第八章 模拟单元与变换电路
第8章电子教案
返回首页 第 8 章 数模和模数转换器 如图所示权电阻网络D/A转换器中，设 n=4，VREF=-10v， 转换器中， 如图所示权电阻网络 转换器中 ， ， RF=R/2，试求： ，试求：
(1)当输入数字量 D3D2D1D0=0001 时，输出电压的值； 当输入数字量 输出电压的值； (2)当输入数字量 D3D2D1D0=1001 时，输出电压的值； 当输入数字量 输出电压的值； (3)当输入数字量 D3D2D1D0=1111 时，输出电压的值。 当输入数字量 输出电压的值。 解： uO = − − 10 (0 × 2 3 + 0 × 2 2 + 0 × 21 + 1 × 20 ) 24 = 0.625V − 10 uO = − 4 (1 × 2 3 + 0 × 2 2 + 0 × 21 + 1 × 2 0 ) 2 = 5.625V − 10 uO = − 4 (1 × 2 3 + 1 × 2 2 + 1 × 21 + 1 × 20 ) 2 = 9.375V
…
第 8 章 数模和模数转换器
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数字输出量
A/D转换器 转换器
模拟输入量
第 8 章 数模和模数转换器
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3. A/D转换器分类 转换器分类
按工作原理分 按输入方式分 按输出方式分 按性能特点分 按输出是否带三态缓冲分
第 8 章 数模和模数转换器
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按工作原理分 计数式ADC、 、 计数式 双积分式ADC 双积分式
第 8 章 数模和模数转换器
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按性能特点分 ①按分辨率分 4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位、 、 、 位 位 位 位 位 位 位 ②按转换速度分 低速、中速、高速、超高速 低速、中速、高速、 转换时间分别为≥1s、 （转换时间分别为 、≤1ms、≤1us、≤1ns） 、 、 ） ③按转换精度分 低精度、中精度、高精度、 低精度、中精度、高精度、超高精度
模拟电子技术 清华华成英第四版 第八章
Xf Xi
+
Xf Xi
XO Xi
•
Xf XO
AF 1
AF AF 1 幅值平衡条件
Arg AF Arg A Arg F A F 相位平衡条件 2n (n 0、1、 2）
二、起振和稳幅
起振的条件： Xf 稍大于 Xi 即
Xf Xi
．．
ＡF
1
稳幅的条件： Xf Xi 即
Xf Xi
．．
ＡF 1
2M 2 Ri2 2 L22
•
L2
优点： 容易振荡
缺点： 能量损耗大，变压器 器件笨重
例：分别标出图所 示各电路中变压器 的同名端，使之满 足正弦波振荡的相 位条件。
三、电感反馈式振荡电路(电感三点式)
判定原则：
中间交流接地，首尾反向， 首或尾端交流接地，另两端 同向
振荡频率： f0
2
1 LC
（本题10分）一电压比较器电路及参数如图所示。请求出 该电路的阈值电压，画出电压传输特性曲线，并说明是何 种类型的电压比较器
2解：所示电路为反相输入的滞回比较器 （3分）
uO＝±UZ＝±6V。令
uP
R1 R1 R2
uO
R2 R1 R2
U REF
uN
uI
（2分）
求出阈值电压：UT1＝0 V UT2＝4 V （2分）
U ＝ T
R
R 1
＋R
•U Z
1
2
uo从+UZ跃变到-UZ的 阈值电压为+UT
uo从-UZ跃变到+UZ的 阈值电压为-UT
uI在-UT与+UT之间增加或减 小, uO不发生变uO化
+UZ
模拟集成电路基本单元
模拟集成电路基本单元第八章模拟集成电路基本单元8.1 电流源电路8.2 基准电压源8.3单端反相放大器8.4差分放大器8.5运算放大器8.6振荡器18.1电流源电路基本偏置：电流偏置：提供电路中相关支路的静态工作电流。
电压偏置：提供相关节点与地之间的静态工作电压。
电流源电路：做各种放大器的恒流偏置，且可用它取代电阻作为放大器的负载。
对电流源的基本要求：有足够大的动态内阻、对温度的敏感度极低、能抵抗电源电压或其他外因的变化。
电流偏置电路的基本形式是电流镜。
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比例关系而成比例。
28.1.1 双极型镜像电流源2电流源电流I 0与另一支路(参考支路)的电流I R (参考电流)近似相等I 0与对温度敏感的晶体管参数几乎无关，电路具有较好的温度特性。
缺点：动态内阻(~r ce )不够大，镜像精度不够高，抗电源电压变化能力较差。
