第7章 模拟集成电路及其应用电路
《模拟集成电路》课件
，以便对设计的电路进行全面的测试和评估。
PART 05
模拟集成电路的制造工艺
REPORTING
半导体材料
硅材料
硅是最常用的半导体材料，具有 稳定的物理和化学性质，成熟的 制造工艺以及低成本等优点。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等化合物半导 体材料，具有高电子迁移率、宽 禁带等特点，常用于高速、高频 和高温电子器件。
《模拟集成电路》课 件
REPORTING
• 模拟集成电路概述 • 模拟集成电路的基本元件 • 模拟集成电路的分析方法 • 模拟集成电路的设计流程 • 模拟集成电路的制造工艺 • 模拟集成电路的优化与改进
目录
PART 01
模拟集成电路概述
REPORTING
定义与特点
定义
模拟集成电路是指由电阻、电容、电 感、晶体管等电子元件按一定电路拓 扑连接在一起，实现模拟信号处理功 能的集成电路。
围和失真。
信号分析方法
01
02
03
04
频域分析
将时域信号转换为频域信号， 分析信号的频率成分和频谱特
性。
时域分析
研究信号的幅度、相位、频率 和时间变化特性，分析信号的
波形和特征参数。
调制解调分析
研究信号的调制与解调过程， 分析信号的调制特性、解调失
真等。
非线性分析
研究电路的非线性效应，分析 信号的非线性失真和互调失真
音频领域
模拟集成电路在音频领域中主要用于 音频信号的放大、滤波、音效处理等 功能，如音响设备、耳机等产品中的 模拟集成电路。
模拟集成电路的发展趋势
集成度不断提高
随着半导体工艺的不断发展，模 拟集成电路的集成度不断提高， 能够实现更加复杂的模拟信号处
模拟集成电路及应用
模拟集成电路及应用集成电路（Integrated Circuit, IC）是将上千至上百万个电子元件集成在一个芯片上的微电子器件。
集成电路广泛应用于各种电子设备中，包括计算机、手机、电视机、汽车电子、医疗设备等。
集成电路的应用范围非常广泛，产品种类繁多，下面我们来详细介绍一些典型的集成电路及其应用。
首先，我要介绍的是数字集成电路。
数字集成电路是将数字信号处理功能集成在一起的集成电路。
其中，最典型的数字集成电路是微处理器（Microprocessor）和存储器（Memory）。
微处理器是计算机的大脑，它可以进行各种算术和逻辑运算，控制计算机的运行。
存储器则是用来存储数据和程序的地方。
微处理器和存储器相互配合，构成了计算机的核心部件。
除了计算机，数字集成电路还应用在各种数字信号处理设备中，比如数字电视、数字音频设备等。
其次，我们来介绍模拟集成电路。
模拟集成电路是用来处理模拟信号（包括声音、图像、电压等）的集成电路。
其中，最典型的模拟集成电路是运算放大器（Operational Amplifier, OP-AMP）和模拟信号处理器。
运算放大器是一种常用的模拟信号处理器，它具有高增益、高输入阻抗等特性，广泛应用于各种模拟信号处理电路中。
比如，在音频放大器、滤波器、数据采集系统中，都可以看到运算放大器的身影。
模拟信号处理器则是一类专门处理特定模拟信号的集成电路，比如声音处理芯片、图像处理芯片等。
另外，还有一类混合集成电路，即同时包含数字信号处理功能和模拟信号处理功能的集成电路。
最典型的混合集成电路是模拟-数字转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）和数字-模拟转换器（Digital-to-Analog Converter, DAC）。
模拟-数字转换器是将模拟信号转换成数字信号的集成电路，广泛应用于各类数据采集系统中，比如数字万用表、数据采集卡等。
而数字-模拟转换器则是将数字信号转换成模拟信号的集成电路，比如在数字音频设备、数字电视设备中就大量应用了数字-模拟转换器。
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
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， 则可采用与双极工艺相容的薄膜技术制作薄膜电容器，形成一
个平行板式的薄膜电容器。通常制作的方法是：先在硅材料上
