第七章模拟集成电路系统
第七章-MOS管模拟集成电路设计基础
右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流串联负反馈。M3 的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某种原因使输出电流Io增加，这个增 加了的电流同时也将导致M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而 使电流减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用阻止电流变 小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io趋于恒流，提高了交流输出电 阻。
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组
成，如图7.3.1所示。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器结构，它的分压原 理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用上式计算。
图6点，那就是它们的输出电 压值随着电源电压的变化将发生变化。究其原因是因为电漏电压的 波动直接转变为MOS晶体管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被 某个器件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响就可以使 输出电压不受电源电压波动的影响。
模拟集成电路设计
模拟集成电路设计模拟集成电路设计是指将电子元件和电路设计应用于模拟信号的电子设计技术。
相比数字电路设计，模拟集成电路设计非常复杂，因为它以复杂的方式处理模拟信号，并且有大量的设计和实现参数，例如电源电压、输入信号电平、输出信号电平和传输函数，等等。
模拟集成电路设计的发展形式改变了电子元件与电路设计应用的历史。
模拟集成电路设计自从20世纪60年代起就开始了，有一些电子元件模型和电路技术已经形成。
此后，各种电子元件和电路技术又不断发展，使得现代模拟集成电路设计技术获得了跨越性的发展。
模拟集成电路设计通常包括多种电子元件和电路技术，例如放大器、滤波器、衰减器、可调电容器、电阻器、电感器、二极管、直流电源等。
模拟集成电路设计中的多种元件和电路技术十分复杂，需要有很强的电子技术和理论基础。
模拟集成电路设计的主要目的是实现对模拟信号进行处理，并将输入信号转换成输出信号，使信号得到有效处理。
这种设计可以解决复杂的信号处理问题，例如模拟音频信号处理、数字音频处理、数字图像处理、生物医学信号处理等。
模拟集成电路设计的常用设计工具可以分为两类，即硬件设计工具和软件设计工具。
硬件设计工具包括电路板布线工具、仿真工具和示波器等，它们用于评估电路组件的正确性和性能，并实现电路原理图设计。
软件设计工具包括模拟电路模拟器、状态器件仿真器和模拟示波器等，他们可以进行精细的模拟电路设计和分析。
综上所述，模拟集成电路设计的发展为电子元件与电路设计应用带来了极大的发展，为电子界的设计提供了有效的技术支持。
模拟集成电路设计技术仍然在不断发展，届时电子元件与电路设计应用能力将会进一步提升，可以更好地适应不断变化的电子应用环境。
《模拟集成电路系统》课件
滤波器电路
总结词
详细描述
滤波器电路用于提取特定频率范围的信号 ，实现信号的选择性传输。
滤波器电路由电阻、电容、电感等元件组 成，通过调整元件参数，实现对特定频率 信号的选择性传输或抑制。
滤波器电路的分类
滤波器电路的应用
根据工作原理和应用场景，滤波器电路可 分为低通、高通、带通、带阻等类型，每 种类型具有不同的性能特点。
正确性和可制造性。
制程加工
将版图转化为实际电路 ，进行制程加工和封装
测试。
制程优化
根据制程结果，对制程 进行优化，提高电路性
能和成品率。
模拟集成电路系统
05
应用
通信系统应用
01
02
03
信号放大和处理
模拟集成电路系统在通信 系统中主要用于信号的放 大和处理，以确保信号的 稳定传输。
调制与解调
在通信系统中，模拟集成 电路系统还用于信号的调 制和解调，实现信号的转 换和还原。
详细描述
稳压电源电路由电源变压器、整 流器、滤波器和稳压器组成，通 过调整元件参数，实现输出电压 或电流的稳定。
稳压电源电路的分类
根据工作原理和应用场景，稳压 电源电路可分为线性稳压电源和 开关稳压电源等类型，每种类型 具有不同的性能特点。
模拟集成电路系统
04
设计
设计流程与方法
确定设计目标
明确电路的功能、性能指标和 限制条件，为后续设计提供指
滤波器设计
模拟集成电路系统能够实 现各种滤波器设计，用于 信号的选择和处理，提高 通信质量。
音频系统应用
音频信号处理
模拟集成电路系统在音频 系统中主要用于音频信号 的处理，如音频放大、音 效处理等。
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电
容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板 与衬底之间的寄生电容比较小。