基本镜像电流源（电流镜）0CC BE R V U I I R -≈=0C C R V I I R ≈≈若V CC >>U BE 3基本镜像电流源的镜像误差在此支路中插入一射极跟随器T 3，利用T 3的电流放大作用，进一步减小T 1、T 2基极电流对I R 的分流作用，提高镜像精度。
030321B R B I I I I I b =+=++3带缓冲级的镜像电流源I o 与I R 的差值由2I B 减小到2I B ／(1+β3)4330(1)(1)()E B R I I I I b b =+=+-0322E B I I I b ==02112211(1)R RI I I b b b =≈+++1b >>如果T 3的工作电流(约为2 I B )很小，其β值也就较小，则T 3的缓冲作用就不够好，镜像精度就不够高。
为了适当提高T 3的工作电流，在T 1、T 2的基、射极间并联了一只电阻。
030321B R B I I I I I b =+=++R B 若R B 选得过小，T 3电流过大，则又加大了I o 与I R 的差值。
模拟电路简明教程7-8章习题答案 ppt
15 6.8 0 -4.8
t
-15
解：滞回比较器
RF R2 uT U REF uZ 6.8V R2 +RF R2 +RF
uo/V
7
0 -7
t
RF R2 uT U REF uZ 4.8V R2 +RF R2 +RF
RF R2 U REF U Z 7.3V 解：U T+ R2 RF R2 RF RF R2 U T- U REF U Z 3.3V R2 RF R2 RF
D U T U T+ U T 4V
uo/V
6
0
-6
3.3
7.3
uI/V
传输特性
8-10 图示的正向输入端滞回比较器电路，试估算其两 个门限电平UT+和UT-以及门限宽度DUT的值，并
（b） R R 1 4 0.8
4 4 4 uo uI1 + uI2 uI3 1 4 1 4uI1 uI2 4uI3
7-16 在图中，设A1、A2、A3、A4均为理想运放； ① A1、A2、A3、A4各组成何种基本运算电路？
② 分别列出uo1、uo2、uo3和uo4与输入电压uI1、uI2、
0 -7
t
②稳压管的稳压值UZ=±7V ，且参考电压UREF=6V，
R1=R2=10k；
uI/V
15 0 -6 –15
t
uo/V
解：单限比较器
R1 UT U REF 6V R2
7
0 –7
t
③稳压管的稳压值UZ=±7V ，且参考电压UREF=6V，
R1=8.2k，R2=50k， RF=10k 。
《模拟电子电路_模电_课件_清华大学_华成英_8_波形的发生和信号的转换》
理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且 阻抗无穷大。 1 谐振频率为 f 0 2 π LC 在损耗较小时，品质因数及谐振频率
1 L 1 Q ，f 0 R C 2 π LC
损耗
在f＝f0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电 阻为多少？
华成英 hchya@
二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路
四、石英晶体正弦波振荡电路
华成英 hchya@
一、正弦波振荡的条件和电路的组成
1. 正弦波振荡的条件
无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路 中引入的是正反馈，且振荡频率可控。
常合二为一
4、分析方法
1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否 可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。
华成英 hchya@
相位条件的判断方法：瞬时极性法
Ui ( f f 0 )
为什么用分立元 件放大电路
C1是必要的吗？ 特点： 易振，波形较好；耦合不紧密， 损耗大，频率稳定性不高。
为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式 电路。 如何组成？
华成英 hchya@
3. 电感反馈式电路
Uf
华成英 hchya@
4、集成运放的非线性工作区
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
无源网络
理想运放工作在非线性区的特点： 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
电子系统设计06_模拟系统及其单元电路2
滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分。 例如，有一个较低频率的信号，包含一些较高频率的干扰。
4. 按逼近函数分： (工程常用)
巴特沃斯(Bueeerwoth)滤波器: 幅频特性有最大平坦响应 切比雪夫(Chebyshev)滤波器: 通带呈等起伏变化 椭圆(Elliptic)滤波器: 通带和阻带呈等起伏变化 还有：Bessel、Linear Phase、….
