集成電路分類

1、集成電路分類第1頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1414、1974年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。 1、1904年,電子三極管（真空三極管）為第一次。2、1948年，費(fèi)來(lái)明發(fā)明了晶體三極管為第二次。3、1958年，集成電路移相振蕩器為第三次。一、集成電路的發(fā)展過(guò)程（中國(guó)65年生產(chǎn)第一塊TTL與非門）第2頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/142現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均12年翻一番的速度在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小規(guī)模 中規(guī)模 大規(guī)模 超大規(guī)模 超超大規(guī)模 超億規(guī)

2、模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI理論集成度 10-100 1001000 100010萬(wàn) 10萬(wàn)100萬(wàn) 100萬(wàn)1億 1億商業(yè)集成度 1 10 1001000 10002萬(wàn) 2萬(wàn)5萬(wàn) 50萬(wàn) 1000萬(wàn) 觸發(fā)器 計(jì)數(shù)器 單片機(jī) 16位和32位 圖象 SRAM 加法器 ROM 微處理器 處理器 128位CPU（1）設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，簡(jiǎn)化電路，合理布局布線（2）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細(xì)線條） （生產(chǎn)環(huán)境：超凈車間）（3）芯片面積增大，從15 mm2到現(xiàn)在的1 cm21967年在一塊晶片上完成1000個(gè)晶體管的研制成功。集成電路集成度的提高主要依靠三個(gè)因素 由于現(xiàn)在這三方

3、面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問(wèn)題？77年美國(guó)30mm2制作13萬(wàn)個(gè)晶體管，即64K位DRAM。第3頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/143 目前使用的16兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.5 微米， 64兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.3 微米，繼續(xù)發(fā)展可望達(dá)到0.01微米，0.01微米的概念相當(dāng)于30個(gè)原子排成一列的長(zhǎng)度。這一尺寸在半導(dǎo)體集成電路中，已經(jīng)成為極限，再小PN結(jié)的理論就不存在了，或者說(shuō)作為電子學(xué)范疇的集成電路已達(dá)極限，就會(huì)從電子學(xué)躍變到量子工學(xué)的范疇，由量變到質(zhì)變，隨之而來(lái)的一門新的工程學(xué)對(duì)量子

4、現(xiàn)象加以工程應(yīng)用的“量子工學(xué)”也就誕生了，由這一理論指導(dǎo)而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展?，F(xiàn)在美國(guó)和日本正投入大量的人力和物力進(jìn)行這方面的研究，并且在“原子級(jí)加工”方面取得了一定的成果。集成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？ 如果“有”，它的極限是多少？還有沒(méi)有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。第4頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/144二、集成電路的分類 模擬集成電路：集成運(yùn)算放大器，集成功放，集成穩(wěn)壓電源，集成模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換及各種專用的模擬集成電路。而集成運(yùn)放只是模擬集成電路中的一種，但是應(yīng)用最為廣泛的一種。由

5、于最初用于作運(yùn)算用，所以稱為集成運(yùn)算放大器，而現(xiàn)在的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)的功能，而得到了方泛的應(yīng)用。大類分：模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路：門電路，觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。 74系列，74LS，74HC，4000系列，CMOS等各種型號(hào)。第5頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/145三、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)上有圓殼式、扁平式和雙列直插式三種，管腳引出線有8、10、12、14等多種。 LM741 1 2 3 48 7 6 5結(jié)構(gòu)12345678 LM741 1 2 3 48 7 6 5第6頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)2

6、9分，星期四2022/9/146特點(diǎn)： 4、元件的精度低，但對(duì)稱性好，溫度特性好。 1、制造容量大于2000PF的電容元件很困難，如需大電容必須外接，所以集成運(yùn)放都采用直接耦合放大電路。 2、制造太大和太小的電阻不經(jīng)濟(jì)，占用硅面積大。一般R的范圍為10030K，大電阻用恒流源代替。3、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。第7頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/147中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入級(jí)4、偏置電路 給前三部分提供固定的和合適的偏置電流，一般由恒 流源電路構(gòu)成。四、電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明1、輸入級(jí)要求：輸入電阻高，零點(diǎn)漂移小，采用差放2、中間級(jí)一般采用共射放大電路3、

