第3章模拟集成电路

第3章模拟集成电路3.1集成电路概述3.2恒流源电路3.3差动放大器3.4集成运算放大器3.5集成运放的应用本章主要介绍模拟集成电路的构成及应用，讨论恒流源及差动放大电路的工作原理以及在集成运放和模拟乘法器中的应用，重点分析集成运放和模拟乘法器组成、原理及以它们为基本部件组成的各种运算电路。学习要点

1.熟悉镜像电流源、比例电流源及微电流源电路，了解其工作原理。熟悉有源负载的特点。

2.了解零点漂移和温度漂移的概念。掌握差动放大器原理。会计算双端输入一双端输出及双端输入一单端输出时，差模增益、共模增益及共模抑制比。熟悉具有镜像电流源负载的差动放大器。

3.掌握集成运放的组成、分类，熟悉通用型集成运放的工作原理，了解集成运放的主要参数。

4.掌握理想运放的重要特性，熟悉同相及反相输入比例运算电路的结构、工作原理，掌握以集成运放为基本部件组成的各种运算电路的结构及工作原理。

5.本科生尚需熟悉带*号的内容。3.1集成电路概述1.什么是集成电路前面章节介绍的晶体管电路都是用电阻、电容、二极管、晶体管等电子元器件按一定的功能借助导线或印制电路板连接而成的。在这种晶体管电路中，由于组成电路的各种电子元器件在结构上是各自独立的，所以常把这种形式的电路称为分立式电路（或称为分立元件电路）。随着科学技术的不断发展，人们对电子电路的要求越来越高，往往要求电子设备体积小，重量轻，可靠性高。在20世纪60年代初期，人们就把有源器件晶体管、无源元件电阻、电容以及电路连接线等整个电路集成在一块硅片上，电路中的各个元件成为不可分割的固体块，这种电路称为集成电路。外型一般用金属圆壳或双列直插式结构。集成电路的出现，使电子技术发生了一次革命性的飞跃。它不但大大缩小了电子设备的体积，减轻了电子设备的重量，而且由于焊点减小，提高了电子设备的可靠性，此外还大量减少了电路的组装和调测工作。集成电路常誉为继电子管和晶体管之后的第三代电子器件。

30年来，由初期的小规模集成电路（每块硅片上有几十个元件），经后来的中规模（几百个元件）和大规模（几千个元件）电路，发展到今天的超大规模（十万个元件以上）电路，目前仍在高速发展中。集成电路将是今后电子线路的主要形式。集成电路按其制造工艺不同，可分为薄膜集成电路、厚膜集成电路、混合集成电路三大类；按其功能可分为数字集成电路（输入和输出只有高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路）和模拟集成电路（数字电路以外的集成电路）两大类；按有源器件的类型来分，则有双极型和单极性；按其集成度（一个集成电路中所包含的元器件数）可分为小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路等。2.集成电路的分类模拟集成电路按其功能可划分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数/模和模/数转换器、集成锁相环等若干类型。根据集成电路中晶体管是否工作在线性放大区，它又分为线性集成电路和非线性集成电路。（1）电路结构与元件参数具有对称性和一致性，温度稳定性高。（2）用有源器件代替无源器件，内部电路不宜太大，一般约为20Ω~20kΩ；制作较大的内部电容和电感十分困难，如果需要，只能采用外接方式。（3）采用复合结构的电路。3.模拟集成电路的特点（4）级间采用直接耦合方式。（5）电路中使用的二极管，大都采用晶体管的发射结构成。模拟集成电路的种类繁多，电路功能也千差万别，下面介绍构成模拟集成电路的几个基本单元电路。3.2恒流源电路3.2.1镜像电流源3.2.2比例电流源3.2.3微电流源3.2.4MOS电流源3.2.5有源负载恒流源(亦称电流源)被广泛地应用在模拟集成电路中，成了模拟集成电路的基本电路。所谓恒流源系指其输出电流是恒定的，它不随电源电压、温度及负载的变化而改变。通常在模拟集成电路中，用作偏置电路和有源负载。3.2.1镜像电流源在第2章中，作为负反馈的应用，曾介绍过恒流源电路。由分析得知，如果在简单的恒流源电路中引入电流负反馈，可以增大恒流源的等效电阻，进一步提高恒流源的性能。但是，增大射极电阻以加深负反馈，会使恒流管集—射间的电压动态范围减小。为此，在模拟集成电路中广泛使用如图3-2-1所示的镜像电流源电路。图3-2-1中，Io为输出电流；VT1是把晶体管的基极与集电极连接起来的二极管；流过电阻R的电流Ir为参考电流，它由两部分构成，一部分为VT1、VT2的基极电流，另一部分为VT1的集电极电流。由图3-2-1可知，有