电子系统设计
61
3.4 模拟信号变换单元
电子系统设计
62
3.4 模拟信号变换单元
电子系统设计
63
3.4 模拟信号变换单元
零点与满度的调整
电路见P63
电子系统设计
64
3.4 模拟信号变换单元
电压—频率变换器(VFC)
应用：高分辨率ADC、长时间高精度积分器、双线高抗噪声数字 传输、数字电压表。
二阶高通压控电压源电路(VCVS)
说明：运放ri > 10R2 运放Aod > 50Av
3.3 模拟信号调理单元
二阶高通无限增益多路反馈电路(MFB)
3.3 模拟信号调理单元 7. 巴特沃斯带通滤波器的设计：
带通巴特沃斯滤波器传递函数： 可由低通滤波器的传递函数，经变换得到：
1 s 2 + ω02 s= BW s
通用型： LM339(失调电压2mV，响应时间1300ns)
高速型： LM306 (失调电压1.6mV，响应时间28ns)
电子系统设计
48
3.4 模拟信号变换单元 1. LM339介绍
四比较器 OC输出端（接上拉电阻，3-15kΩ） 共模输入：0V ～ V+-1.5V
模拟电路第八章
UP
R1
稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加 稳定输出电压的幅值， 入非线性环节。 入非线性环节。 例如， 选用R 例如，可选用 1为正温度系数的热敏 电阻。 因某种原因而增大时，流过R 电阻。当U0因某种原因而增大时，流过 f 上的电流增大， 上的功耗随之增大, 和R1上的电流增大，R1上的功耗随之增大 导致温度升高。因而R 的阻值增大,从而使 导致温度升高。因而 1的阻值增大 从而使
模
拟
电
子
技
术
四、判断电路是否可能产生正弦波振荡 的方法和步骤 观察电路是否包含了放大电路 放大电路、 ⑴观察电路是否包含了放大电路、选频网 正反馈网络和稳幅环节四个组成部分 四个组成部分。 络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。 判断放大电路是否能够正常工作， ⑵判断放大电路是否能够正常工作，即 是否有合适的静态工作点且动态信号是否能 够输入、输出和放大， 够输入、输出和放大，没有被短路或断路 。 ⑶利用瞬时极性法判断电路是否满足 正弦波振荡的相位条件。 正反馈) 正弦波振荡的相位条件。(即正反馈)。 ⑷判断电路是否满足正弦波振荡的幅 条件，即是否满足起振条件。 值条件，即是否满足起振条件。
模
拟
电
子
技
术
的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件 的比例系数是电压放大倍数， 和幅值条件： 和幅值条件： & Rf UO & = Au =1+ ≥3 R f ≥ 2R1 &
R f 的取值应略大于 的取值应略大于2R1。应当指出，由 应当指出， & & 具有良好的线性关系， 于 U 与U 具有良好的线性关系，所以为了
图8.1.5 RC 串并联选频网络的频率特性曲线
模拟电路 第四版第8章 波形的发生和信号的转换PPT精品文档46页
根据选频网络所用元件的不同，分为RC、LC和石英晶体 正弦波振荡电路三种类型。
8.1.2. RC 正弦波振荡电路
RC正弦波振荡电路也叫RC桥式正弦波振荡电路 或文氏桥振荡电路
放大电路
-+
选频网络 反馈网络
构成桥路 8
R C
U f R
Rf
+
A
C
-
R1
R C
U o
R
C
U f U o
F
U f Uo
f0
f
条 件 ， 电 路 能 够 产 荡生 。振
90o
10
根据起振条件 A ：3，
R
可得电路R中f 和R1的关系：
C
Rf
A 1 Rf 3 R1
+
U f R C
A
-
U o
Rf 2R1
R1
调节振荡器频率的办法
：
1
fo 2RC
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
原因：要提高其振荡频率，必须减小 R 和 C 的值，放大器 的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性， 输出频率不稳定。
11
振荡频率可调的选频网络 例：已知电容的取值分别为
0.01μF, 0.1μF, 1μF, 10μF, R=50Ω, RW=10kΩ. 求: f0的调节范围.
