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1、1,6.1 集成增益器件 6.1.1 双极型集成增益器件 6.1.2 集成增益器件 6.1.3 集成运放的技术指标 6.2 集成与、或、非门的电路基础,第六章 集成器件基础,低频电子电路,2,集成器件： 是指基于同一硅基片材料，通过制造工艺流程在不同区域完成二极管、晶体管、场效应管、电阻和电容的功能区域，并经基片表面光沉积铝层和光刻工艺完成各区域的连接,构成具有电路功能的集成器件。 正因为如此，集成器件又称集成电路 (Integrated Circuit)。,第 6 章 集成器件基础,3,集成电路制造的特性,基于制造工艺流程的标准性，同一硅基片上相邻区域元器件的参数误差可以控制在较小范围内，即
2、可以在设计中采用对称的电路设计理念。 集成器件的电容可以采用PN结的结电容，也可以采用二氧化硅绝缘方式得到；电阻则采用掺入一定杂质得到。为了避免占用较大的基片区域，大电容 ( 200 pF ) 和几十欧至几十千欧以上的电阻，可以采用电极外接分立元件方式完成，这样可以实现较精确参数选择和较理想的线性特性。此外，集成工艺不易实现电感。,第 6 章 集成器件基础,4,集成电路自1958年以来的50年发展，已达到在单个基片上制作几千万个晶体管或场效应管的完整电子系统水平。与分立元件相比，具有体积小、重量轻、耗电少，由此制作的成品电路系统可靠性高、性能好，成本低。,第 6 章 集成器件基础,5,集成电路
3、按其处理的信号类型的不同，分为处理数字信号的数字集成电 路、处理模拟信号的模拟集成电路，以及模数混合集成电路三大类。 数字集成电路有与、或、非等数字逻辑电路，模拟集成电路有集成运算放大器（或集成增益器件）等，模数混合集成电路有各种模拟比较器和数模、模数转换器等。,第 6 章 集成器件基础,6,6.1 集成增益器件,集成增益器件，又称集成运算放大器，具体可分为双极型集成增益器件和MOS集成增益器件。 集成运算放大器具有高增益、高可靠性等优点。能作为通用增益器件，象晶体管一样，广泛运用于对模拟信号的运算处理和信号放大，以及比较判断等电路领域。,第 6 章 集成器件基础,7,从内部组成看，集成运放是
4、一个双输入的多级级联的直接耦合电路，其等效方框图如图6-1-1所示。,第 6 章 集成器件基础,8,它的典型输入级为各种改进型的差分放大电路；中间级（对CMOS集成电路可能没有该级放大）是由一到两级放大电路组成的高增益电路；输出级采用能适应输出负载需求的放大电路；偏置电路采用恒流源偏置电路。 此外，在组成电路中，还附有电平位移电路、保护输出级管子安全工作的过载保护电路，以及还可能附有自动恒温控制电路等其它提升电能性能的辅助电路。,第 6 章 集成器件基础,9,电压型集成运放（本章简称集成运放）的电路符号如图6-1-2(a)、(b)所示，其中(a)为国内常用符号，(b)为国外常用符号。图中电位、
5、分别与符号内的同相输入端“+”号和反相输入端“”的电位相对应，电位代表输出电极的响应电位；输入与输出的信号转移关系如图6-1-2(c)所示。,(a) (b) (c) (d),第 6 章 集成器件基础,10,从输入与输出的信号转移关系可以得出如下结论：该电路的总体特性与差分放大器的大信号特性(图4-3-4)类似，即该器件属于非线性器件。从电路运用分析角度看，特性可以用三条渐进线描述，如图6-1-2(d)所示,即,第 6 章 集成器件基础,11,通常将特性中原点附近的区域称为小信号放大区（也称线性区），可以完成输入差模信号的线性放大；在输出最大值或最小值时，则对应于管子内部的截止和饱和（晶体管）、
