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1、模拟集成电路本讲稿第一页，共二十八页绪论绪论一一.集成电路（集成电路（Integrated Circuit简称简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。定电路功能的单元电路。二二.摩尔定律摩尔定律 未来未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）年）本讲稿第二页，共二十八页绪论绪论三三
2、.集成电路的特点集成电路的特点（同分立器件电路相比）：（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。采用直接耦合的形式。本讲稿第三
3、页，共二十八页绪论绪论2.两者的设计思想正好相反两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。器件所取代。本讲稿第四页，共二十八页 BJT电流源偏置电路1 1、基本电流源、基本电流源图中两只三极管制造工艺和结图中两只三极管制造工艺和结构完全相同，即任何时候均有
4、构完全相同，即任何时候均有UBE1=UBE2,所以所以本讲稿第五页，共二十八页 所以1基本电流源由于输出电流由于输出电流I IC2C2与输入电流与输入电流I I相等，即构成一镜像相等，即构成一镜像关系，所以也称基本电流源为镜像电流源。关系，所以也称基本电流源为镜像电流源。本讲稿第六页，共二十八页 因此因此1 基本电流源由基本电流源特性可知：当两管工作在放大区时，曲线并由基本电流源特性可知：当两管工作在放大区时，曲线并非水平，非水平，I IC2C2随着随着U UCE2CE2的增大而稍有增大，并不是固定的，这的增大而稍有增大，并不是固定的，这说明镜像电流源不是恒流源。说明镜像电流源不是恒流源。本讲
5、稿第七页，共二十八页 2 威尔逊（Wilson)电流源VTVT1 1和和VTVT2 2构成了基本电流源，构成了基本电流源，VTVT3 3是是为了改进其性能而引入的为了改进其性能而引入的本讲稿第八页，共二十八页 2 威尔逊（Wilson)电流源本讲稿第九页，共二十八页 2 威尔逊（Wilson)电流源当三只晶体管都工当三只晶体管都工作在放大区时，输作在放大区时，输出电流出电流I IC3C3与与U U3 3无关。无关。本讲稿第十页，共二十八页 3 微电流电流源要求的输出电流较小时，应采用微电流电流源。本讲稿第十一页，共二十八页 3 微电流电流源由图又有则则本讲稿第十二页，共二十八页 只要给定只要给
6、定和和，就可求出，就可求出。3 微电流电流源本讲稿第十三页，共二十八页6.1 6.1 差分放大器差分放大器6.1.1 6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析6.1.2 6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性6.1.3 6.1.3 举例举例6.1.4 6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂本讲稿第十四页，共二十八页6.1 差分放大器差分放大器 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？1.直流信号的放大直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号变化十分缓慢的信
7、号进行放进行放大。大。例如生物电的放大，或某些自动控制例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为于零）称为 直流信号直流信号。直流放大器直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。信号）。直流信号不同于直流电。直流信号不同于直流电。本讲稿第十五页，共二十八页 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？2.直流放大器面临的问题直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大
8、直流信号，耦合电容很难传送缓变信电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。号。直流放大器常常采用直流放大器常常采用直接耦合直接耦合方式。方式。两个问题：两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移）零点漂移本讲稿第十六页，共二十八页 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他各级调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。大器的设计
9、和调整带来很多不便。本讲稿第十七页，共二十八页 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？现象：输入现象：输入电压电压为零，输出端电为零，输出端电压压表指针偏表指针偏离离零点或起始值零点或起始值，出现忽大忽小的不规则摆动。，出现忽大忽小的不规则摆动。2）零点漂移）零点漂移定义：定义：输入输入电压电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使波动，使输出端产生缓慢变化的电压。输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零漂。零点漂移简称零漂。引起零漂的外界因素：引起零漂的外界因素：时间漂移：时间漂移：由
10、于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电 路设计无关。路设计无关。温度漂移：温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。电源电压变化引起的漂移：电源电压变化引起的漂移：当电源电压变化时，电路的直流电平配制当电源电压变化时，电路的直流电平配制 受到某种破坏而导致输出零点的变动。受到某种破坏而导致输出零点的变动。本讲稿第十八页，共二十八页 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？为什么是矛盾？为什么是矛盾？为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压
11、也加大。为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力 也减弱了。也减弱了。寻求新方法解决矛盾！寻求新方法解决矛盾！抵消抵消采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。引入特殊的负反馈引入特殊的负反馈对零点漂移有很强的负反馈，对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。对有用直流信号无负反馈。例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波
12、互相抵消了。偶次谐波互相抵消了。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。矛盾！矛盾！调制型直流放大器（框图）调制型直流放大器（框图）本讲稿第十九页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析一、一、基本型差分放大器基本型差分放大器1、电路工作原理电路工作原理 对称性结构抑制零漂对称性结构抑制零漂本讲稿第二十页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析一、一、基本型差分放大器基本型差分放大器对称性对称性当当Ui1=Ui2=0,Uc1=Uc2 Uo=Ui1=Ui2=0靠电路对称消除零漂！靠电路对称消除零漂
13、！当温度变化时当温度变化时本讲稿第二十一页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析1 1）差模输入信号：）差模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相反，把这样一对信号称为即两管输入信号大小相等、相位相反，把这样一对信号称为差模输入信号差模输入信号，记为，记为2 2）共模输入信号：）共模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相同，称为即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号共模输入信号，记为，记为零漂引起的就是共模信号，为有害信号。零漂引起的就是共模信号，为有害信号。本讲稿第二十二页，共二十八页6.1.1 差分放大器的
14、分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析问题：问题：差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般号，一般 ，即，非差模也非共模，该怎样分，即，非差模也非共模，该怎样分析析？解决方法：解决方法：对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对
15、任意数值输入信号作用下的性能指标。出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。3）对任意数值输入信号）对任意数值输入信号本讲稿第二十三页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析令令具体分解方法：具体分解方法：本讲稿第二十四页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析例子：例子：差模输入信号差模输入信号（任一端都不接（任一端都不接地）地）共模输入信号共模输入信号本讲稿第二十五页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3.输入、输出端电路形式输入
16、、输出端电路形式信号的输入方式：若信号加到两个输入端，称为信号的输入方式：若信号加到两个输入端，称为双端输入双端输入；若信号仅；若信号仅从一个输入端对地加入，称为从一个输入端对地加入，称为单端输入单端输入。本讲稿第二十六页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3.输入、输出端电路形式输入、输出端电路形式 差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1,另一个是集电极另一个是集电极C2。从从C1和和C2输出为输出为双端输出双端输出；仅从集电极；仅从集电极C1或或C2对地输出称为单端输对地输出称为单端输入。入。本讲稿第二十七页，共二十八页6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析 基于不同的应用场合，有基于不同的应用场合，有双、双、单端输入和单端输入和双、双、单端输出的情况。单端输出的情况。双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出3.输入、输出端电路形式输入、输出端电路形式本讲稿第二十八页，共二十八页