（a）金属做上极板 （b）多晶硅做上极板 图7.2.3 多晶硅为下极板的MOS电容器结构
3.薄膜电容器 在某些电路中，需用较大的电容或对电容有某些特殊要求，
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
7.2.1 模拟集成电路中电阻器----无源电阻和有源电阻
1. 掺杂半导体电阻 (1)扩散电阻
所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。 这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍 差。 (2)离子注入电阻
同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础 7.1 引言
1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现
的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能 相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理， 并输出需要的信号（通常也是模拟量）。
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
Hale Waihona Puke 1) NMOS基本电流镜NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
模拟集成电路-课件
2021/6/20
31
NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT )
dq(x) = -CoxWdx[vGS - v(x) - VTH ] 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
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32
I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m)
电荷移 动速度
I = Qd .v (m/s)
组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端
接收端
磁盘驱动电子学
存储数据 恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
无线接收机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱
接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分。
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
假定 “1”电平为3V， “0”电平为0V，VTP ＝-0.5V，试确定C1、C2的终值电压。
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45
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = ΦMS + 2ΦF + Qdep , where Cox
ΦMS = Φgate - Φsilicon
ΦF = kT q ln
Nsub ni
模拟集成电路的特点是什么？
从模拟集成电路的工作机理和功能要求来考虑，与数 字集成电路相比，概括起来，有以下5个特点：
1) 电路所要处理的是连续变化的模拟信号（模拟 量）；
2) 除了需要功率输出的输出级外，电路中信号的电 平值是比较小的，即模拟集成电路一般多工作于小信 号状态，不象逻辑集成电路那样只工作于大信号开关 状态；
ID
= 2ID VGS - VTH
模拟集成电路——原理及应用
模拟集成电路——原理及应用模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）是指将各种电子元器件（如电阻、电容、电感、二极管、晶体管等）以及各种基本电路（如放大器、滤波器、振荡器等）等集成在一块半导体芯片上的电路。
它通过调整电子元器件的尺寸和位置，以及通过连接不同的元器件和电路，实现对电信号的处理和控制。
模拟集成电路的原理和应用广泛，在各个领域都有重要的应用。
模拟集成电路的原理主要涉及到电路设计、半导体器件物理特性和电路行为等方面。
在电路设计方面，模拟集成电路需要根据具体的应用需求，选择合适的电路拓扑结构和元器件参数，以实现所需的电路功能。
在半导体器件物理特性方面，模拟集成电路需要充分了解各种器件的特性，如晶体管的放大特性、二极管的整流特性等，以便能够合理地利用这些特性来实现电路功能。
在电路行为方面，模拟集成电路需要考虑电路的稳定性、可靠性、抗干扰能力等，以保证电路在实际应用中的性能和可靠性。
模拟集成电路具有广泛的应用领域。
首先，它在通信领域有重要的应用。
模拟集成电路可以实现对电信号的放大、滤波、调制和解调等处理，从而实现对通信信号的传输和处理。
例如，在手机中，模拟集成电路可以实现对话音频的放大和滤波，从而保证通话质量。
