模拟集成电路基础罗群模电

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1、第5章模拟集成电路基础5.1概述5.3差动放大电路5.2集成运放中的电流源电路5.4集成运算放大电路5.1概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器(简称集成运放)，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成稳压器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、用途

2、最广的一种，这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、性能指标及常用等效模型。（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，因而很难制造大的电阻，其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间;集成电路中的电容是用PN结的结电容作的。（3）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向NPN型管(β值高、性能好)、横向P

3、NP型管(β值低、但反向耐压高）和场效应管，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发射极管、多集电极管等。集成二极管、稳压管等一般用NPN管的发射结代替。5.1.1集成电路中的元器件特点（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。（2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。（3）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。5.1

4、.2集成运放的电路结构特点（4）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。（5）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以及有源负载的应用。5.2集成运放中的电流源电路电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章晶体管（场效应管）的特性已知，晶体管（场效应管）本

5、身便具有近似恒流的特性。在集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、比例电流源和多路电流源等。它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，以提高放大电路的放大倍数。5.2.1电流源电路镜像电流源分析条件：两管参数对称镜像电流源分析由两只特性完全相同的管子T0和T1构成，UCE0=UBE0，从而保证T0工作在放大状态。集成运放中纵向晶体管的β均在百倍以上。若基本电流源中采用横向PNP管，则β只有几倍。在镜像电流源T0管的集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管T2。利用T2管的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对

6、基准电流IR的分流。在实际电路中，有时在T0管和T1管的基极与地之间加电阻Re2，用来增大T2管的工作电流，从而提高T2的。改进型镜像电流源加射极输出器的电流源比例电流源分析比例电流源分析微电流输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。微电流源分析微电流源分析集成运放输入级放大管的集电极（发射极）静态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流，可以将比例电流源中Re0的阻值减小到零。在已知Re的情况下，上式对输出电流IC1而言是超越方程，可以通过图解法或累试法解出IC1。基于比例电流源的多路电流源集成运放是

7、一个多级放大电路，因而需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。多集电极管构成的多路电流源T多为横向PNP型管，当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区面积分别为S0、S1、S2。MOS管多路电流源由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。T0～T3均为N沟道增强型MOS管，它们的开启电压UGS(th)等参数相等。在栅-源电压相等时，MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T0～T3的宽长比分别为S0、S1、S2、S3。这样就可以通过改变场效应管

8、的几何尺寸