1、第第5章章 模擬集成放大電路基礎模擬集成放大電路基礎一、集成電路工藝簡介一、集成電路工藝簡介 以制造以制造NPN管的工藝流程為例管的工藝流程為例 氧化氧化 光刻光刻 隱埋層擴散隱埋層擴散 外延和氧化外延和氧化 隔離擴散隔離擴散選擇隔離槽選擇隔離槽P型硅片型硅片5.1 集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述集成電路的封裝集成電路的封裝(b)圓殼式圓殼式(a)雙列直插式雙列直插式二、集成化元器件特點4. 集成電路中寄生參量的存在會引起元件間的寄生耦合，影集成電路中寄生參量的存在會引起元件間的寄生耦合，影響電路穩定，使電路產生寄生振蕩。響電路穩定，使電路產生寄生振蕩。1.集成電路工藝不能制作集成電

2、路工藝不能制作電感電感，超過，超過100pF的大電容因占用面的大電容因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用積大也不易制作，故集成電路中不采用阻容耦合阻容耦合，而采用而采用直直接耦合。接耦合。2. 集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電阻阻，盡量用盡量用晶體管晶體管代替電阻、電容。代替電阻、電容。3. 單個元件的精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰單個元件的精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對稱性好，故大量采元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對稱性好，故大量采用用差放電路差放電路及增益取

3、決于電阻比值的及增益取決于電阻比值的負反饋放大器負反饋放大器。三、集成電路的基本結構輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級偏置偏置電路電路組成：組成：運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它的組成框圖如圖所示。高增益放大器，它的組成框圖如圖所示。運放組成運放組成差放差放輸入級輸入級中間中間放大級放大級低阻低阻輸出級輸出級恒流源恒流源偏置偏置U+U-Uo四、模擬集成運放的典型電路運放舊符號運放舊符號運放國標符號運放國標符號1.輸入級輸入級:高性能的差動放大電高性能的差動放大電路。運放有兩個輸入端，一個路。運放有兩個輸入端，一個稱為稱為

4、同相輸入端同相輸入端，即輸出與該即輸出與該端輸入信號相位相同，用符號端輸入信號相位相同，用符號U 表示；另一個稱為表示；另一個稱為反相輸反相輸入端入端，即輸出與該端輸入信號即輸出與該端輸入信號相位相反，用符號相位相反，用符號U表示。表示。 4.恒流源偏置：恒流源偏置：可提供穩定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電可提供穩定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩定工作點。流，以穩定工作點。 3.低阻輸出級：低阻輸出級：由由PNP和和NPN兩種極性的三極管或復合管組兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。功

5、率放大器。2.中間放大級：中間放大級：提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。多為差動電路和帶有源負載的高增益放大器。多為差動電路和帶有源負載的高增益放大器。差放差放輸入級輸入級中間中間放大級放大級低阻低阻輸出級輸出級恒流源恒流源偏置偏置U-U+運放組成運放組成 F007 的電路原理圖 +UCC -UCC T3 _ + Ui T1 T2 T4 T9 T8 T7 T6 R1 T5 R2 R3 1k 1k RW R4 T11 T10 R5 39k T13 T12 3k 50k T16 T17 T15 T14 C 30pFR7 4.5k R8 7.5k T19

6、 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 輸出級 中間級 偏置電路 輸入級 外接調零電位器 集成運放集成運放F007的的電路原理電路原理直接耦合放大電路中的零點漂移問題直接耦合放大電路中的零點漂移問題1）何謂零點漂移？）何謂零點漂移？當輸入信號為零時，輸出信號不為零。當輸入信號為零時，輸出信號不為零。2）產生零點漂移的原因）產生零點漂移的原因3）零點漂移的嚴重性及其抑制方法）零點漂移的嚴重性及其抑制方法電阻，管子參數的變化，電源電壓的波動。如果采用高精電阻，管子參數的變化，電源電壓的波動。如果采用高精度電阻并經經過老化處理和采度電阻并經經過老化處理和采 用高穩定度的電源，則晶用高穩

