1、集成电路原理及应用 Principle and Application of Integrated Circuits,主讲：李成军 ,武汉理工大学信息工程学院,课程性质及主要内容,本课程是电子科学与技术专业的一门重要专业选修课程。主要讲授集成电路的原理和基本应用，包括：各类集成电路的基本特点、基本原理和基本分析方法；通过学习掌握集成电路的基本知识，能利用这些基本知识去理解和研究相关集成电路，并有效地加以应用。先修课程： 电路数字电子技术模拟电子技术,课程总体安排（48学时）,教材及参考书,教材：集成电路原理及应用第2版，谭博学/苗汇静主 编，电子工业出版社 2008年1月参考书：模拟集成电路原
2、理与实用电路，顾宝良主编，人民邮电出版社，2002年9月专用集成电路设计基础孙肖子主编，西安电子科技大学出版社 ，2003年10 月微电子电路分析与设计（影印本）， Muhammand H.Rashid 主 编，科学出版社，2004年12月,考核方式,平时成绩 20% 期末考试 80%,第1讲：集成运放的基础知识_,集成电路的发展历程 集成电路的分类 集成运算放大电路概述 集成运放的基本构成 典型集成运放示例 集成运放的主要参数,1.1 集成电路的发展历程,1947年12月Bell实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明了第一只点接触金锗晶体管，1950年肖克莱、斯帕克斯、迪尔发明单晶锗NPN结型晶体管
3、。1952年5月英国皇家研究所的达默提出集成电路的设想。1958年德克萨斯仪器公司基尔比为首的小组研制出第一块由12个器件组成的相移振荡和触发器集成电路。(这就是世界上最早的集成电路，也就是现代集成电路的雏形或先驱。),1.1 集成电路的发展历程,集成电路的发展得益于许多新工艺的发明： 1950年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺； 1956年美国人富勒发明的扩散工艺； 1960年卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺； 1970年斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺等等，使晶体管从点接触结构向平面结构过渡并给集成电路工艺提供了基本的技术支持。因此，从上世纪70年代开始，第一代集成电路才开始发展并迅
4、速成熟。 此后40多年来，IC经历了从SSI(Small Scale ntegreted)-MSI-LSI-VLSI-ULSI的发展历程。现在的IC工艺已经接近半导体器件的极限工艺。,1.1 集成电路的发展历程,根据所包含的晶体管数目分为：,集成电路的规模,1.1 集成电路的发展历程,真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路,电子线路使用的基础元件的演变,1.1 集成电路的发展历程,真空电子管在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机 晶体管1948年发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产生了第二代计算
5、机,电子线路使用的基础元件的演变,1.1 集成电路的发展历程,集成电路(Integrated Circuit，简称IC)20世纪50年代出现，以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等。,超大规模集成电路,小规模集成电路,电子线路使用的基础元件的演变,1.2 集成电路的分类,集成电路分类方法: 可以按器件结构类型、集成电路规模、使用基片材料、电路功能以及应用领域等方法对集成电路进行划分。,集成电路：在半导体制造工艺的
6、基础上，把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。,1.2 集成电路的分类,根据所用晶体管结构和工艺分双极型（Bipolar）集成电路:TTL（Transistor-Transistor Logic ）ECL（Emitter Couple Logic）金属-氧化物-半导体(MOS) 集成电路:NMOS、PMOS、 CMOS双极金属-氧化物-半导体（Bi-MOS）集成电路等,1.2 集成电路的分类,按规模分类：SSI/MSI/LSI/VLSI/ULSI 根据应用领域分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）,1.2 集成电路的分类,根据集成电路的功能分模拟集成电
7、路（集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/D、 D/A等）数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）数模混合电路,1.3 集成运算放大电路概述,集成放大电路是一种高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放大电路，最初多用于各种模拟信号的运算，故称集成运算放大电路，简称集成运放。,一、集成运放的电路结构特点： 集成化技术中不能制作大电容，其电路结构上只能采用直接耦合方式； 为克服温漂，采用了温度补偿的手段-差分放大电路； 电路中还大量采用恒流源电路来设置各级的静态电流，或者替代大电阻； 电路中还采用复合管的接法来改善单管的性能。,1.3 集成
