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6 模拟集成电路 6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.2 差分式放大电路 6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器
6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.2 差分式放大电路 6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器 6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响
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学习指导 引言：在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。 其体积小，而性能却很好。集成电路按其功能来分，有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。本章首先讨论组成集成运放的基本单元电路，接着介绍典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数，最后简介几种专用型集成运放。 课内学时：
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学习目标 1.了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。
2.正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及零漂指标的定义方法。 3.熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。 4.熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。 5.熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。 6.了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。 7.了解集成运放主要参数的定义，以及他们对运放性能的影响。
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6.0 集成电路的类型和特点 集成电路的主要类型 集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块基片上－－固体组件
6.0 集成电路的类型和特点 集成电路的主要类型 集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块基片上－－固体组件 逻辑门、逻辑功能模块、存储器、PLD 数字集成电路 数模和模数接口 基本分类 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 线性放大器：运放、功放 模拟集成电路 稳压器 通信集成电路 可编程模拟电路
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主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、电平移动、温度补偿等
模拟集成电路的主要特点 产品特点 应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等 产品复杂多样：通用与专用 电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列 技术特点 元件一致性好，相对精度高 大量应用有源器件取代电阻 电路各级一般不用电容而直接耦合 主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、电平移动、温度补偿等 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角
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6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.1.1 BJT电流源电路 6.1.2 FET电流源 1. 镜像电流源 3. 高输出阻抗电流源
6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 BJT电流源电路 1. 镜像电流源 3. 高输出阻抗电流源 2. 微电流源 4. 组合电流源 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 2. MOSFET多路电流源 3. JFET电流源
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6.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源 T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2
当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略 代表符号 Io＝IC2≈IREF＝
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BJT电流源电路 1. 镜像电流源 动态电阻 一般ro在几百千欧以上
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6.1.1 BJT电流源电路 2. 微电流源 由于 很小， ro≈rce2（1＋ ） 所以IC2也很小。
（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）
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BJT电流源电路 3. 高输出阻抗电流源 A1和A3分别是T1和T3的相对结面积 动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高
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6.1.1 BJT电流源电路 4. 组合电流源 T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF T1和T2、T4和T5构成镜像电流源
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FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 当器件具有不同的宽长比时 （=0） ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流
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6.1.2 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 用T3代替R，T1~T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为
常用的镜像电流源
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FET电流源 2. MOSFET多路电流源
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FET电流源 3. JFET电流源 (a) 电路 (b) 输出特性 end
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6.2 差分式放大电路 差分式放大电路的一般结构 射极耦合差分式放大电路 源极耦合差分式放大电路
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差分式放大电路的一般结构 1. 用三端器件组成的差分式放大电路
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6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 差模信号 共模信号 差模电压增益 总输出电压 共模电压增益 其中
差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 差模信号 共模信号 差模电压增益 总输出电压 共模电压增益 其中 ——差模信号产生的输出 共模抑制比 ——共模信号产生的输出 反映抑制零漂能力的指标
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6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 根据 有 两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。
差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 根据 有 两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。 共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分
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射极耦合差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理
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射极耦合差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理 静态
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1. 电路组成及工作原理 动态 仅输入差模信号， 大小相等，相位相反。 大小相等， 相位相反。 信号被放大。
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2. 抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的， 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。
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2. 抑制零点漂移原理 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
2. 抑制零点漂移原理 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
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3. 主要指标计算 （1）差模情况 <A> 双入、双出 以双倍的元器件换取抑制零漂的能力 接入负载时
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3. 主要指标计算 （1）差模情况 <B> 双入、单出 接入负载时
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3. 主要指标计算 （1）差模情况 <C> 单端输入 等效于双端输入 指标计算与双端输入相同。
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3. 主要指标计算 （2）共模情况 <A> 双端输出 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。 所以 共模增益
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3. 主要指标计算 （2）共模情况 <B> 单端输出 抑制零漂能力增强
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（3）共模抑制比 （4）频率响应 双端输出，理想情况 单端输出 抑制零漂能力 越强 单端输出时的总输出电压
高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。
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例 求: (4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益. 解： (1)静态
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(2)电压增益
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(3) 差分电路的共模增益 共模输入电压 不计共模输出电压时
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(4)
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4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 静态 IE6 IREF IO ＝ IE5
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4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 差模电压增益 （负载开路） 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益
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4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 差模输入电阻 Rid＝2rbe 输出电阻
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4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 共模输入电阻 Ric＝rbe＋2(1＋β)ro5
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源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路
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源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 双端输出差模电压增益 而: 所以：
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6.2.3 源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 单端输出差模电压增益 vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4)
源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 单端输出差模电压增益 vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4) (ro2// ro4) ＝ gm(ro2 // ro4 ) ＝gm vid（ro2 // ro4） 与双端输出相同 end
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6.3 差分式放大电路的传输特性 根据 iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2
6.3 差分式放大电路的传输特性 根据 iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1＝VCC－iC1Rc1 vO2＝VCC－iC2Rc2 可得传输特性曲线 vO1，vO2＝f（vid）
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vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线 end
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6.4 集成电路运算放大器 集成电路运算放大器CMOS MC14573 集成运算放大器741
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CMOS MC14573 集成电路运算放大器 1. 电路结构和工作原理
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2. 电路技术指标的分析计算 (1)直流分析 已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。
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2. 电路技术指标的分析计算 (2)小信号分析 设 gm1 = gm2 = gm 则 输入级电压增益
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2. 电路技术指标的分析计算 (2)小信号分析 第二级电压增益 Av2= vo/ v gs7 =－gm7(rds7//rds8) 总电压增益
Av = Av1·Av2 将参数代入计算得 Av = （ 92.2 dB ）
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集成运算放大器741 原理电路
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集成运算放大器741 简化电路 end
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6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响
6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响 实际集成运放的主要参数 集成运放应用中的实际问题
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6.5.1 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） 1. 输入失调电压VIO 2. 输入偏置电流IIB
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） 1. 输入失调电压VIO 在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。 2. 输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB＝（IBN＋IBP）/2 BJT为10 nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。
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6.5.1 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） 3. 输入失调电流IIO 4. 温度漂移
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） 3. 输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当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IIO＝|IBP－IBN| 一般约为1 nA～0.1A。 4. 温度漂移 （1）输入失调电压温漂VIO / T （2）输入失调电流温漂IIO / T
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6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH)
实际集成运放的主要参数 差模特性 1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 741型运放AvO的频率响应 开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT)
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6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro 3. 最大差模输入电压Vidmax
实际集成运放的主要参数 差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω 超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA 一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。 3. 最大差模输入电压Vidmax
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6.5.1 实际集成运放的主要参数 共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 2. 最大共模输入电压Vicmax
实际集成运放的主要参数 共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放可达140dB，ric≥100MΩ。 2. 最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达± 13V。
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6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 1. 转换速率SR
实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 1. 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，输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为vi＝Vimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom
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6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即
实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。
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实际集成运放的主要参数 电源特性 1. 电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV
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集成运放应用中的实际问题 1. 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。至于专用型运放，虽然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，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。
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集成运放应用中的实际问题 2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路
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解得误差电压 当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时 引起的误差仍存在 当电路为积分运算时， 即 换成电容C，则 时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。
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集成运放应用中的实际问题 3. 调零补偿 （a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路 end
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