7、定度的電源，則晶體管參數隨溫度的變化將成為產生零點漂移的主要原因。體管參數隨溫度的變化將成為產生零點漂移的主要原因。如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就無法正確地將兩者加以區分。因此，為了使放大電路能無法正確地將兩者加以區分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點漂移。正常工作，必須有效地抑制零點漂移。5.3 差分放大電路注意：為什么只對直接耦合多級放大電路提出注意：為什么只對直接耦合多級放大電路提出這一問題呢？原來溫度的變化和零點漂移都是這一問題呢？原來溫度的變化和零點漂移都是隨時間緩慢變化的，如果放大電路各級之間采隨時

8、間緩慢變化的，如果放大電路各級之間采用阻容耦合，這種緩慢變化的信號不會逐級傳用阻容耦合，這種緩慢變化的信號不會逐級傳遞和放大，問題不會很嚴重。但是，對直接耦遞和放大，問題不會很嚴重。但是，對直接耦合多級放大電路來說，輸入級的零點漂移會逐合多級放大電路來說，輸入級的零點漂移會逐級放大，在輸出端造成嚴重的影響。特別時當級放大，在輸出端造成嚴重的影響。特別時當溫度變化較大，放大電路級數多時，造成的影溫度變化較大，放大電路級數多時，造成的影響尤為嚴重。響尤為嚴重。（一）差分放大電路的（一）差分放大電路的組成：組成： 由對稱的兩個基本放大由對稱的兩個基本放大電路通過射極公共電阻電路通過射極公共電阻R R

9、eeee耦合構成耦合構成。一、差分放大電路的工作原理：一、差分放大電路的工作原理：Rb1= Rb2 = Rb, Rc1= Rc2 = Rc, 1= 2 = , hie1= hie2 = hie, IbQ1= IbQ2, IcQ1= IcQ2, Ube1= Ube2, Uc1= Uc2,靜態參數一致：靜態參數一致：雙端輸出時：靜態輸出為雙端輸出時：靜態輸出為 0（抑制零點漂移）（抑制零點漂移）抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 靜態時，輸入信號為零，靜態時，輸入信號為零，即將輸入端短接。由于兩管特即將輸入端短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外性相同，所以當溫度或其他外界條件發生變化時，兩

10、管的集界條件發生變化時，兩管的集電極電流電極電流ICQ1和和ICQ2的變化規的變化規律始終相同，結果使兩管的集律始終相同，結果使兩管的集電極電位電極電位UCQ1、UCQ2始終相等，始終相等，從而使從而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因，因此消除了零點漂移。此消除了零點漂移。雙端輸入：雙端輸入：輸入信號接在兩個輸入端間。輸入信號接在兩個輸入端間。單端輸入：單端輸入：輸入信號接在一個輸入端與地間，另一端接地。輸入信號接在一個輸入端與地間，另一端接地。雙端輸出（平衡輸出）：雙端輸出（平衡輸出）：輸出取自兩個集電極之間。輸出取自兩個集電極之間。單端輸出（不平衡輸出）：單端輸出（不平衡輸出）：輸出取自一

11、個集電極與地間。輸出取自一個集電極與地間。信號輸入方式信號輸入方式差放輸出方式差放輸出方式雙端輸入雙端輸出差放 差模信號：差模信號：是指在差放兩個輸入端接入是指在差放兩個輸入端接入兩個幅度相等、極性兩個幅度相等、極性 相反的信號，相反的信號，記為，記為，U Uid1 id1 、U Uid2 id2 U Uid1 id1 = - U= - Uid2 id2 = U= Uid id （二）對差模信號的放大作用（二）對差模信號的放大作用雙端輸入雙端輸出差放雙端輸入雙端輸出差放Ie1Ie2當輸入差模信號時：（動態）當輸入差模信號時：（動態）由于電路的對稱性有：由于電路的對稱性有：據此，可畫出差放在差模

