集成电路原理与应用第一章

1、集成电路原理及应用,电子工业出版社,谭博学 主编,考核方式,平时考核及作业。（10%） 课后实验。（10%） 期末考试形式：闭卷。（80%）,联系方式,任课教师： 杨 艳 答疑地点：10#电信教研室 答疑时间：每周五 第二大节 电邮：,参考教材,模拟集成电路原理与应用 王可恕 电子工业出版社,使用教材,集成电路原理及应用 （第3版） 谭博学主编 电子工业出版社,第1章 集成运放的基础知识,集成运放的基本组成电路,集成运放的基本构成和表示符号,集成运放的主要参数和分类,实际运放与理想运放的误差,运放电路的稳定性及其判断,集成运放的相位补偿技术,概 述,集成运算放大器实质上是一种高放大倍数、多级直

2、接耦合的放大电路。集成运放工作在放大区时，其输入与输出呈线性关系，所以又称线性集成电路。 集成运放的发展从技术性能角度，大致可分为几个阶段： 上世纪60年代初出现原始型 “单片集成”运放A702。 1965年出现了第一代集成运放，如A709。 1966年出现了第二代集成运放，如A741。 1972年出现了第三代集成运放，如AD508。 1973年出现了第四代集成运放，如HA2900。 目前，集成运放还在向低漂移、低功耗、高速度、高输入阻抗、高放大倍数和高输出功率等高指标的方向发展。,1.1 集成运放的基本组成电路,1.1.1 差动输入电路,1.1.2 恒流源电路,1.1.3 有源负载电路,1.

3、1.4 双端变单端电路,1.1.5 直流电平位移电路,1.1.6 互补推挽输出电路,图1-1-1 差动放大电路 的基本形式,由两个基极输入双入 由两个集电极输出双出 电路特点：对称 T1、T2特性完全相同 Rc1=Rc2=Rc集电极负载,差放的性能特点：,放大差模，抑制共模，能有效抑制零点漂移。,1. 差动放大电路的基本特性,1.1.1 差动输入电路,（1）输入差模信号,差模电压增益：, 双入、双出,接入负载时, 双入、单出,电压增益和输入电阻,单管共射放大器的源电压增益,图1-1-3 单管共射放大器的低频小信号等效电路,输入电阻：,单管共射放大器：,差模输入电阻：,跨导,双极型三极管的跨导

4、三极管输出电流变化量与对应的e-b结电压之比。 差动放大器的跨导 其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。,三极管射极电流与e-b结电压的关系式,差动放大器的跨导,可得差动放大器电压增益的近似式,roe为三极管开路时的输出电导的倒数,晶体管的跨导,室温情况下：,结论：放大器的电压增益与工作电流成正比。提高电压增益，就要提高三极管的工作电流。,Io1为差动放大器的恒流源电流,（2）输入共模信号,共模电压增益：,共模电压增益越小，放大电路的性能越好。,共模抑制比：,共模抑制比是差分放大器的一个重要指标。,2.差动放大器的输入失调及其漂移,(1)差动放大器的输入失调,输入失调电压：在实际的差

5、动放大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的直流补偿电压的大小。,失调的根本原因：电路的不对称性，暂且忽略电阻 Ro 的不对称性，往往分析导致失调的主要原因是晶体管参数的不对称性。,输入失调电压表达式：,返回,输入失调电流Ios ：差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入端所加偏置电流的差值。,引起Ios的原因：,晶体管的不对称，使基极注入电流产生偏差；,集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流将发生偏差。,输入失调电流表达式：,返回,（2）差分放大器的温度漂移,失调漂移：放大器的失调随着环境温度、电源电压等外界因素的变化而变化。失调的温漂必须在整个

6、温度范围内都小于精度要求。失调的温漂包括两个部分。,失调电压的温度漂移,对应1mV的Uos，室温时它的温度系数约3.3mV/。,失调电流的温度漂移,当工作温度大于25时，其值约-0.005/。 当工作温度小于25时，其值约-0.015/。,3.集成运放的输入级,集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。输入级的改进便成为各代集成运放的重要标志。,(1)普通差动放大电路,普通差放电路作为集成运放的输入级时，其优点是电路结构简单，容易匹配，因此输入失调电压小。它广泛用于早期产品和第一代集成运放中。,如国产的F001（5G922）、F004（5G23）以及国外的A709等。,输入阻抗低，约为50k