双联波段开关， 切换C，用于粗 调振荡频率。
1A F 0则 :A F
正反馈足够强，输入信号为 0 时仍有信号输出，产生自激振3 荡
要获得一定频率的正弦自激振荡,反馈回路中必须有
选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：A()、 F()
自激振荡的条件： A ()F ()1
天大模拟电子第八章第一节
波形发生器就是各种波形信号的产生电路，如正弦波发生电路，各种非正弦波 发生电路。信号转换电路就是用来实现信号转换的电路，如模拟信号转换为数字信 号的电路，电压信号转换为成电流信号的电路，电流信号转换为电流信号的电路， 电压信号转换为频率信号的电路等。
8.1 正弦振荡电路
8－1－3。 U 1 、 U 2 相量图如图 8－1－4。
图 8－1－3 f 很低时的近似电路 8－1－4 相量图
• • •
可见在输入信号频率很低时， U 2 超前于 U 1 一个 ϕ 角。且 f 越低 U C1 值就越大，
• •
而 U R2 值就越小，则 ϕ 就越大；当 f＝0 时， ϕ ≈90°，| U 2 |≈0V。 Ⅱ.当 f 很高时：
• •
1 。将 RC 串并 2πRC
网络对 f＝f0 信号的反馈系数的模和相角，代入正弦振荡电露的自激平衡振荡和起振 FA≥1 (振幅条件) ϕ F＋ ϕ A＝2n π (n＝0,1,2,3…) 相位条件
F A ≥1{
由于 F＝
1 ，则要求 A≥3；由于 ϕ F＝0°，则要求 ϕ A＝0°(或 2n π )，即同相 3
基本放大电路
正反馈网络
图 8－1－1 正弦振荡器基本电路框图 输入信号被振荡电路中的放大电路放大后， 一方面向伏在输出振荡波形 （信号） ， 另一方面经一定的电路将输出信号的一部分馈送到放大电路的输入端，成为输入信 号，电路循环工作就会有稳定的交流信号输出，即将直流电源的能量转变成交流能 量而输出。 3．自激平衡振荡条件和起振条件 （1）自激平衡振荡条件 欲达到电路有稳定的输出，则要求：
图 8－1－16 LC 并联回路
1 (R + j ω L) 1 ω C Z=ZC//(R＋ZL)＝ //(R＋ZL)＝ 1 jω C -j + R + jωL ωC −j
模电第八章讲稿01
UT ＝0
uI
UZ 数值有何限制？
R 的作用？
D1和D2的作用？
7
单限比较器
1. 过零比较器
在上述电压比较器电路 中，集成运放工作在非 线性区，其内部的晶体 管要么工作在截止区， 要么工作在饱和区。
1. 这样的电路存在什 么问题？
2. 在选择运放时还应 该注意什么？
3. 如果要解决这种问 题，除了在选择运 放时要有所考虑， 还有什么办法？
电压传输特性：uo＝f（uI） 阈值电压（转折电压）：使输出电压从UOH 跃变为UOL，或者
从UOL 跃变为UOH 时的输入电压 UT
3
概述
1. 电压比较器的电压传输特性
UT
为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素： （1）输出电压高电平和低电平的数值UOH 和UOL； （2）阈值电压的数值UT； （3）当uI 变化且经过UT 时， uo 跃变的方向，即是从UOH 跃 变为UOL ，还是从UOL 跃变为UOH ；
1.集成运放净输入电压和净输入电流为零，保 护了输入级；
2.工作在线性区，避免了内部晶体管从截止区 逐渐进入饱和区或者从饱和区逐渐进入截止 区过程，提高了输出电压的变化速度。
8
单限比较器
2. 一般单限比较器
（1）如何改变阈 值电压的大小？
（2）如何改变阈 值电压的极性？
（3）如何改变在 阈值电压处输出电 压的跃变方向？
u1
1
uO
4
t
uO1
-4
4
t
12
uO
-12
4
t
A1和A
为理想运放，最大输出电压幅值
2
12V，
1.指出电路由哪两部分单元电路组成，若要保持直流平衡，R1＝？
南开大学802《电子综合基础》考研大纲_考试大纲题型资料_电子科学与技术专业
南开大学802《电子综合基础》考研大纲_考试大纲题型资料_电子科学与技术专业南开大学802《电子综合基础》考研大纲的作用就是明确考研内容试题题型知识点，备考南开大学，首先要了解到的便是考研大纲，决定着自己复习的方向是否正确。
天津考研网建议在复习南开大学802《电子综合基础》考研过程中增强自己的实力，调整自己的心态，增强成功信心。