其次，模拟集成电路在工业控制领域也有广泛的应用。
它可以实现对传感器信号的放大、滤波和处理，从而实现对工业过程的控制和监测。
例如，在温度控制系统中，模拟集成电路可以对温度传感器的信号进行放大和处理，以控制加热器的温度。
此外，模拟集成电路还在医疗设备、汽车电子、消费电子等领域有着广泛的应用。
模拟集成电路是将各种电子元器件和电路集成在一块芯片上的电路，它的原理涉及电路设计、半导体器件物理特性和电路行为等方面。
模拟集成电路具有广泛的应用领域，包括通信、工业控制、医疗设备、汽车电子等。
随着科技的发展和应用需求的增加，模拟集成电路的应用前景将更加广阔，对于提高电子设备的性能和功能有着重要的作用。
模拟集成电路(课件)
−3
Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = 0.53 − (− 0.35) = 0.88V
P-N结耗尽区
耗尽区宽度：
⎤ ⎡ 2ε 0ε si Φ B NA xn = ⎢ ⎥ q N D (N A + N D )⎦ ⎣
1 2
⎤ ⎡ 2ε 0ε si Φ B ND xp = ⎢ ⎥ q N A (N A + N D )⎦ ⎣
– CAD
• 难以利用自动设计工具
模拟集成电路设计步骤
模拟集成电路设计步骤
电路设计
物理版图设计
根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联、 电源和时钟线的分布、与外部的连接。
电路测试
电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证。
层次设计
描述格式 设计 电路层次 系统 系统说明/仿真 Matlab、ADMS… 电路性能 netlist /simulation 版图布局 layout 参数化模块/单元 layout 行为模型 物理 模型
P-N结
• 讨论P-N结反偏和耗尽区电容对了解寄生电容是 十分重要的
– 假定P是重掺杂，N是轻掺杂。
E
P+
Xp Xn
N−
耗尽区
– 空穴从P扩散到N区，留下固定的负电荷。在N区同样 会留下固定的正电荷，在界面处建立了电场。 扩散电流 = 漂移电流
P-N结耗尽区
PN结内建势
kT N A N D Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = ln q n i2
半导体器件和模型
• 半导体PN结 • MOS器件
– 基本概念 – 阈值电压 – I/V特性 – 二级效应 – 器件模型
本征半导体
第七章 模拟集成电路中常用的单元电路
Io2
16
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 Ir 1. 基本电流镜恒流源（续2）
Io1 M2
Io2 M3
电流源输出电阻(MOS管饱 和导通电阻)： -1 1 X rds= I = Ids V d） （L DS DS
M1
Vcc
因此，沟道长度选大一 些，还有利于提高输出电阻 。M1 另外，小电流工作时输出阻 抗更高。
18
M1
M2
Ir
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 3. Wilson(威尔逊）恒流源
Ir
Io M3 M1
M1
M2
Ir
MOS管均工作在饱和区。 Vcc 该电流源的输出阻抗较高 （与级联结构相似）。 M2 该电流源具有负反馈作 用，使Io 的变化能得到补偿， M3 提高了输出电流的稳定性。 增加M3的W/L可以增强 Io 对输出电流变化的调节能力。
Io
T1 T2
因此：Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 则:Ir =Io (AE1/AE2+AE1/AE2+1)/
Ib1 Ib2
因为： >>1， AE1/AE2值较小
所以：Ir IoAE1/AE2 即： Io / Ir = AE2/AE1
5
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.1 npn恒流源电路 3. 电阻比恒流源
19
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 4. 改进的Wilson(威尔逊）恒流源
模拟集成电路详解
因两三极管基极对地电位相等，差分放大电路v i1v i2线性放大电路v o 电路完全对称的理想情况：)(21i i VD o v v A v −=差模电压增益差模成分id v 放大两个输入信号之差输入信号的共模成分)(2121i i ic v v v +=差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。
共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。
2010-3-31差分放大电路的组成差分放大电路是由两个互为发射极耦合的共射极放大电路组成，电路参数完全对称。
差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。
时，021==i i v v 静态分析动态分析（增益，输入、输出电阻）当输入信号为零时，即0=2/21C C CC CE 0C 21=−=+−===C C o BEC C v v v V R I V V I I i i 由于电路完全对称。