12、輸入情況下的交流等效電路（如圖）據此，可畫出差放在差模輸入情況下的交流等效電路（如圖）故故RL的中點呈地電位，即等的中點呈地電位，即等效為每管外接負載為效為每管外接負載為RL/2。 又因為：又因為：Uc1= -Uc2Ie1= -Ie2 ；故故 URe=0（交流接地）（交流接地）Uc1Uc2+-URe雙端輸入雙端輸出時：雙端輸入雙端輸出時：iebLfeidcididcchRRhUUUUUU12121Ud22A)(22iebidididhRIUR雙端輸出時，雙端輸出時，Rod =2Rc/(2 /hoe) 2Rc； (當當1/ hoe Rc時時)1. 差模電壓增益差模電壓增益Aud： 2. 差模輸入

13、電阻差模輸入電阻 Rid：3. 差模輸出電阻差模輸出電阻Rod：由差模輸入等效電路可求得由差模輸入等效電路可求得:)2/(LcLRRR其中其中與單邊電路的與單邊電路的增益相同增益相同共模信號：共模信號：是指在差放兩個輸入端接入兩個是指在差放兩個輸入端接入兩個幅度相等、極性相同幅度相等、極性相同的信號。的信號。記為：記為：Uic1 .Uic2 ； Uic1 = Uic2 = Uic （三）對共模信號的抑制作用（三）對共模信號的抑制作用在共模信號下在共模信號下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效為每個管子發交流通路中等效為每個管子發射極接入一射

14、極接入一 個個2Re的電阻。的電阻。其等效電路如圖所示。其等效電路如圖所示。021icococicocUcUUUUUAefeiebcfeicocicocUcRhhRRhUUUUA2)1 ()(21單ecUcRRA2)(單1 、共模電壓增益、共模電壓增益Auc雙端輸出時，由于電路對稱，雙端輸出時，由于電路對稱，單端輸出時單端輸出時:當（當（1+hfe）2Re（Rb+hie）時，）時，共模輸入等效電路共模輸入等效電路可見：可見：Ree越大共模增益越小。越大共模增益越小。與單邊電路的與單邊電路的增益相同增益相同單端輸入時，單端輸入時，雙端輸入時雙端輸入時，efeiebicicicRhhRIUR2)1

15、 ()(11單2/2)1 ()(21efeiebicicicicRhhRIIRR定義：定義：差放的差模增益差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值與共模增益之比值的絕對值即即 CMMR=|AUd/AUc|或或 CMMR（dB）=20lg |AUd/AUc| 2、共模輸入電阻3、共模抑制比CMRR單端輸出時單端輸出時 CMMR（單）單）= |AUd(單單)/AUc(單單)|雙端輸出時，雙端輸出時， CMMR可以認為等于無窮大可以認為等于無窮大結論：結論：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：1.對電源擾動、及溫度變化，在直接耦合放大電路中被逐對電源擾動、及溫度

16、變化，在直接耦合放大電路中被逐級放大，從而引起較大輸出誤差。級放大，從而引起較大輸出誤差。(零點漂移零點漂移)2.對差放電路這些現象會引起兩管同時產生同樣的漂移，對差放電路這些現象會引起兩管同時產生同樣的漂移，這種大小相等、極性相同的漂移電壓就是這種大小相等、極性相同的漂移電壓就是共模電壓共模電壓。3.差放電路是利用電路對稱的特點，將一個管子產生的漂差放電路是利用電路對稱的特點，將一個管子產生的漂移用來補償另一只管子產生的漂移，從而抑制漂移。移用來補償另一只管子產生的漂移，從而抑制漂移。4.這種對稱性在集成工藝中較易實現。因此，集成電路中這種對稱性在集成工藝中較易實現。因此，集成電路中廣泛使用

17、差分電路。廣泛使用差分電路。輸入輸入U Ui1i1, , U Ui2 i2 可寫為：可寫為：U Ui1i1=(U=(Uic1ic1 + U + Uid1id1) )U Ui2i2=(U=(Uic2ic2 + U + Uid2id2) )若輸入為一對任意數值和極性若輸入為一對任意數值和極性的信號，則可分解為：的信號，則可分解為：一對差模信號和一對共模信號一對差模信號和一對共模信號（四）對任意輸入信號的分析（四）對任意輸入信號的分析典型差放電路典型差放電路分解任意輸入信號的一般公式為：分解任意輸入信號的一般公式為：U Uic1ic1 = U = Uic2ic2 =(U =(Ui1 i1 +U+Ui