祝大家考研复习顺利！（数字电路部分）一、考试目的本考试是全日制“080900电子科学与技术”专业硕士学位研究生的入学资格考试之专业基础课《电子综合基础》的数电部分，这部分成绩占该门考试课成绩的一半，即75分。
各招生专业根据考生参加本考试的成绩和其他三门考试的成绩总分来选择参加第二轮，即复试的考生。
二、考试的性质与范围本考试是测试考生对数字逻辑电路分析、设计及应用能力的水平考试。
考试范围包括本大纲规定的数字逻辑电路的知识。
三、考试基本要求1.具备一定的电工基础和模拟电路的背景知识。
2.对数字逻辑和门电路、触发器有较强的基本功。
3.具备较强的数字电路分析和设计能力。
四、考试形式本考试采取基本概念试题与综合试题相结合，电路分析与设计测试相结合的方法，强调考生的数字逻辑电路综合知识能力。
试题分类参见“考试内容一览表”。
五、考试内容本考试包括三个部分：数字电路基本知识、数字电路分析、数字电路设计。
总分75分。
I.基本知识1.考试要求要求考生对数字逻辑、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、单稳态触发器、多谐振荡器、可编程逻辑器件、A/D与D/A转换器有全面的了解。
2.题型主要是选择、填空、画电路图和波形。
II.数字电路分析1.考试要求该部分要求考生根据所给出的组合逻辑电路和时序逻辑电路，分析其功能，电路形式可以是门电路、触发器、中规模组件、可编程器件。
2.题型试卷提供电路图、电路分析的具体要求。
III.数字电路设计1.考试要求考生应能根据所给题目中的逻辑问题设计组合逻辑和时序逻辑电路。
模拟电路第八章课件
0
Q 0 π t u BE
(c)
(c)C类(导通角＜90°)
9
甲乙类（AB类）：工作点选在放大区中， 但靠近截止区的地方，导通角<</2。
iC iC
Q 0
π 2π
t 0
u BE
10
(d)
8-2 甲类(A类)功率放大器
一、电路
RB N1 ∶N2 RL ′ UCC RL
V ui ＋ CB
40
U CC U om (max) 2
故，该电路负载得到的最大交流功率PLm为
2 U 1 om (max)
PLm
PEm
2
RL
2 CC
U CC 2 ( ) 2 1 2 1 U CC 2 RL 8 RL
U 2RL
41
max 78.5%
为保证功率放大器良好的低频响应，电容C 必须满足
6
二、工作状态分类
甲类（A类）：工作点Q设在放大区，对于输入信号为正 弦波的整个周期内ic0，即三极管在整个周期都导通。因 此导通角 =。 导通角：通常将一个周期内出现集电极电流部分所对应 角度的一半称为集电极电流的导通角
iC iC Q
(a)甲类(导通角为180°)
0 t 0 uBE
在没有交流输入时，电源功率全 部转变为管耗。
35
4 乙类互补推挽功率放大电路的交越失真： 若分析时，UBE(on)0，则输出会产生交越失真：
i C1 i o ,u o 交越失真 0 u BE 0 ωt
i C2 0 ui
为了解决交越失真，给晶体管稍加一点偏置，使 之工作在甲乙类放大状态：
ωt
36
RC V1 VD1 VD2 V2 Ui ＋ － V3
（整理）模电各章重点内容及总复习外加试题和答案
（整理）模电各章重点内容及总复习外加试题和答案《模电》第⼀章重点掌握内容：⼀、概念1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
2、半导体奇妙特性：热敏性、光敏性、掺杂性。
3、本征半导体：完全纯净的、结构完整的、晶格状的半导体。
4、本征激发：环境温度变化或光照产⽣本征激发，形成电⼦和空⽳，电⼦带负电，空⽳带正电。
它们在外电场作⽤下均能移动⽽形成电流，所以称载流⼦。
5、P型半导体：在纯净半导体中掺⼊三价杂质元素，便形成P型半导体，使导电能⼒⼤⼤加强，此类半导体，空⽳为多数载流⼦（称多⼦）⽽电⼦为少⼦。
6、N型半导体：在纯净半导体中掺⼊五价杂质元素，便形成N型半导体，使导电能⼒⼤⼤加强，此类半导体，电⼦为多⼦、⽽空⽳为少⼦。
7、PN结具有单向导电性：P接正、N接负时（称正偏），PN结正向导通，P接负、N接正时（称反偏），PN结反向截⽌。
所以正向电流主要由多⼦的扩散运动形成的，⽽反向电流主要由少⼦的漂移运动形成的。
8、⼆极管按材料分有硅管(S i管)和锗管(G e管)，按功能分有普通管，开关管、整流管、稳压管等。
9、⼆极管由⼀个PN结组成，所以⼆极管也具有单向导电性：正偏时导通，呈⼩电阻，⼤电流，反偏时截⽌，呈⼤电阻，零电流。
其死区电压：S i管约0。