差模信号共模信号cCQ c c CQ c i I i i I i −=+=2211,cCQ c c CQ c i I i i I i +=+=2211,电压增益越小，放大电路的性能越好（3）共模输出电阻单端输出时，c o R R =co 2R R =（2）共模输入电阻（相当于两部分并联）]2)1([21o be ic r r R β++=双端输出时，双电源差分放大电路差分放大电路的静态计算将电路中信号源短路即可获得计算静态的直流通路。
已知：β=100，V BE =0.6VmAV I R e EE E 6.020122==≈()AI IE Bμβ61006.01=≈+=V V BE C C CCCE R I V V 6≈+−=01V U 86.01=Δ。
模拟集成电路原理及其应用
模拟集成电路基础 模拟集成电路的定义
01
02
03
04
05
模拟集成电路：模拟集 模拟集成电路的特点 成电路是一种电子电路， 用于处理连续变化的模 拟信号，如声音、温度、 光线等。它由多个电子 元件集成在一块芯片上， 实现信号的放大、滤波、 转换等功能。
模拟集成电路的发展历 程
模拟集成电路的应用领 域
在传感器接口电路中的应用
信号调理
模拟集成电路用于传感器 输出信号的调理，将传感 器输出的微弱信号转换为 适合后续处理的信号。
信号放大与滤波
模拟集成电路可以对传感 器输出信号进行放大和滤 波，以提高信号的信噪比 和稳定性。
信号转换
模拟集成电路可以将传感 器输出的模拟信号转换为 数字信号，以适应数字系 统的需求。
04 模拟集成电路的应用
在通信领域的应用
信号放大与传输
模拟集成电路用于信号的放大和 传输，确保信号的稳定性和可靠
性。
调制解调
在通信系统中，模拟集成电路用于 信号的调制和解调，实现信号的转 换和处理。
滤波器设计
模拟集成电路可以用于设计各种滤 波器，如低通、高通、带通和带阻 滤波器，以实现信号的选择和过滤。
模拟集成电路原理及其应用
目录
• 引言 • 模拟集成电路基础 • 模拟集成电路原理 • 模拟集成电路的应用 • 模拟集成电路的挑战与展望 • 结论
01 引言
主题简介
模拟集成电路
模拟集成电路是电子学中一种处理模 拟信号的集成电路，通过模拟信号处 理实现各种功能。
模拟集成电路的应用
模拟集成电路广泛应用于通信、音频 处理、电源管理、传感器接口等领域 。
目的和意义
目的
第七章 集成电路器件及SPICE模型
MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
MOS结构电容
Cox Cox Í µ µ Æ
l ' / 4
集总元件
由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有 源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无 源元件也可作为集总元件来处理； 随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线 的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比； 这时，集总元件模型就不能有效地描述那些 大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。
2
MIM电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
1 2 LC
金属叉指结构电容
MOS结构电容
平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即 金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。
它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。
随着栅极电压的变化，表面可处于： 积累区 耗尽区 反型区
有源电阻
I D + V S I IDS I O G S + V D (b) VGS V VTP
G
O
I IDS
VTN V (a)
VGS
MOS有源电阻及其I-V曲线
2t ox L V V 直流电阻： Ron︱VGS=V ＝ I n ox W (V VTN ) 2
交流电阻：
模拟集成电路原理
模拟集成电路原理你看啊，模拟集成电路就像是一个小小的魔法王国。
这里面有好多的小居民，那就是晶体管啦、电阻啦、电容这些小元件。
它们可不像咱们看到的那些大物件那么简单，每个都有自己独特的本事。
先说说晶体管吧。
晶体管就像是这个王国里的小魔法师。
它可以控制电流的流动，就像魔法师控制魔法元素一样。
你想啊，电流就像是一股神奇的力量，晶体管能决定这股力量是大是小，是走这条路还是那条路。
比如说，在一个放大电路里，晶体管就像是一个放大器，把一个小小的电信号变得大大的。
这就好比你有一个小小的声音，晶体管这个小魔法师把这个声音变得超级响亮，让所有人都能听到。
再来说说电阻。
电阻就像是这个王国里的小门卫。
电流要想通过它，可就得按照它的规矩来。
电阻越大，电流通过的时候就越费劲，就像门卫管得越严，通过的人就越少一样。