Ir＝IC1+IB1+IB2(3-2-1)图3-2-1镜像电流源3.2.2比例电流源如果要求输出电流与参考电流不相等，可在镜像电流源中增加两个射极电阻R1和R2，改变R1与R2的比值就可改变Io与Ir的比例关系，因此称为比例电流源，电路如图3-2-2所示。由图可知，有图3-2-2比例电流源3.2.3微电流源图3-2-3微电流源可见，R及R2不大，均在集成工艺可实现的范围之内。微电流源的优点不仅如此，由于它功耗低，对温度和电源变化都不敏感，且又具有很高的输出电阻，所以在模拟集成电路中获得了广泛的应用。3.2.4MOS电流源

MOS电流源在形式上与晶体管电流源是相同的。由增强型NMOS构成的镜像电流源，如图3-2-4所示图3-2-4NMOS镜像电流源3.2.5有源负载在集成电路中，若用恒流源取代集电极负载电阻，便构成了有源负载放大器。包含有源器件的负载称为有源负载。有源负载共射放大器如图3-2-5所示。图3-2-5有源负载共射放大器有源负载射极跟随器如图3-2-6所示。图3-2-6有源负载射极跟随器3.3差动放大器3.3.1零点漂移3.3.2差动放大器的工作原理3.3.3小信号分析3.3.4具有恒流源偏置和有源负载的差动放大器3.3.5复合管放大器差动放大器又称差分放大器或差值放大器。它是一种重要的放大器组态，具有高对称性、高稳定性和高抗干扰能力，所以几乎所有的集成运算放大器，都用差动放大器作为输入级，成了模拟集成电路的基本单元。在集成电路中，放大器之间均采用直接耦合方式，这种方式带来的“电平移位”问题已经在第2章中进行了讨论，下面讨论它所带来的“零点漂移”问题。3.3.1零点漂移在直接耦合电路中，通常把没有输入信号时的输出端直流电压(即静态工作点电压)作为参考电压，称之为“零点”。当放大器的环境温度或电流电压发生变化时，晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使输入信号为零(输入端短路)时，放大器的输出电压也会出现缓慢的不规则变动，如图3-3-1所示，这种现象称为“零点漂移”。图3-3-1零点漂移产生零点漂移的原因很多，如温度的变化(包括环境温度的变化及晶体管工作时由于管耗引起结温的变化)，电源电压的波动以及电路元件参数变化等，都会引起放大器的零点漂移。其中又以温度变化使晶体管参数随之变化所引起的漂移最为严重。为了克服零点漂移，人们采取了各种措施，其中最有效的措施之一是采用差动放大器。3.3.2差动放大器的工作原理差动放大器的基本电路如图3-3-2所示。图3-3-2差动放大器的基本电路图3-3-3图3-3-2的直流通路2.动态分析1.静态分析当给图3-3-2所示电路输入共模信号时，若ui1使集电极电流ic1增加时，ui2也将使ic2增加，在电路完全对称情况下，它们的增量相等。因此uo1＝uo2，使差动放大器输出为零，即uo＝uo1-uo2＝0说明电路对共模信号有抑制作用。放大差模信号，抑制共模信号，是差动放大器的重要特性，也是这种放大器名称的由来。因为温度的变化，电源的波动以及外界的干扰对两个管子的作用是相同的，即都是以共模形式出现的，电路对这些不利因素，恰恰具有很强的抑制作用。所以差动放大器具有高稳定性、低漂移和抗干扰能力强等一系列优点。3.3.3小信号分析当信号足够小时，器件工作于线性区，则可把差动放大器看作是一个线性系统。当给图3-3-2所示电路输入差模信号时，由于电路完全对称，在两管中引起的电流增量必然大小相等而方向相反，使通过RE中的电流iE保持不变。可见，差动放大器的发射极虽然接有电阻，但在差模信号作用下，却没有负反馈，发射极连接点E相当交流接地。1.差模特性因此，差模输入时的交流简化电路如图3-3-4(a)所示。也可把电路分割成两个完全独立的部分，如图3-3-4(b)所示，这样，只要分析其中的一半，另一半的特性便可类推出来，通常称这种办法为“半电路”法。图3-3-4差模输入时的交流简化电路图3-3-4(b)所示的半边电路，如图3-3-4(c)所示，显然它是一个共射放大器。根据定义，差模电压放大倍数为当给图3-3-2所示电路输入共模信号时，其交流简化电路如图3-3-5(a)所示。断开后的电路就成了两个完全独立的部分，半边电路如图3-3-5(b)所示，显然它是一个具有负反馈的放大器，由第2章分析得知，其电压增益为(3-3-10)2.共模特性图3-3-5共模输入时的交流简化电路3.共模抑制比而单端输出时，根据式(3-3-6)和式(3-3-12)可求得共模抑制比为(3-3-16)