5V，G e管约为0。
1 V ，其死区电压：S i管约0.5V，G e管约为0.1 V 。
其导通压降：S i管约0.7V，G e管约为0.2 V 。
这两组数也是判材料的依据。
10、稳压管是⼯作在反向击穿状态的：①加正向电压时，相当正向导通的⼆极管。
（压降为0.7V，）②加反向电压时截⽌，相当断开。
③加反向电压并击穿（即满⾜U﹥U Z）时便稳压为U Z。
11、⼆极管主要⽤途：整流、限幅、继流、检波、开关、隔离（门电路）等。
⼆、应⽤举例：（判⼆极管是导通或截⽌、并求有关图中的输出电压U0。
三极管复习完第⼆章再判）参考答案：a、因阳极电位⽐阴极⾼，即⼆极管正偏导通。
模拟电子技术第八章节习题答案
详细描述
题目三要求根据给定的技术指标，设计一个放大电路。在设计过程中，需要考虑放大电 路的各项性能参数，如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽等，以满足实际应用 的需求。通过这一题目，掌握了放大电路的设计方法，为今后在实际应用中设计放大电
路打下了基础。
03
重点与难点
重点知识点回顾
放大电路的组成和工作原理
题目3
分析一个振荡电路的稳定性，包括频率稳定性、相位稳定 性等，并设计一个稳定的振荡电路。
实际应用案例分析
1 2 3
题目1
分析一个音频功率放大器的性能指标，包括输出 功率、效率、失真度等，并针对其中一项指标进 行优化设计。
题目2
分析一个无线通信接收机的性能指标，包括灵敏 度、抗干扰能力、动态范围等，并针对其中一项 指标进行优化设计。
难点解析与突破
复杂放大电路的分析方法
放大电路的频率响应分析
掌握复杂放大电路的分析方法，如多级放 大电路、差分放大电路等，能够分析其性 能参数和特点。
理解放大电路频率响应的概念，掌握频率 响应的分析方法，了解频率失真和通频带 等概念。
集成运算放大器的应用
模拟电子技术的实验操作
了解集成运算放大器的基本原理和应用， 如加法器、减法器、积分器等基本运算电 路的设计和分析。
掌握放大电路的基本组成和工作原理， 包括输入输出电阻、电压放大倍数等 参数计算和分析。
放大电路的分类和特点
了解不同类型放大电路的特点和适用 范围，如共射、共基、共集等基本放 大电路。
放大电路的稳定性分析
理解放大电路稳定性的概念，掌握消 除放大电路自激振荡的方法。
功率放大电路的分析与设计
掌握功率放大电路的基本原理和设计 方法，了解功率放大电路的效率、失 真和散热等问题。
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第八章模拟单元与变换电路在VLSI中的模拟集成电路单元主要用于处理连续的小信号，它要求电路的每一个组成单元必须是精确的，因此，模拟集成电路的设计较之数字逻辑的设计是比较困难的。
在VLSI技术中所设计和应用的模拟集成电路应与主流技术相融合，应以MOS模拟集成电路为主要的设计对象。
在本章中的模拟集成电路设计将主要讨论MOS电路技术。
8.1 模拟集成电路中的基本元件电阻、电容和晶体管是模拟集成电路的主要积木单元，MOS晶体管在第二章中已作了介绍，这里将主要讨论电阻和电容的设计。
我们还将考虑一些分布参数对元件性能的影响。
8.1.1 电阻电阻是基本的无源元件，在集成工艺技术中有多种设计与制造电阻的方法，根据阻值和精度的需要可以选择不同的电阻结构和形状。
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。
制造扩散电阻的掺杂可以是工艺中的任何热扩散掺杂过程，可以掺N型杂质，也可以是P型杂质，还可以是结构性的扩散电阻，例如在两层掺杂区之间的中间掺杂层，典型的结构是N-P-N结构中的P型区，这种电阻又称为沟道电阻。
当然，应该选择易于控制浓度误差的杂质层做电阻，保证扩散电阻的精度。
图8.1是一个扩散电阻的结构示意图。
图8.1 扩散电阻结构示意图○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。
离子注入的电阻结构如图8.2所示。
图8.2 离子注入形成的电阻结构○3掺杂半导体电阻的几何图形设计电阻的几何图形设计包括两个主要方面：几何形状的设计和尺寸的设计。
（a）形状设计与考虑图8.1和图8.2给出的只是一个简单的电阻图形，实际的电阻图形形式是多种多样的，图8.3给出了一些常用的扩散电阻的版图形式。
