《模拟与数字电路 教学课件 ppt 作者 宁帆 张玉艳 第3章模拟集成电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟与数字电路 教学课件 ppt 作者 宁帆 张玉艳 第3章模拟集成电路（165页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章模拟集成电路,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
2、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
3、、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
4、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，
5、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2020k；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
6、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
7、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 IrIC1+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
8、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
9、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
10、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,
11、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uo1uo2，使差动放大器输出为零，即 uouo1-uo20 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
12、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
13、，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
14、) 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(10.05)=21211 双端输出时的共模放大倍数为 Ac=-120.05=-0.025 双端输出时的共模抑制比为 用分贝表示 KCMR(dB)=20lg8480=77dB,3.3.4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
15、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
16、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