可见，RE越大，共模抑制比越高。因此，在模拟集成电路中多采用恒流源代替RE，如图3-3-6(a)所示，图3-3-6(b)是它的习惯画法。图3-3-6具有恒流源的差动放大器

(4)电路两边理想对称情况下，双端输出时的共模抑制比为无限大。

(5)电路两边不对称情况下，RC相差5%时，则差模放大倍数相差5%，单端输出时的共模抑制比为

212×(1±0.05)=212±11

双端输出时的共模放大倍数为

Ac=-12×0.05=-0.025

双端输出时的共模抑制比为

用分贝表示

KCMR(dB)=20lg8480=77dB3.3.4具有恒流源偏置和有源负载的差动放大器具有恒流源偏置和有源负载的差动放大器如图3-3-7所示。这种电路虽然是单端输出，却具有与双端输出同样的差模电压放大倍数和共模抑制比。因此，在集成电路中获得了广泛应用。设输入差模信号的瞬时极性如图3-3-7所示。图3-3-7具有镜像电流源负载的差动放大器当在两个输入端加上共模信号时，流过负载RL的电流ic2和ic4将是大小相等而方向相反的，起相互抵消作用，得到双端输出情况下相同的效果。3.3.5复合管放大器1.复合管构成为了提高整个电路的电压增益，电压放大器通常由复合管共射放大电路组成。复合管电路是集成运算放大器中常用的形式。图3-3-8所示为4种类型由两只晶体管构成的复合管连接图。图3-3-8复合管连接图图3-3-8（a）和图3-3-8（b）所示为两只具有相同导电类型的NPN和PNP管所组成，其复合后的管型不变。图3-3-8（c）和图3-3-8（d）所示为两对不同类型的晶体管构成的复合管。复合管的等效类型取决于第一只管（前管），输入与输出特性取决于后一只管（后管）。将图2-1-12（a）所示电路中的晶体管用复合管取代，可得到图3-3-9（a）所示的复合管共射放大器，图(b)是其交流等效电路。2.复合管共射放大器图3-3-9阻容耦合复合管共射放大器将式（3-3-18）和式（3-3-19）与式（2-1-15）和式（2-1-22）相比，电压放大倍数基本相当，而输入电阻却明显增大。表明复合管共射电路增大了电流放大能力。根据应用环境，由复合管也可以构成共集电极放大器、差动放大器等，对电路性能的分析可根据放大信号的大小采用微变等效电路法或图解法。3.4集成运算放大器3.4.1集成运放电路的组成3.4.2通用型集成运放3.4.3集成运放的主要参数3.4.4专用型集成运放集成运算放大器简称集成运放，是模拟集成电路中发展最快、品种最多、应用最广的一种。由于发展初期主要用在模拟计算机中进行数学运算，所以称为运算放大器。现代集成运放的应用，早已超出了“运算”的范围，在信号处理、信号测量及自动控制等方面，都得到了广泛应用。3.4.1集成运放电路的组成集成运放实质上是一个高增益的多级直接耦合放大器，通常由4个主要部分组成，如图3-4-1所示。图3-4-1集成运放的组成目前，集成运放常见的封装有两种，即金属封装和双列直插式塑料封装，其外表如图3-4-2所示。图3-4-2集成运放的两种封装图3-4-3集成运放的符号集成运放的符号如图3-4-3所示，图3-4-3(a)所示为习惯画法，图3-4-3(b)所示为国家标准符号。集成运放的种类很多，根据它们的性能、特点和用途，可大致分为通用型和专用型两大类。通用型的指标比较均衡全面，目前已臻理想。专用型是为适应某些特殊要求而设计的，它的指标一般有一项十分突出，如低功耗型、低漂移型、高精度型等，目前仍在发展之中。3.4.2通用型集成运放