图8.3 常用的扩散电阻图形从图中可以看出有的电阻条宽，如（b ）、（d ）、（e ）图结构，有的电阻条窄，如（a ）、（b ）图结构，有的是直条形状的电阻，如（a ）、（b ）图所示，有的是折弯形状的电阻，如（c ）~（e ）所示，有的是连续的扩散图形，如（a ）~（d ）图结构，有的是用若干直条电阻由金属条串联而成，如（e ）图所示。
那么，在设计中根据什么来选择电阻的形状呢？一个基本的依据是：一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构；小电阻采用直条形，大电阻采用折弯形。
因为在电阻的制作过程中，由于加工所引起的误差，如扩散过程中的横向扩散、制版和光刻过程中的图形宽度误差等，都会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导致电阻值的误差。
电阻条的宽度W 越宽，相对误差W W ∆的越小，反之则越大。
与宽度相比，长度的相对误差则可忽略。
因此，对于有精度要求的电阻，要选择合适的宽度。
因为在光刻工艺加工过程中过于细长的条状图形容易引起变形，同时考虑到版图布局等因素，对于高阻值的电阻通常采用折弯形的几何图形结构。
（b ） 电阻图形尺寸的计算根据具体电路中对电阻大小的要求，可以非常方便的进行设计，所需的参数是工艺提供的各掺杂区的方块电阻值，一旦选中了掺杂区的类型，可以依据下式计算。
WL R R ⋅=□ （8.1）其中，R □是掺杂半导体薄层的方块电阻，L 是电阻条的长度，W 是电阻条的宽度，L/W 是电阻所对应的图形的方块数。
因此，只要知道掺杂区的方块电阻，然后根据所需电阻的大小计算出需要多少方块，再根据精度要求确定电阻条的宽度，就能够得到电阻条的长度。
这样的计算实际上是很粗糙的，因为在计算中并没有考虑电阻的形状对实际电阻值的影响，在实际的设计中将根据具体的图形形状对计算加以修正，通常的修正包括端头修正和拐角修正。
（c ） 端头和拐角修正因为电子总是从电阻最小的地方流动，因此，从引线孔流入的电流，绝大部分是从引线孔正对着电阻条的一边流入的，从引线孔侧面和背面流入的电流极少，因此，在计算端头处的电阻值时需要引入一些修正，称之为端头修正。
端头修正常采用经验数据，以端头修正因子k 1表示整个端头对总电阻方块数的贡献。
例如k 1=0.5，表示整个端头对总电阻的贡献相当于0.5方。
图8.4给出了不同电阻条宽和端头形状的修正因子经验数据，图中的虚线是端头的内边界，它的尺寸通常为几何设计规则中扩散区对孔的覆盖数值。
对于大电阻L 》W 情况，端头对电阻的贡献可以忽略不计。
对于折弯形状的电阻，通常每一直条的宽度都是相同的，在拐角处是一个正方形，但这个正方形不能作为一个电阻方来计算，这是因为在拐角处的电流密度是不均匀的，靠近内角处的电流密度大，靠近外角处的电流密度小。
经验数据表明，拐角对电阻的贡献只有0.5方，即拐角修正因子k 2=0.5。
图8.4 不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子当采用图8.3中（e ）图结构时，由于不存在拐角并且电阻条比较宽，所以这种结构的电阻精度比较高。
但缺点是这种电阻占用的面积比较大，会产生比较大的分布参数。
○4 衬底电位与分布电容 制作电阻的衬底是和电阻材料掺杂类型相反的半导体，即如果电阻是P 型半导体，衬底就是N 型半导体，反之亦然。
这样，电阻区和衬底就构成了一个PN 结，为防止这个PN 结导通，衬底必须接一定的电位。
要求不论电阻的哪个端头和任何的工作条件，都要保证PN 结不能处于正偏状态。
通常将P 型衬底接电路中最低电位，N 型衬底接最高电位，这样，最坏工作情况是电阻只有一端处于零偏置，其余点都处于反偏置。
也正是因为这个PN 结的存在，又导致了掺杂半导体电阻的另一个寄生效应：寄生电容。
任何的PN 结都存在结电容，电阻的衬底又通常都是处于交流零电位，使得电阻对交流地存在旁路电容。
如果将电阻的一端接地，并假设寄生电容沿电阻均匀分布，则电阻幅模的-3db 带宽近似的为：203131L C R RC f □=≈ （8.2） 其中，R □是电阻区的掺杂层方块电阻，C 0是单位面积电容，L 是电阻的长度。
2. 薄膜电阻除了利用掺杂区构造电阻外，还可以利用多种薄膜材料制作电阻。
主要的薄膜电阻有多晶硅薄膜电阻和合金薄膜电阻。
○1 多晶硅薄膜电阻 掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，由于它是生长在二氧化硅层之上，因此，不存在对衬底的漏电问题，当然也不必考虑它的端头电位问题，因为它不存在对衬底的导通。