6、或截止和可变电阻（场效应管）的非放大状态，通常统称为增益器件的饱和区。 从电特性看，集成运放输入电阻大，从几十k 到几十M，而输出电阻较小，从几百到几十；在小信号放大区，它的增益可高达(60140dB)，即是一种较理想的增益器件。,第 6 章 集成器件基础,12,基于电路内部的直接耦合特点，集成运放也存在温漂问题。同时，在双直流电源的条件下，会通过内部设计，使输入信号端电位为零时，输出端电位也为零，即有利于在与其它集成运放连接时，不需要考虑它们之间的电平配置问题。但在单电源工作时，必须外加直流偏置电路。,第 6 章 集成器件基础,13,6.1.1 双极型集成增益器件,双极型集成增益器件是在很小
7、的硅片(例如1mm2)上，将成千上万个等效元器件连接成的电路整体，由于工艺上的原因，内部等效元器件具有如下特点： 元器件参数的绝对值不易控制，但对于多个对称元器件的参数则能做到较好的一致性。 限于工艺，内部单个等效 PNP 管的 1000以上的晶体管。,第 6 章 集成器件基础,14,为了简化工艺，二极管采用将晶体管的发射结或集电结短路方式实现，即管子制造只保留双极型晶体管的制造工艺。 为了避免占用较大的基片区域，交流电阻值大于几十k时，可考虑采用恒流源方式实现，或外接。 本节以双极型工艺制造的F007（也称，或LM741）集成运放为例，给出电压型集成放大单元的分析。 F007内部电路具体分为
8、四部分，即偏置电路、输入放大级、中间放大级和输出放大级。,第 6 章 集成器件基础,15,图6-1-3 F007集成运放内部等效电路,第 6 章 集成器件基础,16,17,图6-1-5 F007的偏置电路,第 6 章 集成器件基础,18,6.1.2 MOS集成增益器件,根据管子隔离的需要，以及MOS集成电路制造工艺水平的限制，其内部各MOS管的衬底不可能总具有相同的电位，即MOS管衬底不总是与相应的MOS管源极相连接。正因为如此，针对不同情况的放大单元电路，其电路结构也应有所不同，图6-1-6给出了常见的三种情况。图中，T1管为放大管，T2管为T1管的有源负载管。,第 6 章 集成器件基础,1
9、9,（a） （b） （c） （a）以地为衬底 （b）以地为衬底 （c）分别以最高和最低电位为衬底 图6-1-6 MOS集成内部单元放大器,第 6 章 集成器件基础,20,其中，(a)、(b)两图中管子的衬底均是与电路最低电位地相连接，因其两管子均为N沟道，即可以采用单一的N沟道MOS集成工艺制作技术完成，因此统称为NMOS放大单元电路。其中，(a)图两管均为增强型管子，也称为E/E放大器，(b)图因含增强和耗尽型两种管子，则称为E/D放大器。 通常将衬底电位不同的放大单元电路称为CMOS放大单元电路，典型电路如图6-1-6 (c)所示；该电路对应的集成制造工艺称为CMOS集成工艺（CMOS，C
10、omplementary MOS）。图6-1-7为图6-1-6 (c)的典型CMOS双管的结构示意图。,第 6 章 集成器件基础,21,图6-1-7 图6-1-6(c)的CMOS双管结构示意图,综上所述，无论NMOS或是CMOS放大电路，放大管和负载管的衬底都可能与管子的源极电位不一致，因此，我们在管子小信号等效电路中必需考虑衬底与源极电压差对导电沟道的影响。,第 6 章 集成器件基础,22,在集成电路的分析与设计中，除了考虑衬底带来的影响外，我们或应该充分重视各级间，以及各PN结间的电容在高频应用时带来的影响。由于过多涉及集成内部的制造和技术问题，这里就不在叙述。 图6-1-9给出了SJ14
11、573CMOS类程控集成放大器的原理图。 图中T6、T3和T8为偏置电路，分别为第一放大级和输出级提供工作电流IQ1,4和IQ8 。其中，T6和RRET电阻决定基础电流，即间接决定工作电流IQ1,4和IQ8的大小。,第 6 章 集成器件基础,23,第 6 章 集成器件基础,24,图中T1和T4为差分放大电路，T2和T5为动态电流镜，完成双端输出变单端输出的转换，较好保证了第一级的增益；电路的第二级放大由T7构成。 该电路具有较大的的放大能力，但也存在输出电阻大，带负载能力较差等特点。 图6-1-10给出了TLC2202CMOS集成放大器。,第 6 章 集成器件基础,25,图6-1-10 TLC