生长一层SiO2，然后淀积一层导体作为下电极板，接着再淀积 一层介质材料，最后覆盖一层金属导体作为上电极。
图7.2.4 薄膜电容器
仅电路的仿真过程变长而且仿真的收敛性也变差。
为了提高设计效率、缩短设计周期，可以首先将复杂的 电路划分为若干模块，各个设计小组按照统一的标准并持设 计各自的模块，然后分别完成各个模块的晶体管级电路仿真 和版图验证，最后在此基础上完成整个系统的集成。---模块
设计
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 引言 4.2 集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS工艺流程 4.4 设计规则 4.5 CMOS反相器的闩锁效应 4.6 版图设计 第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS管逻辑电路 5.2 静态CMOS逻辑电路 5.3 MOS管改进型逻辑电路 5.4 MOS管传输逻辑电路 5.5 触发器 5.6 移位寄存器 5.7 输入输出（I/O）单元
中 实 现 的 MOS 电 容 ， 匹 配 精 度 比 电 阻 好 ， 一 般 约 为
0.1%~5%，因此在D/A、A/D转换器和开关电容电路等集 成电路中，往往用电容代替电阻网络。下表列出了扩散电阻、
离子注入电阻和MOS电容器的若干性能比较。
元件匹配数椐比较
元 件 制造工艺 匹配 温度系数 +2×10-3 /℃ +4×10-3 /℃ +2.6×10-3 /℃ 电压系数
第二章
第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
《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。
模电模拟集成电路
• 模电模拟集成电路概述 • 模电模拟集成电路的基本元件 • 模电模拟集成电路的设计与制作 • 模电模拟集成电路的应用 • 模电模拟集成电路的挑战与展望
01
模电模拟集成电路概述
定义与特点
定义
模电模拟集成电路是指模拟信号处理 的集成电路，通过电路的模拟实现信 号的放大、滤波、转换等功能。
03
模电模拟集成电路的设计与制作
设计流程
需求分析
明确电路的功能需求，分析性 能指标，确定设计目标。
元器件选择
根据电路性能要求，选择合适 的元器件类型和规格。
电路设计
根据需求和元器件特性，进行 电路拓扑结构设计，确定电路 参数。
版图绘制
将设计好的电路转换为版图， 为后续制作提供依据。
制作工艺
薄膜制备
VS
详细描述
二极管是一种具有单向导电性的电子元件 。在模拟集成电路中，二极管常用于整流 电路和开关电路，以实现信号的转换和传 输。不同类型的二极管具有不同的特性和 用途。
三极管
总结词
三极管是模拟集成电路中的核心元件，用于放大和开关信号。
详细描述
三极管是一种具有电流放大作用的电子元件，有三个电极。在模拟集成电路中，三极管常用于放大电路和开关电 路，以实现对信号的放大和传输。根据需要，可以选择不同类型的三极管以满足不同的放大和开关需求。
图像传输
模电模拟集成电路还用于 图像的传输和处理，如在 电视广播和视频会议中的 应用。
控制系统
模拟控制
模电模拟集成电路在控制系统中用于模拟控制， 如温度、压力和流量的调节。
传感器接口
模电模拟集成电路用于连接传感器和控制系统， 将传感器的信号转换为可处理的模拟信号。
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
模拟集成电路及其应用解读
12
Chapter 6 模拟集成电路及其应用
三、集成运放的电压传输特性、理想模型和分析依据
1. 电压传输特性
u UO(sat)
o
正饱和区
–Uim O
线性区
Uim u? ? u?
u–
– Auo +
uo
+ u+
uo ? Auo (u? ? u? )
若 Auo = 106
± UO(sat) = ±15 V 则 ±UIM = ±0.015 mV
基本放大器 ——并联反馈 Xf(If )
20
Chapter 6 模拟集成电路及其应用
.
.
Ii
Ii′
＋
.
.ISRSA－. If.
F
(a )
＋ .
RL uo －
RS
＋ . US
－
＋
＋ .