8、运算放大电路概述,二、集成运放的发展,经历了四代：,第一代：基本沿用了分立元件放大电路的设计思想。,典型产品：uA709;F003,第二代：普遍采用了有源负载。,典型产品：uA741;F007,第三代：输入级采用了超管，版图设计上考虑了热效应的影响。,典型产品：AD508;F1556,第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术。,典型产品：HA2900;5G7650,1.3 集成运算放大电路概述,三、集成运放的分类,（一）按用途分集成运放按用途可分为通用型和专用型两大类。（1）通用型集成运放的参数和指标比较均衡全面，适用于一般工程设计。通用型是一般设计时应首先要考虑选择的。（2）专用型是指为了满足某
9、些特殊要求而设计的，其中有一项或几项指标非常突出，可以分为：低功耗或微功耗型；高速型；宽带型；高精度型；高电压型；功率型；高输入阻抗型；电流型，跨导型；低噪声型等。,1.3 集成运算放大电路概述,三、集成运放的分类,（二）按供电电源分单电源和双电源两类。（三）按制作工艺分双极型；单极型和双极-单极兼容型。（四）按每个芯片中含运放的数目分单运放、双运放、三运放和四运放等,1.3 集成运算放大电路概述,四、集成运放的选择,了解类型、掌握参数是前提。,1.信号源的性质,3.精度的要求,依据：,2.负载的性质,4.环境条件,1.3 集成运算放大电路概述,五、使用时必做的工作,1.辨认管脚,3.调零,2
10、.测试判断好坏,4.消除自激振荡,1.4 集成运算放大器的基本构成,集成运算放大器的种类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。一般由输入级、中间 ( 放大 ) 级、输出级、电平移动级、补偿和过载保护电路等组成。,根据其结构特点，一般利用差动电路抑制包括温漂在内的共模干扰，利用电流源解决弱电流偏置问题，利用有源负载提高开环增益。,集成运算放大器的组成框图,1.4 集成运算放大器的基本构成,电压放大级(中间级）：要求电压增益高。它由一级或多级放大电路组成，集成运放的放大倍数主要由该级提供。,输出级：除了要有较大的额定输出电压和电流以外，还要求输出电阻小。一般由电压跟随器或互补式射极输出器组成，以降
11、低输出电阻，提高带负载能力。 偏置电路：为各级提供合适工作电流。大量采用小电流恒流源。此外，还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路、调零和高频补偿环节等。,输入级：要求失调及漂移小、输入电阻高。一般是由BJT（双极面结型晶体管）、JEFT、或MOSFET组成的差分式放大电路,利用其对称性以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。,1.5 典型集成运放示例,如图所示为741集成运放原理图,1）偏置电路,741由24个BJT（双极面结型晶体管）、10个电阻和一个电容组成。在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故采用微电流源电路。,+VCC、T12、R5、T
12、11、-VEE构成主偏置电路决定偏置电路的基准电流REF。T10、T11构成微电流源，由IC10供给输入级中T3、T4的偏置电流；T8、T9组成镜像电流源，由IC8供给输入级中T1、T2的工作电流；输入级的偏置电路本身构成反馈环，减小零点漂移。T12、T13构成双端输出的镜像电流源：作为中间级的有源负载，供给输出级的偏置电流。,2）输入级,T1-T6组成的差分式放大电路，由T6的集电极输出，T1、T3和 T2、T4组成共集-共基复合差分电路。 T1、T2 组成共集电路可以提高输入阻抗；T3、T4 组成共基电路，结合T5、T6 和T7组成的有源负载，有利于提高输入级的电压增益、最大差模输入电压并
13、扩大共模输入电压,范围，同时可以改善频率响应响特性。,3）中间级,由T16、T17组成复合管共射极放大电路，集电极负载为 T13所组成的有源负载，其交流电阻很大，故本级可以获得很高的电压增益，同时也有较高的输入电阻。,4）输出级,本级是由T14和T20组成的互补对称电路。整个电路要求当输入信号为零时输出也应为零。,1.6 集成运放的主要参数,熟悉实际集成运放的特性参数是设计运放电路的基础，正确理解和运用其特性参数，是正确评价和选择集成运放、设计计算及调试运放电路的必备前提。,1.6.1 集成运放的主要直流参数,1）输入失调电压UOS（一般为mV数量级）,在室温(25)及标准电源电压下，输入电压
14、为零时，为使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压。,1.6.1 集成运放的主要直流参数,2）输入偏置电流B,指集成运放输入电压为零，输出电压也为零时，两个输入端静态电流的平均值。两输入端偏置电流分别记为B+、B-，则,3）输入失调电流OS,指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即OS=| B+-B-|。集成运放的输入端偏置电流越大，其输入失调电流也越大。,1.6.1 集成运放的主要直流参数,4）温度漂移系数,由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移引起。,(1)输入失调电压的温度漂移系数UOS/T,在一定的温度变化范围内，输入失调电压的变化与温度变化的