F007是目前仍被各国广泛采用的通用型集成运放，其内部电路如图3-4-4所示。为了看清电路结构，便于说明问题，现将电路中的偏置电流源和有源负载分别用单独的电流源符号代替，得到F007的简化电路如图3-4-5所示。可见，F007的内部电路是由4部分组成的，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。图3-4-4F007的内部电路图3-4-5F007的简化电路3.4.3集成运放的主要参数集成运放的技术参数是衡量运算放大器性能的指标，也是电路设计者选用集成运放的依据。集成运放的参数很多，这里仅介绍其主要参数。这个使输出电压为零的外加差模输入电压值，称为输入失调电压，用Uio表示。1.输入失调电压Uio2.输入偏置电流IiB3.输入失调电流Iio它是指集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。4.最大差模输入电压UidM它是指共模抑制比由正常值下降6dB时，所加的共模输入电压值。5.最大共模输入电压UiCM集成运放在大幅度阶跃信号作用下，输出电压随时间的最大变化率称为转换速率，用SR表示。(3-4-3)转换速率的单位为V/μs。6.转换速率SR它是指开环差模电压增益下降3dB时，所对应的频率。7.开环带宽BW它是指运算放大器开环差模电压增益下降到0dB时，所对应的频率。除以上参数外，还有差模电压增益Ad、共模电压增益AC、共模抑制比KCMR、输入电阻、输出电阻等，这些重要参数的含义已经介绍过了，这里就不再重复了。8.单位增益带宽BWG3.4.4专用型集成运放1.高输入阻抗型这种类型的集成运放，要求开环差模输入电阻不小于109Ω，Uio不大于10mV。为实现这些指标，通常是在输入级上采取措施。

(1)输入级采用结型或MOS型场效应管，以获得很高的输入阻抗和极低的偏置电流。

(2)输入级采用超β管。

(3)输入级采用内给偏流电路，以提供一个精确等于输入管所需的偏流，使输入电流Ii1和Ii2均接近或等于零。这种类型的集成运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算和自动控制仪表中。要求ΔUio/ΔT＜2μV/℃、ΔIio/ΔT＜200pA/℃、Auo≥120dB、KCMR≥110dB。为实现这些指标，通常在电路结构上采取措施。2.低漂移型

(1)采用衬底自恒温式。

(2)采用补偿式。

(3)采用斩波稳零式。斩波稳零式集成运放也称自校零集成运放，其原理框图如图3-4-6所示。因此，时钟频率应选择得远比被放大的信号频率高。典型产品有HA2900、SN62088等。图3-4-6斩波稳零式集成运放示意图这种类型的集成运放，要求在电源电压±１5V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压(如1.5～4V)时，具有低的静态功耗和保持良好的技术指标(如Auo=80～１００dB)。低功耗型集成运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学、空间技术研究和移动通信的设备中。3.低功耗型这种类型的集成运放，要求转换速率SR＞30V/μs，目前最高可达700～1000V/μs，单位增益带宽BWG＞10MHz。一般用于快速A/D和D/A变换、高速采样—保持电路及锁相环等。除了以上几种专用型集成运放外，还有高压型、跨导型及可编程型等。表3-4-1列举了若干种集成运放的型号和参数。4.高速型表3-4-1几种集成运放的主要参数表3.5集成运放的应用3.5.1集成运放的理想化3.5.2基本放大电路3.5.3线性运算电路3.5.4非线性运算电路集成运放是模拟集成电路的组件，只要给集成运放外加合适的反馈网络和必要的辅助电路，就可组成各式各样的电路，以实现所希望的功能，如信号运算电路、信号处理电路、信号发生电路、信号变换电路等。3.5.1集成运放的理想化为了分析简便，通常把实际的集成运放理想化。所谓理想运放，概括起来就是：①开环电压增益Aud→∞；②开环输入电阻Ri→∞；③开环输出电阻R0→0；④共模抑制比KCMR→∞；⑤没有失调和温漂；⑥开环带宽BW→∞。因此，理想集成运放的输出端，可用电流和电压都由外部电路决定的理想电压源代替，这样便构成了理想集成运放的模型，如图3-5-1所示。图3-5-1理想集成运放的模型3.5.2基本放大电路集成运放用作放大运用时，为了工作稳定总是加有负反馈，而且在多数情况下是加电压负反馈。反相输入放大电路如图3-5-2所示。1.反相输入放大电路图3-5-2反相放大器