7、到300k； 失调电流，约为100nA； 最大差模输入电压低，不超过7V； 差模输入电压范围也较小，常为10V； 电压增益不高，约为30到100倍。,缺点：,(2) 共集共基差动放大器,图1-1-6 共集共基 差动放大器,由两级差动放大电路组成。,第1级由高的NPN管VT1、VT2接成共集组态差动放大电路，VT3、VT4为其发射极负载。,第2级由高反压的横向PNP管VT5、VT6接成共基组态差动放大电路。,用于第二代集成运放中。如：国产的F007、5G24、F741，国外的A741、AD741等。,(3) 超管差动放大电路,图1-1-7 超管差 动放大电路,用 =200010000超管作差动放

8、大电路，使差动输入级的基极偏置电流减小一个数量级，这是集成运放在低漂移性能上重大突破。,第三代集成运放主要特点是采用了超 管的差动输入级。 如：国产的4E325； 国外的AD508L。,(4) 场效应管差动放大电路,图1-1-8 场效应管差 动放大电路,因场效应管的栅极电流比三极管的基极电流小三、四个数量级，因此在需要高输入阻抗和低偏置电流等的情况下，常采用场效应管作差动输入级。,输入阻抗高达1012。,例如：国外的A740等。,缺点：输入失调电压较大。,1.1.2 恒流源电路,在集成运放中，作为各级电路的恒流偏置和有源负载。,1. 镜像恒流源基本电路,图1-1-9 镜像恒流源 的基本电路,V

9、T1、VT2是匹配对管,即,足够大时有,Io Ir，所以称为电流镜电路。,2. 改进型镜像恒流源电路,图1-1-10 减小对Io影响的恒流源,输出电流为：,13,(1) 减小对Io影响的恒流源,与基本电路相比，此处 的变化对Io的影响要小得多。,（2）Io与Ir不同比例的恒流源,图1-1-11 Io与Ir不同 比例的恒流源,即,当VT1、VT2中电流是同数量级时，其UBE可认为近似相等，故有（假设三极管的足够大）：,调节R1、R2的比值，可获得不同的Io输出。,3. 多路输出的恒流源,图1-1-12 多路输出的恒流源,当VT1、VT2、VTn等各三极管完全 对称时，输出电流I1、In等各电流近

10、似相等。,1.1.3 有源负载电路,1. 有源集电极负载电路,图1-1-13 有源集电极 负载放大器,单管共发射极放大器 电压增益表达式为,利用三极管恒流源来 代替集电极负载电阻。,2. 有源负载差动放大电路,图1-1-14 有源负载 差动放大器,VT3、VT4组成镜像恒流源。,它们的集电极电位均可以浮动，所以Ic3、Ic4均可变化，但始终保持相等。,常由VT4集电极输出，rCE4作为差动放大器的负载，由于rCE4很高，所以差动放大器增益也很高。,1.1.4 双端变单端电路,图1-1-15 双端变单端电路,集成运放是一个双端输入、单端输出的器件，所以它的内部电路必需有一个由差动放大双端输入转换

11、为单端输出的过程。,图示电路的功能是将差动放大级的双端输入信号ui1、ui2转换为单端输出uo ，采用恒流源负载提高电路的增益。,1.1.5 直流电平位移电路,图1-1-16 恒流源电平位移电路,1. 采用恒流源完成电平位移,由于恒流源的直流内阻Ro很小，交流内阻ro很大，当R1 Ro和R1 ro时，,输出端的直流电平U2比输入端的直流电平U1降低很多，即U2 U1。 而输出端的交流电压u2只比输入端的交流电压u1减小很少，即u2 u1。 所以，满足了在不损失交流电压的情况下，降低了直流电平。,2. 利用PNP管完成电平位移,图1-1-17 用PNP管完成 电平位移的电路,因PNP管组成共射放

12、大电路时，为使三极管工作在放大区，集电极电平必须低于基极电平。,所以，在NPN管多级直流放大电路中，插入一级PNP管共射放大电路，可完成直流电平位移，并具有一定放大功能。,1.1.6 互补推挽输出电路,对集成运放输出级的要求是： 具有很低的输出电阻和较高的输入电阻； 具有一定的输出功率； 具有尽可能高的效率； 具有过流和过压保护措施等。,1. 互补推挽输出电路,图1-1-18 基本互补 推挽输出电路,VT2、VT3组成互补射随器电路，Io为VT1的有源集电极负载。,优点：效率高，管耗小，有利于降低结温，延长管子寿命，减小散热器体积。,缺点：在输出信号uo的 波形中带有交越失真。,2. 克服交越