如果把电路比作一条河流，电阻就是河中间的那些大石头，它们会阻碍水流的速度，电流在电阻这里也会被“阻拦”一下，速度或者大小就会发生变化。
还有电容呢，电容就像是一个小储蓄罐。
它可以储存电荷，就像储蓄罐存钱一样。
当电路里的电信号有波动的时候，电容这个小储蓄罐就发挥作用啦。
它可以把多余的电荷存起来，等到需要的时候再放出去，就像你平时存钱，到了想买心爱的小玩具的时候就把钱拿出来用。
那这些小元件组合在一起，就形成了模拟集成电路这个大魔法阵。
比如说一个音频放大电路，晶体管负责把音频信号放大，电阻负责控制电流的大小，让放大的程度刚刚好，电容呢，就负责让声音更加稳定，不会有杂音。
它们就像一个团队一样，互相配合，才能让我们听到美妙的音乐。
而且啊，模拟集成电路的设计可不容易呢。
就像搭建一个超级复杂的乐高城堡一样。
设计师得考虑每个小元件的特性，得像一个超级聪明的指挥官，安排每个小元件在合适的位置，让它们发挥最大的作用。
要是哪个小元件没安排好，就像乐高城堡里有一块积木放错了地方，整个电路可能就不能正常工作了。
在我们的生活中，模拟集成电路无处不在。
模拟集成电路
模拟集成电路
模拟集成电路是一种集成电路，用于处理模拟信号。
它们通常由集成电路芯片制造，并且包括模拟信号处理器、信号转换器和其他相关电路。
模拟集成电路可以执行信号调节、滤波、放大、放大器等操作。
在模拟集成电路中，信号的处理是通过电压和电流进行的。
这些信号可以是连续的（也称为模拟信号）或离散的（也称为数字信号）。
模拟集成电路常用于音频、视频、无线电频率、传感器信号和其他需要进行连续信号处理的领域。
模拟集成电路中的核心组件是放大器。
放大器可以将输入信号的电压或电流放大到更高的水平，以便进一步处理。
其他组件包括滤波器、振荡器、比较器和开关等。
设计模拟集成电路需要考虑许多因素，如输入和输出信号的范围、噪声、温度和功耗等。
此外，为了确保性能和可靠性，还需要对电路进行仿真和测试。
总之，模拟集成电路是一种用于处理模拟信号的集成电路。
它们包括放大器、滤波器、振荡器和比较器等组件，用于执行信号调节、滤波、放大、放大器等操作。
设计模拟集成电路需要考虑许多因素，如输入和输出信号的范围、噪声、温度和功耗等。
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
压管的输出特性曲线可以看出，当电流在一定的范
围内波动时，它的输出电压变化很小。从这一点我 们又得到了一个器件的电阻特性：稳压管具有直流 电阻大于交流电阻的特性。当然，当稳压管正向运 用的时候，它就是一个普通的二极管，它的正向特
性也表现为直流电阻大于交流电阻。
利用稳压管构造电压偏置电路的基本结构非常简单，下 图给出了电阻和稳压管串联的电路结构和采用有源负载结构 的电路形式。
图6-3-19
7.3.2 放大电路
放大器是模拟集成电路的基本信号放大单元。
在模拟集成电路中的放大电路有多种形式，其基本 构成包括放大器件(有时又称为工作管)和负载器件。
放大电路的设计主要有两个内容：电路的结构设计
和器件的尺寸设计。电路的结构设计是根据功能和
性能要求，利用基本的积木单元适当地连接和组合
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流 镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电 流依据一定的器件比例 关系而成比例。 1) NMOS基本电流镜 NMOS基本电流镜 由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
4) 参考支路电流Ir
形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对 电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。
(1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
(2)有源负载的参考支路
图6-3-12
图6-3-13
(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
参考电流就是一个恒流
(如右图所示) 那么， 整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。 图6-3-14
第七章 模拟集成电路系统
称重放大器的示意图。图中压力传感器是由应变片 构成的惠斯顿电桥，当压力(重量)为零时，Rx=R，电桥 处于平衡状态，ui1=ui2,相减器输出为零。而当有重量时， 压敏电阻Rx随着压力变化而变化，从此电桥失去平衡， ui1 ≠ ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式。试问， 输出电压uo与重量(体现在Rx变化上)有何关系。
jRC
A(s) 1 sRC
(7—10)
16
第7章 模拟集成电路系统
R ui
iR ui / R,
C两端的电容
Q
Cu
，
0
电流 iC
dQ dt
C
du 0 dt
由于 iR iC
有 ui
/
R
C
du 0 dt
，u0
1 RC
u i dt
C
－
＋
uo
图7—7 积分器电路
17