式中,负号表示输出电压与输入电压相位相反。上式还表明输出电压与输入电压之间的关系，仅与R1和Rf组成的反馈网络参数有关，而与集成运放自身无关。以上结果，也可用第2章中负反馈分析法获得。理想集成运放的开环输出电阻为零，闭环时自然仍为零。实际上即使R0≠0，但也很小，加之又是深度电压负反馈，故实际的闭环输出电阻是很小的。由以上分析可以看出，要提高反相放大器的输入电阻，就得增大R1。由式(3-5-6)可知，欲保持闭环增益不变，必须成比例的加大Rf。因此，当要求输入电阻较高，且比例系数也较大时，Rf的取值可能很高。例如，要求Ri=100kΩ，闭环增益｜Af｜=100，则Rf=｜Af｜·R1=100×１00×103=10MΩ

由于工艺上的原因，阻值高达10MΩ的电阻稳定性差。为了避免采用高阻值电阻，可用一个T型网络代替Rf，如图3-5-3所示。图3-5-3高输入a电阻的反相放大器2.同相输入放大电路图3-5-4同相放大器

Af为正值，表示输出电压与输入电压相位相同图3-5-5电压跟随器。上式还表明输出电压与输入电压之间的关系，仅与反馈网络的参数有关，而与集成运放的内部电路无关。图3-5-5电压跟随器3.5.3线性运算电路1.加法电路利用集成运放完成求和运算功能的电路称为加法电路，亦称加法器。

(1)反相比例加法器。反相比例加法器如图3-5-6所示。求和信号自反相端输入，由理想运放的重要特性可知，图中ii=0，所以有图3-5-6反相比例加法器

(2)同相比例加法器。同相比例加法器如图3-5-7所示。由式(3-5-10)可知图3-5-7同相比例加法器图3-5-8例题3-5-2用图图3-5-9例题3-5-3用图图3-5-10减法器2.减法电路利用集成运放完成相减运算功能的电路称为减法电路，亦称减法器，如图3-5-10所示。这个电路实际上就是集成运放工作于差动状态时的情况，信号分别从反相端和同相端输入。可见，当信号从两个输入端加入时，在满足条件的情况下，输出电压等于输入电压的代数和；反相输入的为负值，同相输入的为正值。需要指出，由于u+＝u-≠0，电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的运算精度。积分电路如图3-5-11所示。这里反馈元件为一电容C，信号自反相端输入。由理想集成运放的重要特性可知，图中ii＝0，所以有(3-5-29)

由于RP中没有信号电流通过，所以同相输入端相当地电位，即u+＝0。根据理想集成运放的重要特性有u-＝u+＝0，所以式(3-5-29)可写为3.积分电路有图3-5-11积分电路图3-5-12例题3-5-4用图由于微分和积分互为逆运算，因此只需把积分电路中的电阻与电容位置互换，便可得到微分电路，如图3-5-13所示。4.微分电路图3-5-13微分电路可见，输出电压与输入电压的微分成正比，故称为微分电路，亦称微分器。微分电路存在稳定性差、噪声大等缺点。由于积分与微分互为逆运算，因此在实际应用中凡是可用积分器代替的场合，一般都不用微分器。3.5.4非线性运算电路在集成运放的外部配以非线性元器件，以完成非线性运算的电路称为非线性运算电路。对数放大器如图3-5-14所示。1.对数放大器图3-5-14对数放大器可见，输出电压与输入电压的自然对数成正比，故称为对数放大器。上式还表明，由于UT和IES都对温度十分敏感，所以输出电压的温漂是严重的。为了克服温度的影响，可利用图3-5-15所示的电路来实现温度补