18、2i2)/2)/2U Uid1id1 =- U =- Uid2id2 =(U =(Ui1i1 - U - Ui2i2)/2)/2例題：例題：圖示電路參數及圖示電路參數及Ui1 、 Ui2為已知；求輸入的差模電壓和為已知；求輸入的差模電壓和共模電壓共模電壓;雙端輸出的差模電壓和共模電壓。雙端輸出的差模電壓和共模電壓。典型差放電路典型差放電路解：解：1.靜態計算：靜態計算：(Ui=0)RbIbQ +Ube +(1+) IbQRW /2+2Re-Ec =0解得： IbQ =4.37AIcQ = IbQ =0.26mAhie = rbb+ (1 + hfe )26/ IcQ =6.2k2.差、共模輸入

19、電壓差、共模輸入電壓Uid1、Uid1 、UicUid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2=4mVUic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2=1mV3.差模增益差模增益Aud和差模輸出電壓和差模輸出電壓Uod :（雙端輸出）（雙端輸出）312/)1(AUdWfeiebCfeRhhRRhmV248)U-U(AUAUid2id1UdidUdod4.共模輸出電壓共模輸出電壓Uoc :共模增益為：共模增益為：AUc=0(雙出雙出)共模輸出電壓為：共模輸出電壓為：Uoc=0(雙出雙出)（五）差放的輸入和輸出方式（五）差放的輸入和輸出方式雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出（雙雙雙雙）

20、雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出（雙單雙單）單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出（單雙單雙）單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出（單單單單） 差模電壓增益差模電壓增益 Aud差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid差模輸出電阻差模輸出電阻 Ric共模抑制比共模抑制比 CMRR 相當于相當于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 , 則可分解為一對差模信號和一對則可分解為一對差模信號和一對共模信號。共模信號。1 1. .單端輸入方式：單端輸入方式：iebLfeUdhRRhA2/LcLRRR Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2與雙端

21、輸入相比較，效果與雙端輸入相比較，效果相同。即是說：相同。即是說：差放的增差放的增益與輸入方式無關。益與輸入方式無關。例如，對單入雙出差放，例如，對單入雙出差放，其增益為其增益為:021icococUcUUUA2.單端輸出方式單端輸出方式：)(2121)(212雙單UdiebLfeididodUdAhRRhUUUA(1)22feLLUcbiefeeeeh RRARhhRR)(2iebidhRR)/1/(oebodhRR)/(iebeefehRRhCMRR負載負載RL接在接在T1或或T2集電極到地之間，對地電壓相當于雙端輸出集電極到地之間，對地電壓相當于雙端輸出電壓的一半。所以電壓的一半。所以L

22、cLRRR/其中恒流源電路優點：恒流源電路優點：低的直流內阻，高的動態內阻。低的直流內阻，高的動態內阻。二、恒流源差分放大電路二、恒流源差分放大電路由上述分析可知：由上述分析可知： Re 的接入可有效地抑制共模信號，對差模沒有影響。的接入可有效地抑制共模信號，對差模沒有影響。 Re越大、越大、CMRR越大，效果越好。越大，效果越好。但增加但增加Re受兩方面的限制：受兩方面的限制： 其一是集成工藝不宜制作大電阻；其一是集成工藝不宜制作大電阻； 其二是增加其二是增加Re就要提高電源就要提高電源Ee的電壓；的電壓；(靜態需要靜態需要) 即可以在不提高地條件下提供一個等效高阻即可以在不提高地條件下提供

23、一個等效高阻Re, 同時還可同時還可以提供穩定偏流以提供穩定偏流Ic3。 采用恒流源電路代替采用恒流源電路代替Re可以有效地解決上述問題。可以有效地解決上述問題。223332RIURIUDbe忽略忽略T3基極電流，則基極電流，則)/()2(2121RRUEIIDe213,RRUUDbe)(2/(333恒定REIIec)1 (13333333RhRRhhFRRRiebfeoeoofo故可利用恒流源輸出等效高阻代替實體電阻故可利用恒流源輸出等效高阻代替實體電阻有源負載有源負載等效輸出電阻：等效輸出電阻：恒流源差放電流串聯負反饋電流串聯負反饋 恒流源電路分析如下：恒流源電路分析如下：第第8 8章章