Ui′
－
. Ui
.
＋
－
. Uf
－
.
A
. Io .
F
(b)
. Io
＋
.
RL
Uo
－
从输出端看：电压反馈 从输入端看：并联反馈
关于集成电路
集成电路是 60年代初期发展起来的， 采用半导体 制造工艺，在一小块硅的单晶片上制作具有特定功 能的电子线路。 集成电路分为： 模拟集成电路与 数字集成电路。
在模拟集成电路中，运算放大器（早期用于模拟 计算机的数学运算）发展最早，应用最广泛。
随着集成技术与集成工艺的迅速发展，其他类 型的模拟集成电路也取得了非常大的进展， 如混频 器、调制器、宽带放大器、高频放大器、功率放大 器、电压比较器、 A/D或D/A转换器等。
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
电路中的模拟电路与模拟集成电路
电路中的模拟电路与模拟集成电路电路是现代科技发展中不可或缺的一环。
在电子设备中，模拟电路和模拟集成电路起到了至关重要的作用。
本文将探讨模拟电路和模拟集成电路的应用和发展。
一、模拟电路的概念与应用模拟电路是以连续时间和连续信号为核心概念的电路系统。
它是基于欧姆定律、基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律等基本原理构建的电路。
与数字电路不同，模拟电路处理的是连续变化的模拟信号，可以对声音、光、电压等进行精确地处理和转换。
因此，在音频、视频、通信等领域中，模拟电路被广泛应用。
模拟电路的一个重要应用是放大器。
放大器可以增加信号的幅度，使得信号能够传输到远距离。
放大器的设计需要考虑信号的失真程度、功率损耗以及噪声抑制等问题。
另外，模拟电路在传感器、滤波器和功率供应等方面也扮演着关键角色。
二、模拟集成电路的概念和发展模拟集成电路（Analog Integrated Circuits，简称AIC）是将模拟电路的各个功能模块集成在一个芯片上的电路。
模拟集成电路最早出现于20世纪60年代，经过几十年的发展和创新，已经成为现代电子技术中的重要组成部分。
模拟集成电路的发展使得电子设备的功能越来越强大。
由于模拟集成电路中的各个模块可以在同一芯片上紧密集成，因此其功耗和尺寸都得到了极大的优化。
例如，手机中的模拟集成电路可以实现收发信号、音频放大、射频发射等多个功能，同时保持电池寿命的延长。
另一个重要的应用是模拟集成电路在汽车电子中的应用。
随着汽车电子化的快速发展，各种功能的集成成为一个重要趋势。
引入模拟集成电路可以实现车载音频系统、导航系统、驾驶辅助系统、安全遥控系统等多个功能的集成，提高了汽车电子系统的可靠性和性能。
总结：模拟电路和模拟集成电路在现代科技中所发挥的作用不可低估。
它们不仅应用于日常生活中的音视频和通信设备，还在汽车、医疗、航空等领域发挥核心作用。
随着科技的不断进步，模拟电路和模拟集成电路的发展将更加迅速，为人们提供更加便利和高效的电子设备。
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基准电流
U BE1 U BE0 U BE
I B1 I B0 I B , I C1 I C0 I C 2IC IR IC 2IB IC IC IR 2
若 2 ，则I C I R
三、韦德拉电流源电路
要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
② R2称为静态平衡电阻，且R2 = R1∥RF ，保证集成运放两输 入端（即输入级差分放大电路T1和T2管的基极）对地电阻相等。
图解法
设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。
7.3 集成运算放大器的线性应用
u- i i+ u+
uo
uo
线性区（Auo=∞）
理想运算放大器符号
u+－u-
线性运用的分析依据
①虚短 ②虚断 u+= u-
i+= 0，i-= 0
7.3.1 比例运算电路
1．反相比例运算电路 根据虚断 i +≈ 0
二、集成运放的特点
（1）采用直接耦合方式。 （2）输入电阻大、零点漂移小、对共模干扰的抑制能力强。 （3）开环增益高。 （4）体积小、重量轻、耗电少。
单运算放大器μA741外形图
单运算放大器μA741管脚图
三、集成运放的电压传输特性
uO
Uom
uAuo uO u+
实际运算放大器符号
uO=Auo(u+－u-)
1 u RF ui R1uo R1 RF
iu+=0 i1≈ if