13、失真的互补推挽输出电路,图1-1-19 克服交越失真的互补推挽输出电路,VT4、R1、R2组成固定恒压偏置电路(称VBE扩大电路)，为VT2、VT3基极提供固定偏压，克服了交越失真。,3. 具有过载保护的互补推挽输出电路,图1-1-20 具有过载保护的互补推挽输出电路,由Re2、Re3、 VD1、VD2 组成限流型 保护电路。,1.2 集成运放的基本构成和表示符号,1.2.1 集成运放的基本构成,1.2.2 通用型集成运放内部电路简介,1.2.3 集成运放的表示符号及其引出端,1.2.1 集成运放的基本构成,图1-2-1 集成运放内部电路方框图,1. 输入级,作用是提供与输出电压同相和反相关系

14、的两个输入端，并尽量具有低的零点漂移和高的共模抑制比，由差动放大器组成。常采用超管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。 为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。 输入级的保护电路也是不可缺少的。,2. 中间级,它的作用是提供较高的电压放大倍数，为输出级提供必需的激励电压，它是主要的增益级，是一级及一级以上的放大器。它还具有缓冲作用及电平位移的职能。,3. 输出级,4. 偏置电路,作用是它外接正、负电源，内供各放大环节所需的静态偏置电流或偏压。,作用是提高整个放大器输出端的负载能力。 输出级应输出以零电平为中心、有一定大小电流正负电压，

15、并能与中间电压放大级和负载进行匹配，所以常采用各种形式的互补推挽输出放大电路。 输出级设有保护电路，以保护输出级不致损坏。 有些集成运放中还设有过热保护等。,1.2.2 通用型集成运放内部电路简介,1.典型集成运放电路741,(2)通用型741型集成运放的性能特点,有很宽的输入共模电压范围，不会在使用中出现“阻塞”，在积分电路、求和电路以及通常的反馈放大电路中使用都不需要补偿电容。,采用频率内补偿； 具有短路保护功能； 具有失调电压调整能力； 具有很高的输入差模电压和共模电压范围； 无阻塞现象； 功耗较低，电源电压适应范围较宽。,2. 14573CMOS程控四运放简介,(1)14573集成运放

16、的简化电路,输入级由差分电路组成,偏置电路,输出级,(2)14573CMOS程控四运放的性能特点,输入电阻大； 差模输入电压范围大，一般为0.5VDD+0.5V； 电源电压范围大，可以单电源供电(3.015V)，也可以双电源供电(1.5V7.5V)， 且正负电源可以不对称； 具有良好的匹配和温度跟踪特性； 电流源电路可以由外部程控； 当恒流源有电流时，电路进入工作状态， 改变偏置电流，可以改变运放参数， 没有偏置时便处于截止状态。,1.2.3 集成运放的表示符号及其引出端,1. 集成运放的封装形式及管脚排列,主要有两类：双列直插封装和金属圆帽封装。,图1-2-4 双列直插封装引脚 排列图(顶视

17、图),图1-2-5 金属圆帽封装引脚 排列图(底视图),2. 集成运放的表示符号及引出端,(1) 集成运放的表示符号,(2) 集成运放的引出端,有五类引出端，分别是：,两个输入端、一个输出端、电源端、调零端、相位补偿端。,1.3 集成运放的主要参数和分类,1.3.1 集成运放的主要直流参数,1.3.2 集成运放的主要交流参数,1.3.3 集成运放的分类,1.3.1 集成运放的主要直流参数,1. 输入失调电压Uos,为了使集成运放在零输入时达到零输出，需在其输入端加一个直流补偿电压，这个直流补偿电压的大小即为输入失调电压。 输入失调电压一般是mV数量级。 采用双极型三极管作为输入级的运放，其Uo

18、s约为110mV； 输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。,2. 输入偏置电流IB,输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。,双极型三极管输入：IB约为10nA1A左右； 场效应管输入： IB一般小于1nA。,3. 输入失调电流Ios,当集成运放的输入电压为零，输出电压也为零时，两个输入偏置电流的差值，称为输入失调电流。,即,一般来说，偏置电流越大，其输入失调电流也越大。,输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。,4. 差模开环直流电压增益Aud,集成运放工作于线性区

19、时，差模电压输入后，其输出电压变化Uo与差模输入电压变化Uid的比值，称为差模开环电压增益，即：,或,理想运放： Aud = 一般运放： Aud 40dB,5. 共模拟制比CMRR,集成运放工作于线性区时，其差模电压增益Aud与共模电压增益Auc之比称为共模抑制比，即,或,理想运放：CMRR= 一般运放：CMRR80dB,6.最大差模输入电压UidM,集成运放两输入端所允许加的最大电压差。 当差模输入电压超过此电压值时，集成运放输入级的三极管将被反向击穿，甚至损坏。,1.3.2 集成运放的主要交流参数,1. 开环带宽BW 集成运放的开环电压增益下降3db(或是相当于运放的直流增益的0.707)

