《集成电路放大原理》课件

集成电路放大原理欢迎参加《集成电路放大原理》课程本课程专为电子类本科及高职学生设计，系统介绍集成电路放大的基本原理、典型电路及其应用通过本课程，学生将掌握从基础到应用的完整知识体系，为后续电子设计奠定坚实基础我们将深入探讨差分放大电路的工作原理，集成运算放大器的构成与特性，并通过实验与训练巩固理论知识课程配有丰富的教材与参考资料，确保学生能够全面理解并应用相关知识目录基础原理放大器的定义与功能、基本类型、历史发展、性能指标差分放大电路结构特性、工作原理、静态工作点、动态性能分析集成运算放大器基本构成、性能参数、应用电路设计实验与训练电路搭建、参数测试、应用设计实践本课程内容丰富全面，从理论基础到实际应用，帮助学生系统掌握集成电路放大技术我们将通过循序渐进的学习，确保每位学生都能建立完整的知识体系放大器的定义与功能信号放大信号处理基础放大器的核心功能是对微弱信号作为电子系统的关键环节，放大进行放大，使其达到适合后续电器是信号处理链中不可或缺的基路处理或输出设备使用的电平础模块它为信号的滤波、调这一过程不改变信号的基本特制、检波等后续处理提供必要的性，仅增大其幅值，实现信号的信号强度，确保整个系统的正常适配转换工作应用领域放大器广泛应用于音频系统、射频通信、工业自动化控制、医疗设备等领域随着集成技术的发展，现代放大器在体积、功耗、精度等方面都取得了显著进步理解放大器的基本功能与工作原理，是掌握模拟电子技术的关键一步通过本课程，我们将系统学习各类放大器的设计与应用技巧放大电路的基本类型电流放大器将输入电流信号放大为更大的输出电流信号电压放大器•低输入阻抗，高输出阻抗将输入电压信号放大为更大的输出电压•典型应用传感器接口、驱动电路信号•关键参数电流增益、线性度•高输入阻抗，低输出阻抗功率放大器•典型应用前置放大、信号调理提供足够的功率输出，驱动负载•关键参数电压增益、带宽•注重效率与热管理•典型应用音频输出、电机驱动•关键参数输出功率、效率不同类型的放大器在电子系统中扮演着不同的角色，选择合适的放大器类型是电路设计的重要环节在实际应用中，我们常常需要结合多种放大器类型构建完整的信号处理系统集成电路放大的发展简史年代11950分立元件放大器时代，使用真空管和晶体管构建，体积大，功耗高，可靠性低2年代1960首个集成运算放大器问世，标志着模拟集成电路的开端，μA702和μA709成为早期代表年代31970经典运放741诞生，工艺技术突破使性能稳定、成本下降，实现规模化应用4年代1980-2000专用运放蓬勃发展，高速、低噪声、轨到轨等特性不断突破，满足多样化需求现代5纳米级工艺实现超低功耗、高集成度放大器，IoT和便携设备推动技术创新集成电路放大器的发展历程，反映了半导体技术的进步与电子设计的革新从早期的体积庞大、功能单一，到现代的微型化、多功能化，放大器技术已经实现了质的飞跃常用放大器分类按级数分类按信号类型分类按输入方式分类单级放大器结构简单，增益有限，常直流放大器能够放大从零频率开始的差分放大器具有两个输入端，能有效用作前置放大；多级放大器通过级联信号，适用于传感器接口；交流放大抑制共模干扰；单端放大器结构简实现高增益，但需注意稳定性与频率器通过耦合电容隔离直流成分，专注单，但抗干扰能力较弱在现代集成补偿问题现代集成电路中，多级结于交变信号的放大，常见于音频、射电路中，差分结构已成为基本单元，构已成为主流设计方案频应用领域为高性能设计奠定基础不同分类方式反映了放大器设计的多样性与复杂性在实际应用中，我们需要根据具体需求，选择合适的放大器类型，并优化其性能参数，以满足系统要求集成放大器与分立放大器比较集成放大器技术参数对比分立放大器•体积小，重量轻集成放大器在精度与温度稳定性方面•设计自由度高表现优异，内部晶体管匹配度高，差•功耗低，效率高•功率处理能力强分对称性好分立放大器在功率处理•可靠性高，一致性好•可根据需求优化与特殊应用方面具有优势，可根据需•批量生产成本低•维修与调试