动通过BJT内三个区的体电内三个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb 所产生的噪声是主所产生的噪声是主要的。要的。FET主要是沟道电阻的热噪声。主要是沟道电阻的热噪声。（2）三极管的噪声）三极管的噪声1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声 散粒噪声散粒噪声 由于通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时由于通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则都不相同，

26、因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动，产生散粒噪声。散粒噪声电流为的波动，产生散粒噪声。散粒噪声电流为 q 每个载流子所带电荷量的绝对值，每个载流子所带电荷量的绝对值，I 通过通过PN结结电流的平均值，电流的平均值，B 频带宽度。频带宽度。qIBI2n 散粒噪声具有白噪声的性质散粒噪声具有白噪声的性质（2）三极管的噪声）三极管的噪声1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声 闪砾噪声闪砾噪声 这种噪声与频率成反比，故又称为这种噪声与频率成反比，故又称为1/f 噪声或低频噪声。噪声或低频噪声。也称为接触噪声。也称为接触噪声。 在有源器件中，主

27、要原因是陷阱。当电流流过时，它会在有源器件中，主要原因是陷阱。当电流流过时，它会随机地捕获和释放电荷载流子，因此会引起电流本身随机地随机地捕获和释放电荷载流子，因此会引起电流本身随机地波动。在波动。在BJT中，这些陷阱与发射结里的杂质和晶体缺陷有中，这些陷阱与发射结里的杂质和晶体缺陷有关。在关。在MOSFET中，它们与硅和二氧化硅边界上的额外电子中，它们与硅和二氧化硅边界上的额外电子能态有关。在有源器件中，能态有关。在有源器件中，MOSFET所含的这种噪声最多。所含的这种噪声最多。这也是在低噪声这也是在低噪声MOS应用中最关注的一点。应用中最关注的一点。（2）三极管的噪声）三极管的噪声1. 噪

28、声的种类及性质噪声的种类及性质*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声 闪砾噪声闪砾噪声 闪烁噪声总与直流电流有关，它的功率密度的形式为闪烁噪声总与直流电流有关，它的功率密度的形式为（2）三极管的噪声）三极管的噪声1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质 式中式中K是器件常数，是器件常数，I是直流电流，是直流电流，a是器件的另一种常数是器件的另一种常数，范围从，范围从1/2到到2。 一般而言，一般而言，FET的噪声比的噪声比BJT小。此外。电阻元件中碳膜小。此外。电阻元件中碳膜电阻的电阻的1/f 噪声最大，绕线电阻的噪声最大，绕线电阻的1/f 噪声最小。噪声最小。 fIKIan 2*7.8

29、.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声 雪崩噪声雪崩噪声 雪崩噪声存在于工作在反向击穿模式的雪崩噪声存在于工作在反向击穿模式的PN结中。在空间结中。在空间电荷层中的强电场的作用下，电子获得足够的动能，它们碰电荷层中的强电场的作用下，电子获得足够的动能，它们碰撞晶格产生出新的电子空穴对。这些新的电子空穴对以雪崩撞晶格产生出新的电子空穴对。这些新的电子空穴对以雪崩的形式产生出新的其他的电子空穴对。最终的电流是由流经的形式产生出新的其他的电子空穴对。最终的电流是由流经反向偏置结的随机分布噪声尖峰组成的。与散粒噪声类似，反向偏置结的随机分布噪声尖峰组成的。与散粒噪声类似，雪崩噪声也要求有电流流动。然而

30、，雪崩噪声一般要比散粒雪崩噪声也要求有电流流动。然而，雪崩噪声一般要比散粒噪声更加剧烈，这也是齐纳二级管（稳压管）的噪声闻名遐噪声更加剧烈，这也是齐纳二级管（稳压管）的噪声闻名遐尔原因。尔原因。（2）三极管的噪声）三极管的噪声1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声 （3）集成运放的噪声，是由组成运放内部电路的元器件）集成运放的噪声，是由组成运放内部电路的元器件产生的噪声源以及内部电路连接的噪声源累计的结果。一般产生的噪声源以及内部电路连接的噪声源累计的结果。一般是通过实验方法进行测量，也可用仿真技术算出。在放大高是通过实验方法进行测量，也可用仿真技

31、术算出。在放大高内阻信号源的信号时，一般要求放大电路有较小的输入噪声内阻信号源的信号时，一般要求放大电路有较小的输入噪声电流，故在集成运放电路中多用电流，故在集成运放电路中多用FET作输入级。而对于低内作输入级。而对于低内阻的信号源，放大电路的输入噪声电压起主要作用。阻的信号源，放大电路的输入噪声电压起主要作用。1. 噪声的种类及性质噪声的种类及性质*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声定义定义其中其中 AP 为为功率增益功率增益ninoninosisonosonisiF1PAPPPPPPPPPNP 输出端信号噪声比输出端信号噪声比输入端信号噪声比输入端信号噪声比 放大电路不仅把输入端

32、的噪声进行放大，而且放大电路放大电路不仅把输入端的噪声进行放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必然小于输入端本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必然小于输入端信噪比。信噪比。)dB( lg10lg10)dB(ninonosonisiFPAPPPPPNP 当当NF用分贝（用分贝（dB）表示时）表示时2. 放大电路的噪声指标放大电路的噪声指标噪声系数噪声系数*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路中的噪声因为因为当满足当满足 Ri=Ro 时，时，NF可表示为另一种形式：可表示为另一种形式： 一个无噪声放大电路的噪声系数是一个无噪声放大电路的噪声系数是0dB，一个低噪声放，一个低噪声放大电路的噪声系数应小于大电路的噪声系数应小于3dB。i2sisiRVP i2niniRVP o2sosoRVP o2nonoRVP )dB( lg10lg10)dB(ninonosonisiFPAPPPPPNP )dB( lg20lg20lg10lg10nosonisi2nosonisinosonisiFVVVVVVVVPPPPN 2. 放大电路的噪声指标放大电路的噪声指标噪声系数噪声系数*7.8.1 放大电路中的噪声放大电路