12、2202集成运放内部等效电路,第 6 章 集成器件基础,26,6.1.3 集成增益器件的技术指标,基于集成增益器件内部的差放和多级放大的直接耦合特点，集成增益器件的参数应包括直接耦合和差放电路的参数组成。 一般来说，在应用集成增益器件的电路设计中，正确理解和运用其特性参数，是评价和选择集成增益器件所必需的。但由于集成增益器件的参数名目很多，以及各生产厂家给出的参数的不同，我们只能就一些未提及的基础参数讲解如下。,第 6 章 集成器件基础,27,1、直流参数 直流参数包括输入失调电压VIO和输入失调电流IIO、输入失调的温度系数VIO/T(和IIO/T)(温漂)、输入偏置电流IIB 、电源电压抑
13、制比KSVR等。 其中，双极性晶体管作为输入级的集成增益器件，其输入失调电压在1mV10mV范围，输入直流偏流在10nA1A范围，输入失调电流与输入直流偏流大小直接相关；场效应管作为输入级的集成增益器件时，输入失调电压较大，输入直流偏流小于0.1nA。 一般说来，输入失调电压和电流、输入失调的温度系数、输入偏置电流均与温度有关，即这些指标大小应理解为在特定温度下的，若温度不同，则数值应有所变化。通常失调电压温漂系数在10V/oC。,第 6 章 集成器件基础,28,对于高精度、低温票集成增益器件，则失调、温漂均较小，如输入失调电压在0.1V20V范围，失调电压温漂系数在1V/oC。 电源电压抑制
14、比。在线性区工作时，将输入失调电压随电源电压改变的变化率定义为电源电压抑制比，即,或,（6-1-3）,一般来说，不同直流电源引起的是有差异的。,第 6 章 集成器件基础,29,2、信号参数 该类参数包含差模开环增益Ad、开环共模增益Ac、共模抑制比KCMR、开环带宽BW、差模输入阻抗Zid、共模输入阻抗Zic和输出阻抗Zo 、等效输入噪声电压；以及输出峰-峰电压值Vopp、最大差模输入电压VidM和最大共模输入电压VicM 。 等效输入噪声电压。特指在屏蔽良好、无输入时，集成增益器件输出端产生的任何交流无规则的干扰电压按差模增益换算到输入端的等效电压。通常其值在10V20V。,第 6 章 集成
15、器件基础,30,输出峰-峰电压值Vopp 。在特定的负载下，集成增益器件能输出的最大不失真电压幅度。一般来说，正负摆幅会有所不同。 最大差模输入电压VidM 。它指两输入端允许加入的最大电压差。 最大共模输入电压VicM 。它指在规定共模抑制比条件下，两输入端允许加入的最大共模输入电压。,第 6 章 集成器件基础,31,3、快速转换信号参数 转换速度 SR 、建立时间 ts 。该类参数强调的是电路反应时间，常用于开关应用领域，如开关电路、比较器应用等。 转换速度 SR。在特定的负载下，集成增益器件输入阶跃大信号时输出的最大变化率，如图6-1-11（a）所示。一般来说，集成增益器件的同相输入端和
16、反向输入端的转换速率存在差异，输出波形的前沿和后沿的转换速率也存在差异。通常其值在 1V/s，高速型集成增益器件转换速率会大于 10V/s。,第 6 章 集成器件基础,32,（a）转换速度含义 （b）建立时间含义 图6-1-11 快速转换信号参数,第 6 章 集成器件基础,33,我们必须指出：增益器件在使用时，应注意如下问题： （1）注意手册的指标是在一定条件下测量得出的，该测量条件并非是你的应用条件，因此手册的指标只具有参考意义。 （2）在实际中，器件的各种指标往往不能同时达到最优。如场效应管虽然有高的输入电阻和低的输入偏置电流，但电路的失调电压会较大。对于弱信号下的应用，则更应关注噪声系数、失调和温漂。 （3）在强冲击电压、电流环境下的应用时，应选用带过压、过流、过热等具有较强保护功能的增益集成器件。,第 6 章 集成器件基础,34,35,6.2 集成与非