它仍然存在寄生电容，但其性质与PN 结电容不同。
如果将它做在场氧化层之上，则可大大地降低分布电容。
多晶硅薄膜电阻的几何图形设计与电阻值的计算与上面介绍的掺杂电阻相同，只不过它的R □是多晶硅薄膜的方块电阻。
○2 合金薄膜电阻 合金薄膜电阻是采用一些合金材料沉积在二氧化硅表面上，通过光刻形成电阻条。
常用的合金材料有：Ta ，方块电阻：10~10000Ω/□；Ni-Cr ，方块电阻：40~400Ω/□；SnO 2，方块电阻：80~4000Ω/□；CrSiO ，方块电阻：30~2500Ω/□。
合金薄膜电阻通过修正可以使其绝对值公差达到1%~0.01%的精度。
主要的修正方法有氧化、退火和激光修正。
3. 有源电阻所谓有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态，利用它的直流和交流导通电阻作为电路中的电阻元件使用。
双极型晶体管和MOS 晶体管均可担当有源电阻，在这里将只讨论MOS 器件作为有源电阻的情况，双极型器件作为有源电阻的原理类似。
在第二章中，我们曾介绍了MOS 晶体管的平方律转移曲线，将MOS 晶体管的栅和漏短接，使导通的MOS 晶体管始终工作在饱和区。
有多种有源电阻的结构，图8.5只给出了增强型NMOS 和PMOS 有源电阻的器件接法和电流-电压特性曲线。
在这种应用中应将NMOS 的源接较低的电位，NMOS 管的电流从漏端流入，从源端流出；将PMOS 的漏接较低的电位，电流从源端流入，从漏端流出。
从这每个MOS 晶体管我们可以得到两种电阻：直流电阻和交流电阻。
NMOS 的直流电阻所对应的工作电流是I ，源漏电压是V ，直流电阻()22TN ox n ox V V on V V V W L t R GS -==εμ （8.3） 而交流电阻是曲线在工作点O 处的切线。
因为V DS =V GS ，所以， )(11TN ox n ox m V V DS GSV V DS DSds V V W L t g I V I V r GS GS -⋅⋅==∂∂=∂∂===εμ （8.4） 即交流电阻等于工作点为V 的饱和区跨导的倒数。
显然，这个电阻是一个非线性电阻，但因为一般交流信号的幅度较小，因此，这个有源电阻在模拟集成电路中的误差并不大。
图8.5 MOS有源电阻及其I-V曲线对于PMOS有源电阻，也有类似的结果。
从上述的分析和曲线可以看出，饱和接法的MOS器件的直流电阻在一定的范围内比交流电阻大。
在许多的电路设计中正是利用了这样结构的有源电阻所具有的交、直流电阻不一样的特性，来实现电路的需要。
利用MOS的工作区域和特点，我们也能够得到具有直流电阻小于交流电阻的特性。
从图8.6所示的MOS晶体管伏-安特性可知，工作在O点的NMOS晶体管具有直流电阻小于交流电阻的特点。
图8.6 饱和区的NMOS有源电阻示意图对于理想情况，O点的交流电阻应为无穷大，实际上因为沟道长度调制效应，交流电阻为一个有限值，但远大于其直流电阻。
这样，我们得到了两种有用的有源电阻。
通过对MOS 器件适当的连接和偏置，可以获得所需的有源电阻。
有源电阻在模拟集成电路中得到广泛应用，后面将介绍这些电阻在电路设计中的应用。
8.1.2 电容在模拟集成电路中，电容也是一个重要的元件。
在双极型模拟集成电路中，集成电容器运用的较少。
在MOS集成电路中，由于工艺上制造集成电容相对比较容易，并且容易与MOS器件相匹配，故集成电容用的较多。
在MOS 模拟集成电路中的电容大多采用MOS结构或其相似结构。
1. 以N+硅作为下极板的MOS电容器在MOS模拟集成电路中广泛使用的MOS电容器结构是：以金属或重掺杂的多晶硅作为电容的上极板，二氧化硅为介质，重掺杂扩散区为下极板。
以金属作为上极板得MOS电容器结构如图8.7。
图8.7 金属上极板MOS电容器结构图8.8 多晶硅上极板MOS电容器结构图8.8是以多晶硅作为电容上极板的结构。
这两种结构的MOS电容器都是以重掺杂的N型硅作为下极板，与电阻的衬底情况相似，这里的P型硅衬底也必须接一定的电位，以保证N+和P衬底构成的PN结保持反偏。
当这个PN结处于反偏后，MOS电容器可被认为是无极性电容器。
但是应该看到这种电容器仍然存在PN结寄生电容。
2. 以多晶硅作为下极板的MOS 电容器以多晶硅作为电容器下极板所构造的MOS 电容器是无极性电容器。