第7章 模拟集成电路系统
传输函数的模 附加相移
15
第7章 模拟集成电路系统
7—1—3 所谓积分器，其功能是完成积分运算，即输出电
压与输入电压的积分成正比。
根据反相比例放大器的运算关系，该电路的输出 电压的频域表达式为
uo( j)
积分器的传输函数为
1/
jC
R ui(
j)
1
jRCui (
j)
A( j) Uo( j) 1
或复频域的传递函数为 Ui( j)
d2uo(t) dt
10d
uo(t) dt
2uo(t)
ui
(t)
(7—18)
d uo(t)
dt
[ui(t)
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Rf R2
3,
Rf R1
2
所以选Rf=300kΩ，R2=100kΩ，R1=150kΩ。 实际电路中，为了消除输入偏流IIB产生的误差，在同
相 输 入 端 和 地 之 间 接 入 一 直 流 平 衡 电 阻 Rp ， 并 令
Rp=R1‖R2‖Rf=50kΩ，如图7—2所示。
2018年10月12日星期五
2018年10月12日星期五 模拟电子技术(analog electronic technology) 26
7—1—2相减器(差动放大器Differential Amplifier)
R1 ui2 － ＋ R1 ui2 ui1 － ＋ uo R3 R3 uo2
(分解) R 2
R4
R2
R1 －
ui1 ＋ R2
R4
R3 uo1
图7—4 相减器电路
2018年10月12日星期五 模拟电子技术(analog electronic technology)
输 入 级 中 间 级 输 出 级
Ui
Uo
电流源电路
2018年10月12日星期五
模拟电子技术(analog electronic technology)
8
集成运放知识回顾
UCC _ uid=u--u+ + -UEE Au uo
线性区
uo
UOH
uid
Aud越大，运放的线性范围越小。 UOL 若UOH = -UOL=12V，Aud=105，uid在 什么范围内，运放工作在线性区间? 答:|ui|< 0.12mV时，运放处于线性区。
2.理想运放工作在非线性(nonlinear)状态时的特性
(1)“离散”特性 uo=UOH或UOL (2)“虚断”特性
非线性区
uo
UOH
uid
非线性区
UOL
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模拟电子技术(analog electronic technology)
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7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用 7—1—1 相加器(Adder)
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例2 利用相减电路可构成“称重放大器”。图 7—5给出称重放大器的示意图。图中压力传感器 是由应变片构成的惠斯顿电桥，当压力(重量)为 零时， Rx=R ，电桥处于平衡状态， ui1=ui2, 相减
器输出为零。而当有重量时，压敏电阻Rx随着压
力变化而变化，从此电桥失去平衡，ui1 ≠ ui2,相 减器输出电压与重量有一定的关系式。试问，输 出电压uo与重量(体现在Rx变化上)有何关系。
所以
－ ＋
uo
u u
uu+
i
集成运放符号
零子
(2)“虚断”特性(virtual open circuit) uid 0 由 于i i Rid
所以 i i 0
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任意子
uo
集成运放理想模型
模拟电子技术(analog electronic technology) 12
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集成运放的工作区域
uo
通常为了保证运放工作在线 性区间，引入深度负反馈。 为保证运放工作在非线性 区，运放开环工作或引入 正反馈！
线性区
UOH
uid
UOL
运放工作在不同的区间，有不同的特点，因此分析 集成运放首先应判断其工作区间。
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模拟电子技术(analog electronic technology)
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第7章 模拟集成电路系统 (Analog Integrated Circuit System)
集成运放(Integrated Operational Amplifier)在信号的运算、
处理和产生等方面得到广泛的应用。
二、电压比较器的开环应用——简单比较器 三、迟滞比较器——施密特触发器
7—4—3 窗口比较器
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第7章 模拟集成电路系统 (Analog Integrated Circuit System)
2018年10月12日星期五