15、比值定义为输入失调电压的温度漂移系数。一般运放为10-20V/，高精度、低漂移型运放在1V/以下。,(2)输入失调电流的温度漂移系数IOS/T,在一定的温度变化范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值定义为输入失调电流的温度漂移系数。,5）最大差模输入电压UidM,指集成运放两输入端所允许加的最大电压值差。当差模输入电压超过此值时，运放输入级三极管将被反向击穿。,1.6.1 集成运放的主要直流参数,指运放的共模抑制特性显著变坏时的共模输入电压，有时将在规定的共模输入电压值下共模抑制比下降6dB时所加的共模输入电压作为最大共模输入电压。,6）最大共模输入电压UicM,7）最大输出电流oM,指运
16、放所能输出的正向或负向的峰值电流。,8）输出峰-峰电压UoPP,指在特定的负载条件下，运放所能输出的最大电压幅度。,1.6.1 集成运放的主要直流参数,9）差模开环直流电压增益Aud,指集成运放接入规定的负载、无负反馈且工作在线性区时，差模电压输入后，其输出电压变化Uo与差模输入电压变化Uid的比值，称为差模开环电压增益，即,实际运放的差模开环电压增益是频率的函数，运放手册中的差模开环电压增益均指直流（或低频）开环电压增益，多数运放的直流差模开环电压增益均大于104倍以上。,差模开环电压增益一般用分贝为单位，可表示为,1.6.1 集成运放的主要直流参数,11）共模抑制比CMRR,指集成运放工作
17、在线性区时，其差模电压增益Aud与共模电压增益Auc之比，即,CMRR也是频率的函数，运放手册中给出的参数值均指直流（或低频）时的CMRR，多数运放的CMRR值在80dB以上。,若以分贝为单位，可表示为,10）共模电压增益Auc,共模电压输入时，集成运放输出电压的变化Uo与共模输入电压变化Uic的比值，即,1.6.1 集成运放的主要直流参数,12）电源电压抑制比PSRR,集成运放工作在线性区时，输入失调电压随电源电压改变的变化率，称为电源电压抑制比，表示为,若PSRR为100dB，相当于10V/V。一般低漂移集成运放的PSRR为90-100dB，相当于2-20V/V。,电源电压抑制比用分贝为单
18、位，可表示为,式中， US为电源电压的波动UCC或UEE。,1.6.2 集成运放的主要交流参数,1）开环带宽BW,集成运放的开环电压增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）时所对应的信号频率。,2）单位增益带宽GW,集成运放在闭环增益为1倍状态下，当用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0.707倍时的频率。,开环带宽和单位增益带宽两个频率参数均指小信号工作时（小信号输出范围约为100-200mV）的频率响应特性；在大信号工作时，集成运放输入级将工作于非线性区，其频率特性将发生明显变化。转换速率、全功率带宽和建立时间三个参数均用来描述集成运放大信号工作时的频率特性。,1.6.2 集成运放的主要
19、交流参数,3）转换速率（或电压摆率）SR,在额定负载条件下，当输入阶跃大信号时，集成运放输出电压对时间的最大变化速率，称为转换速率，即,手册中给出的转换速率均指集成运放闭环增益为1倍时的值；实际上集成运放的转换速率与其闭环增益无关。普通运放的转换速率约为1V/s，高速运放的转换速率应大于10V/s，,4）全功率带宽BWP,在额定负载条件下，集成运放闭环增益为1倍时，当输入正弦大信号时，使运放输出电压幅度达到最大的信号频率，即为全功率带宽BWP。SR、 BWP及运放输出峰值电压Uop之间存在近似关系：,1.6.2 集成运放的主要交流参数,5）建立时间tS,集成运放闭环增益为1倍时，在一定负载条件
20、下，当输入阶跃大信号后，运放输出电压达到某一特定值的范围时所需的时间，即为建立时间。,6）等效输入噪声电压,屏蔽良好、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的交流无规则干扰电压，称为集成运放的输出噪声电压；换算到输入端时称为等效输入噪声电压。普通集成运放输入噪声电压的有效值约为10-20V。,该参数与差模输入阻抗、共模输入阻抗以及输出阻抗均对应于集成运放开环工作的条件。,1.6.2 集成运放的主要交流参数,7）差模输入阻抗Zid,集成运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应输入电流变化量之比，有时简称输入阻抗。低频时仅指输入电阻Rid，手册中给出的数据均指输入电阻。,8）共模输入阻抗Zic,集成运放工作在共模信号时，共模输入电压的变化量与对应输入电流变化量之比，称为共模输入阻抗，低频时表现为共模输入电阻。集成运放的共模输入电阻远高于差模输入电阻。,9）输出阻抗Zo,集成运放工作在线性区时，在其输出端加信号电压后，该电压变化量与对应的电流变化量之比，称为输出阻抗。低频时即为输出电阻。,