输出电压uo与输入电压ui为比例 运算关系，故称比例运算电路。 式中负号表明输出电压 uo的极性 u uo uo 与输i-≈ 0
根据虚短 u-≈ u + =0 由电路得
ui u ui i1 R1 R1
开环电压放大倍数
u+－u-
-Uom
§7.2 集成运放内部的单元电路
7.2.1、差分放大电路 7.2.2、镜像电流源电路
零点漂移现象及其产生的原因
零点漂移现象：uI＝0，uO≠0的现象。
产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶 体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。 克服温漂的方法：采用差分放大电路。
7.2.1 差分放大电路 1. 静态分析
Rc
Rb
Rc
Rb
I BQ1 I BQ2 I BQ I CQ1 I CQ2 I CQ I EQ1 I EQ2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ U OQ U CQ1 U CQ2 0
抑制零点漂移
Re
稳定静态工作点 输入回路方程： VEE I BQ Rb UBEQ 2I EQ Re
I EQ
VEE U BEQ VEE U BEQ Rb 2 Re 2 Re 1
Rb 2(1 ) Re
U CEQ VCC VEE I EQ Rc 2 I EQ Re
2. 动态分析
（1）共模输入
共模信号：数值相等、极性相同的 输入信号，即
差模放大倍数
uOd Ad uId
RL ( Rc ∥ ) 2 Ad Rb rbe
uId b1 e Re c1 uOd
uId 2iB ( Rb rbe )
RL uOd 2iC ( Rc∥ ) 2
c2 -uOd
-uId
b2
（3）差分输入
uI 1 uIc uId uI 2 uIc uId
I E1 (U BE0 U BE1 ) Re
I E I Se
U BE UT
I E1 e I E0
U BE1 U BE0 UT
I E1Re U BE1 U BE0
Re
I E1 U T ln I E0
I E1 I C1 I E0 I C0 I R VCC U BE0 R
IC≈IE=I/2
I EQ
VEE U BEQ 2 Re
Rb 2(1 ) Re
为增大输入电阻，应增大Rb， 则Re也增大，而IEQ减小，易使三 极管截止。
7.2.2 镜像电流源电路
一、基本镜像电流源电路
T0 和 T1 特性完全相同。
I R (VCC U BE ) R
uI1 uI2 uIc
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2
uOc uC1 uC2 0
uOc 共模放大倍数Ac 0 uIc
（2）差模输入
差模信号：数值相等，极性相反 的输入信号，即
uI1 uI2 uId
差模信号作用时的动态分析
两个 输入端 一个 输出端
集成运放电路四个组成部分的作用
输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad 大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最 大不失真输出电压尽可能大。 偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采 用电流源电路。
uI1 uIc uIc uI2
uId
uId
uI 1 uI 2 u Ic 2 u uI 1 uI 2 Id 2
uO UOQ AcuIc 2 Ad uId Ad (uI 1 uI 2 )
静态输出 共模输出 差模输出
采用恒流源的差分放大电路
第7章 模拟集成电路及其应用电路
§7.1 集成运算放大器概述 §7.2 集成运放中的内部单元电路 §7.3 集成运放的线性应用 §7.4 集成运放的非线性应用
7.1 集成运算放大器概述
集成运算放大器，简称集成运放，是一个高性能的直接 耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
一、集成运放的电路组成
if
RF
RF
uo ui R1 RF
RF uo ui R1
RF uo ui R1
I注意： ①反相比例运算电路中集成运 放工作在闭环状态之下，故电 压放大倍数称为闭环电压放大 倍数，即 I+
uo RF Auf ui R1
说明电阻R1和RF参与运算，若其 精度足够高，就能保证运算电路 有足够的精确度，而与集成运放 本身的参数无关