20、所对应的信号频率。,2. 单位增益带宽GW,集成运放在闭环增益为1倍状态下，当用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0.707倍时频率。,当集成运放的频率具有单极点响应时，其单位增益带宽可表示为输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积。 GW=Aud f,3. 转换速率(或电压摆率)SR,转换速率SR的定义,定义：运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。 转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标. 一般运放转换速率：SR10V/s 高速运放最高转换速率SR达到 6000V/s。,4. 全功率带宽BWP,在额定负载条件下，集成运放闭环增

21、益为 1 倍时，当输入正弦大信号后，使集成运放输出电压幅度达到最大（在一定的失真条件下）的信号频率，即为功率带宽。 可用下述近似公式估计SR与BWP之间的关系：,全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。,Uop：集成运放输出的峰值电压,5. 建立时间tS,集成运放闭环增益为1倍时，在一定的负载条件下当输入阶跃大信号后，集成运放输出电压达到某一特定值的范围时所需的时间称为建立时间。 由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。,1.3.3 集成运放的分类,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指

22、标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,高输入阻抗型 2.低漂移高精度型（OP27） 3.高速型和宽频带型 高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。 4.低功耗型 要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。 5.大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，

23、输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,1.4 集成运放的等效模型,集成运放的实际等效模型主要用于分析集成运放的实际等效参数，也用于分析和计算实际集成运放的非理想特性和带来的误差。,1.4.1 集成运放的实际等效模型,图1-4-1 集成运放的等效模型,Uos 输入失调电压，可加在运放同相端， 也可加在反端；,eN 等效输入噪声电压；,iN 等效输入噪声电流；,IB+、IB分别是输入偏流；,Zic共模输入阻抗；,Zd 差模输入阻抗，它是差模输入电阻Rd和差模输入电容Cd的并联阻抗；,Zo 输出阻抗，它是共模输

24、出电阻RcM和共模输出电容CcM的并联阻抗，通常只考虑输出电阻；,Eod经差模放大的输出电压；,EocM由共模引起的输出电压；,通常在频率不是很高时，差模输入阻抗和共模输入阻抗可以忽略容抗的影响。,差模输入电压为,经差模放大的输出电压为,当输入电压为直流电压时,共模电压引起的输出电压,1.4.2 理想集成运放的等效模型,差模电压增益为无限大，即Aud = 。 输入电阻为无限大，即Rid = 。 输出电阻为零，即ro = 0。 共模抑制比为无限大，即CMRR = 。 转换速率为无限大，即SR = 。 具有无限宽的频带。 失调电压、失调电流及其它们的温漂均为零。 干扰和噪声均为零。,1.理想集成运

25、放的基本条件,2.理想集成运放的两个重要特性,或,理想集成运放有两个重要特性：虚短和虚断。 (1)虚短 两输入端的电位相等 u+= u 由于集成运放的输出电压为有限值，而理想集成运放的Auo = ，则,(2)虚断,即集成运放两输入端的输入电流为零 i+= i,由于集成运放的输入电阻为无穷大，因而流入两个输入端的电流为零，即,3. 集成运放的理想等效模型,图1-4-2 理想运放等效模型,由集成运放的理想条件和两个重要特性，可得到集成运放的理想等效模型。,1.5 实际运放与理想运放的误差,实际集成运放不能达到“理想条件”，只能趋近于这些“理想”条件。实际运放和理想运放总存在偏差。,1.5.1 Ad

26、为有限值时实际运放和理想运放的误差,当Ad为有限值，其它条件均为理想条件时，集成运放的输出电压为,实际运放和理想运放存在误差，“虚地点”要移动。,图1-5-1 考虑Ad影响后 的实际运放模型,图中,整理得,实际运放的虚地点不在M点，而是移动到Q点。,1.5.2 Ac为有限值时实际运放和理想运放的误差,代入上式得,将,当Ad为有限值、Ac不为零时，集成运放输出电压为,令,则,图1-5-2 考虑Ad、Ac影响 的实际运放模型,求虚地点的位置,得,虚地点不在M点和N点，而是移动到了P点。,1.5.3 Uos不为零时实际运放和理想运放的误差,如果再假定Ad为无穷大，则有,当Uos不为零、同时考虑Ad为有限值时，集成运放的输出电压为,当同时考虑Ad为有限值、Ac不为零、Uos不为零时，实际运放的等效电路如图所示。,考虑Ad、Ac、Uos影响后的实际运放模型,1.6 运放电路的稳定性及其判断,由于运放电路是一个多极点高增益放大器，且一般都工作在闭环状态，所以在实际应用中有时会出现自激振荡，而使运放电路不能正常工作。,自激振荡现象 在不加任何