集成运放(Integrated Operational Amplifier)在信号的运算、
处理和产生等方面得到广泛的应用。
如正弦波振荡器、多谐振荡器等
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集成运放知识回顾 集成运放由哪些单元电路构成？传输特性如何？
R'x ui2 ui1 R'
R1
_ + uo
,则 R1 R, R1 Rx 若保证
R1 R2
R2 uo (ui1 ui2 ) R1
点击此处放大
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R2 1 Rx R2 R Rx Er ( ) ( ) Er R1 2 R Rx 2 R1 R Rx
＝ ＝ ＝
Rf
i3 ∑
uo
R2 R3 如何满足输入电阻阻值要求？
Rf Rf Rf uo if Rf ui1 ui2 ui3 R1 R2 R3
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解 为满足输入电阻均≥100kΩ，选R2=100kΩ， 针对
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二、同相相加器(In-Phase Adder)
1.电路结构及分析方法
R3 // R2 R3 // R1 u ui1 ui2 R1 R3 // R2 R2 R3 // R1 u i1 R u uo uf u i2 R Rf
R － R1 ＋
Rf
uo
R2
R3 // R2 R3 // R1 Rf uo (1 )( ui1 ui2 ) R R1 R3 // R2 R2 R3 // R1
模拟电子技术(analog electronic technology)
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u i1
R1 1 50 k R2 1 00 k
Rf 3 00 k
u i2
－ Rp ＋ 5 0k
图7—2 满足例1要求的反相相加器电路
uo
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模拟电子技术(analog electronic technology) 24
补充例1 A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 ~ +5V， 现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电 路，将其变化范围变为0~+5V。 uI
电平抬高电路
uO
A/D
计算机
+5V
+5V +2.5V
-5V
uO = 0.5uI+2.5V
第7章 模拟集成电路系统
一、理想运算放大器概念 二、理想运算放大器特性 1.理想运放工作在线性状态时的特性 2.理想运放工作在非线性状态时的特性 7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用 7—1—1 相加器 一、反相相加器
二、同相相加器
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R3
当R1=R2时
图7—3 同相相加器电路
R3 // R1 Rf uo (1 )( )( ui1 ui2 ) R R2 R3 // R1
2.电路缺点 各信号源支路互不独立; 有共模信号输入
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uO =0.5uI +2.5V =0.5 (uI +5)V
uI
+5V 20k 20k 10k _ + 5k 20k
20k
_ +
uO1 10k
uO
20 10 uO1 ( uI 5) 0.5( uI 5) uO uO1 0.5( uI 5) 20 20
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激励源
压力传感器
相减放大器 R1 R2 _ + R2 uo
R Er R
R Rx
Er u Rx E ui1 i2 r R Rx 2
R R 2
R // Rx Rx
R1
压敏电阻
uo
R2
R2 R2 R2 ui2 (1 )ui1 R1 Rx R2 R1 R R1 Rx
R4
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R1 －
ui1 ＋ R2
R3 uo1
R3 uo1 (1 )u R1 R3 R4 (1 )( )ui1 R1 R2 R4
R4
R1 ui2
－
＋ R2 R4
R3 uo2
R3 uo2 ui2 R1
uo uo1 uo2
R3 R3 R4 (1 )( )ui1 ui2 R1 R2 R4 R1
11
比
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∞
频带宽度
模拟电子技术 -3dB (analog electronic technology)
BW
二、理想运算放大器特性
1.理想运放工作在线性(linear)状态时的特性
(1)“虚短”特性(virtual short circuit) i uuo 0 由于 uid u u u+ Aud