方便求定制参数，但一致性与可靠性不如•电路设计灵活度受限集成电路•体积大，成本高•功率处理能力有限•参数一致性差两者在噪声性能、频率响应等方面各有千秋，需根据具体应用场景选择现代电子系统常结合两者优势，实现最佳设计理解集成放大器与分立放大器的特点与差异，对于电子工程师选择合适的设计方案至关重要随着技术发展，两种技术路线不断融合创新，共同推动电子技术进步放大电路的主要性能指标增益电压/电流/功率增益，决定放大能力输入输出阻抗影响信号传输效率与系统匹配带宽与频率响应决定处理信号的频率范围失真与噪声影响信号质量与处理精度放大电路的性能指标是评价其质量与适用性的关键依据这些参数相互关联，往往需要在设计中进行权衡例如，增加增益可能导致带宽减小，降低失真可能增加成本在实际应用中，我们需要根据系统需求，确定各项指标的优先级，选择合适的放大器类型和工作模式，以实现最佳的系统性能通过本课程，学生将学习如何分析和优化这些关键参数增益的定义与计算电压增益电流增益分贝表示输出电压与输入电压之输出电流与输入电流之为便于计算和比较，增比，表示为Av=比，表示为Ai=益常用分贝dB表示Vout/Vin在小信号分Iout/Iin电流增益在电压增益dB值计算为析中，通常用微分增益电流放大器和功率放大AvdB=20logAv，电表示，即Av=级中尤为重要，直接影流增益dB值计算为ΔVout/ΔVin电压增响驱动能力AidB=20logAi益是评价电压放大器最直接的指标增益是放大器最基本的性能指标，直接反映了放大器的放大能力在多级放大器中，总增益等于各级增益的乘积，用分贝表示时则为各级增益dB值的和在实际电路分析中，我们需要考虑负载效应对增益的影响，此时增益计算需要引入输入输出阻抗等参数，计算更为复杂放大电路的失真线性失真线性失真不改变输入信号的谐波成分，主要表现为幅频特性和相频特性的非理想性，导致不同频率分量的增益和相位不一致主要包括频率失真和相位失真，前者导致信号幅度变化，后者导致波形变形典型例子如RC耦合放大器的低频截止特性非线性失真非线性失真产生新的频率分量，改变信号谐波结构，主要由放大器的非线性传输特性引起，如晶体管工作在非线性区域表现为信号波形畸变，产生额外谐波，降低信号纯度常用总谐波失真THD衡量，THD越低，放大器质量越高失真测量与控制通过频谱分析仪、失真度分析仪等设备测量失真参数控制失真的方法包括合理设置工作点、使用负反馈、扩大线性范围等技术手段在高保真音频、精密测量等领域，失真控制尤为重要，是设计的核心考量因素理解各类失真的产生机理与控制方法，是设计高性能放大电路的关键在实际应用中，需要根据系统要求，确定可接受的失真限度，选择合适的电路结构和工作模式频率响应及带宽频率Hz增益dB差分放大电路结构基本差分对差分放大电路的核心是由两个完全相同的放大元件（三极管或MOS管）组成的差分对两个三极管发射极（或MOS管源极）连接在一起，通过恒流源偏置，形成对称结构工作原理当两输入端电压相等时，两管电流相等；当存在差模信号时，一管电流增加，另一管电流减小，但总电流保持不变这种对称结构使电路对共模信号具有抑制作用集成实现在集成电路中，差分对通过匹配布局确保两个放大元件参数一致，提高共模抑制能力现代工艺可实现优于

0.1%的匹配精度，大幅提升电路性能差分放大电路是模拟集成电路的基本单元，几乎所有的集成运算放大器都以差分放大电路为输入级掌握差分放大的基本原理，对理解复杂模拟系统至关重要差分放大电路特性共模抑制能力能有效抑制两输入端同时出现的干扰信号对称结构优势温度漂移小，线性度高差分输出灵活性可提供单端或差分输出，适应不同需求共模抑制比CMRR是评价差分放大器性能的关键指标，定义为差模增益与共模增益之比，通常用分贝表示高质量差分放大器的CMRR可达80dB以上，意味着共模信号被抑制10,000倍以上差分放大电路的对称结构使其具有优异的温度稳定性当温度变化时，两个完全匹配的晶体管参数同步变化，相互抵消影响，大幅降低温度漂移这一特性使差分放大器在精密测量、仪器仪表等领域有广泛应用在实际集成电路中，通过精细的版图设计和工艺控制，可以实现高度匹配的差分对，进一步提升电路性能对称布局、共用质心技术是提高匹配度的关键措施差分放大静态工作点分析