24、功率放大電路功率放大電路8.1 功率放大電路概述功率放大電路概述8.2 乙類雙電源互補對稱功率放大電乙類雙電源互補對稱功率放大電路路8.3 甲乙類互補推挽功率放大電路甲乙類互補推挽功率放大電路 8.1 功率放大電路概述 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得大的輸出功率，必須使路。為了獲得大的輸出功率，必須使 輸出信號電壓大輸出信號電壓大； 輸出信號電流大輸出信號電流大； 放大電路的輸出電阻與負載匹配放大電路的輸出電阻與負載匹配。電壓放大器與功率放大器的區別：電壓放大器與功率放大器的區別：1. 任務不同任務不同電壓放大電壓放大：

25、不失真地提高輸入信號的幅度，以驅動后面的功：不失真地提高輸入信號的幅度，以驅動后面的功率放大級，通常率放大級，通常工作在小信號狀態工作在小信號狀態。功率放大功率放大：信號不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率，：信號不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率，通常通常工作在大信號狀態工作在大信號狀態。2. 分析方法分析方法電壓放大：采用微變等效電路法和圖解法電壓放大：采用微變等效電路法和圖解法功率放大：圖解法功率放大：圖解法 實例實例典型的收音機電路典型的收音機電路變頻變頻低放低放中放中放功放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW電源供給的功率：電源供給的功率：PDC=

26、EcIc=120mW25%100%DCoPP轉換效率：轉換效率： 電源供給的能量大多數以管耗的形式消耗掉，通常功電源供給的能量大多數以管耗的形式消耗掉，通常功放電路中的工作管必須加散熱片。放電路中的工作管必須加散熱片。 功率放大電路中的一些特殊問題功率放大電路中的一些特殊問題1. 要求盡可能要求盡可能大的輸出功率大的輸出功率。管子工作在極限的工作狀態。管子工作在極限的工作狀態。2. 轉換效率轉換效率 =負載得到的有用信號功率負載得到的有用信號功率Po電源供給的直流功率電源供給的直流功率PDC3. 非線性失真要小非線性失真要小 在大信號狀態工作必然引起失真的問題，這就存在增在大信號狀態工作必然引

27、起失真的問題，這就存在增大輸出功率和失真嚴重的矛盾，這就要求在電路結構上進大輸出功率和失真嚴重的矛盾，這就要求在電路結構上進行改進，盡可能大的提高輸出功率，減小非線性失真。行改進，盡可能大的提高輸出功率，減小非線性失真。4. 半導體三極管散熱的問題半導體三極管散熱的問題導通角：導通角： = 乙類：乙類： 導通角：導通角： 丙類：丙類： 導通角：導通角： 0.2 PomU(BR)CEO 2ECICM EC / RL5. 功率管的選擇功率管的選擇例例 已知：已知：VCC = VEE = 24 V，RL = 8 ， 忽略忽略 UCE( (sat) ) 求求 Pom 以及此時的以及此時的 PDC、PC

28、1， 并選管。并選管。)W(36822422LCC2om RVP 解解 PDC= 2V2CC / RL= 2 242 / ( 8) = 45.9 (W)RLV1V2+VCC+ui +uo VEE)(21oDCC1PPP = 0.5 (45.9 36) = 4.9 (W)W( 2 . 7362 . 0m1C PU(BR)CEO 48 VICM 24 / 8 = 3 (A)可選：可選：U(BR)CEO = 60 100 VICM = 5 APCM = 10 15 W甲類功放甲類功放乙類功放乙類功放oPL2/2REcL2cDC/2REP%25 ocmax4PPL2co2/ REP DCPL2c/ RE%5 . 87 ocmax4 . 0 PPocmax2 . 0PP單例：例：Po=1W甲類：甲類：Pcmax=4W大功率管大功率管必須加