0.7V

0.1V差分对基极电压差差分对栅极电压差BJT MOS当温度为25°C时，BJT差分对的两个晶体管电流比典型CMOS工艺中，方管工作在饱和区时，栅极为10:1所需的基极电压差几百毫伏电压差可产生显著电流变化±5V典型输出摆幅标准差分放大器在±15V电源供电下的最大输出电压摆幅范围差分放大器的静态工作点直接影响其动态性能合理设置静态工作点，可确保电路工作在线性区，获得最大的输出摆幅和最佳的线性度偏置电流的大小影响增益、带宽和功耗，需在设计中进行权衡在集成电路设计中，差分放大器的偏置通常采用恒流源电路实现，以提高共模抑制比和电源抑制比温度补偿技术和带隙基准电路的应用，可进一步提高偏置的稳定性，减小温度漂移差分放大动态性能差模信号处理共模信号抑制放大输入信号差值，实现信号放大抵消共同施加于两输入端的干扰线性范围控制输出配置选择通过偏置设计确保工作在线性区域可灵活配置为单端或差分输出差分放大器处理两种信号差模信号（两输入端电压差）和共模信号（两输入端电压平均值）理想差分放大器应只对差模信号响应，完全抑制共模信号实际电路受元件不匹配影响，共模抑制比有限，需通过精心设计提高单端输出与双端输出是差分放大器的两种常见配置单端输出结构简单，但共模抑制能力较弱；双端输出保持全差分特性，共模抑制优异，但需额外的差分接收电路在现代高性能系统中，全差分结构应用越来越广泛长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路是在基本差分对基础上，用恒流源替代发射极（或源极）电阻的改进结构恒流源的高输出阻抗大幅提高了电路的共模抑制能力，使CMRR提升10倍以上恒流源的实现方式多样，从简单的电流镜到复杂的带隙基准都可应用电流源的输出阻抗与温度稳定性直接影响差分放大器的性能在实际集成电路中，复杂的恒流源设计可实现优于50ppm/°C的温度系数长尾式差分放大电路已成为现代集成运算放大器的标准输入级结构，是模拟集成电路设计中不可或缺的基本单元掌握其工作原理和设计方法，对理解复杂模拟系统至关重要电流源负载与性能改进负载类型增益特性带宽特性输出摆幅电阻负载中等增益20-30dB较宽带宽较大摆幅基本电流镜高增益40-60dB中等带宽中等摆幅折叠式电流镜很高增益60-80dB较窄带宽较小摆幅威尔逊电流镜高增益50-70dB中等带宽中等摆幅在集成电路环境下，电流镜负载替代传统电阻负载，成为差分放大器的标准配置电流镜负载具有高输出阻抗特性，可显著提高电路增益，同时保持良好的共模抑制性能电流镜负载的设计多样化，从基本电流镜到改进型电流镜（如威尔逊电流镜、卡斯科德电流镜），不同结构在增益、带宽、输出摆幅等参数上各有优势设计时需根据应用需求选择合适的结构负载选择是差分放大器设计的关键环节，直接影响电路的整体性能现代集成电路设计中，常采用复合负载结构，结合多种技术优势，实现最佳性能平衡多级放大与频率补偿多级放大必要性频率响应挑战单级差分放大器增益有限（通常多级放大器存在多个极点，导致为20-40dB），无法满足高增益应相位裕度减小，容易产生振荡用需求通过多级级联可实现高高频下的相位累积是稳定性的主增益，但需解决稳定性问题现要威胁增益带宽积（GBW）是代集成运放通常采用2-3级结构，评价放大器性能的综合指标，反平衡增益与稳定性映速度与增益的平衡频率补偿技术通过引入主极点控制技术，确保放大器在统一增益点前只有一个主极点，保证稳定性常用方法包括米勒补偿、极点分离等补偿电容的选择是设计关键，影响稳定性与带宽多级放大技术与频率补偿是设计高性能放大器的核心内容合理的极点配置与补偿策略，可在保证稳定性的前提下，最大化放大器的性能指标在实际设计中，需根据应用需求，在增益、带宽、稳定性之间寻找最佳平衡点。