7、輸出級(jí)要求，輸出電阻低，帶載能力強(qiáng)，能輸出較大的電壓幅度及功率。一般都由互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成第8頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/148 運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)直接耦合的多級(jí)放大電路，它有兩個(gè)輸入端一個(gè)輸出端，一般電源都不畫。單運(yùn)放： LM741/ A741雙運(yùn)放：LM747（雙741）單電源四運(yùn)放：LM124/224/324雙電源四運(yùn)放：LM148/248/348 等等。四、電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明 LM741 1 2 3 48 7 6 5 2腳為反相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是反相的。 3腳為同相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是同相的

8、。各管腳的用途是：4腳為負(fù)電源端。7腳為正電源端。6腳為輸出端。1和5腳為外接調(diào)零電位器（通常為10K）的兩個(gè)端子。8腳為空腳。其典型接法如下圖所示第9頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/149154237610K-15V+15V簡(jiǎn)化電路符號(hào)電路符號(hào)第10頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1410五、主要參數(shù)3、輸入失調(diào)電壓Uio：理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓ui1=ui2=0時(shí)，輸出電壓u0=0。但在實(shí)際運(yùn)放中，由于制造中元件參數(shù)的不對(duì)稱性等原因，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓不等于零。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果要u0=0，必須在輸入端加一個(gè)很

9、小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。2、開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：在沒(méi)有外接反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。1、最大能輸出電壓UOPP：能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為運(yùn)算放大器的最大能輸出電壓。第11頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/14115、輸入偏置電流IiB 輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流。4、輸入失調(diào)電流Iio：輸入失調(diào)電流是指輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流之差。6、最大共模輸入電壓UiCM 運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)具有抑制的性能，但這個(gè)性能是在規(guī)定的范圍內(nèi)才具備。第12

10、頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1412六、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1、理想運(yùn)算放大器條件實(shí)際運(yùn)放上述指標(biāo)接近理想化條件，故用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的。ridu0r0u-u+u0Au0開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Auo差模輸入電阻rid開(kāi)環(huán)輸出電阻ro0uo= Auo (u+-u-)共模抑制比KCMRRuo=(u+-u-)第13頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1413o+Uo(sat)-Uo(sat)u+ - u-u0 右圖所示為運(yùn)放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸特性。從圖中看到，實(shí)際特性與理想

11、特性很接近。實(shí)際特性理想特性2、分析依據(jù)：分析運(yùn)放電路時(shí)，首先要區(qū)分集成運(yùn)放是工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)（飽和區(qū)）第14頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1414o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) 從運(yùn)放的傳輸特性看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)，運(yùn)放在不同區(qū)工作時(shí)的分析方法不同：線性區(qū)： uo=Auo(u+-u-)因?yàn)閡o為有限值，Auo為無(wú)限大，所以(u+-u-)0。即u+ u-我們稱為“虛短”因?yàn)閞id ，故兩輸入端的輸入電流為零。 我們稱為“虛斷”ridu0r0U-U+u0Au0第15頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日

12、，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1415o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)： uoAuo(u+-u-)當(dāng)u+ u- 時(shí),uo=+Uo(sat) 當(dāng)u+ u- 時(shí),uo=-Uo(sat) 但兩輸入端的輸入電流仍為零。第16頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/141617-2 運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用理想運(yùn)放應(yīng)滿足的條件： 由此得出了兩個(gè)重要結(jié)論 ridu0r0U-U+u0Au0(1)“虛短”(2)“虛斷”但是，這兩個(gè)條件的使用必須是運(yùn)放工作在線性區(qū)。 我們已經(jīng)知道：Auo，則當(dāng)輸入差模信號(hào)極小時(shí)（如毫伏級(jí)以下

13、的信號(hào)），也足以使運(yùn)放飽和。4、共模抑制比KCMRR3、開(kāi)環(huán)輸出電阻ro2、差模輸入電阻rid1、開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Auo0第17頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1417下面我們就分別討論之。uou-u+ +- 但我們也已經(jīng)知道：負(fù)反饋能減小放大電路的放大倍數(shù)，而且反饋愈深這種作用愈明顯；加上負(fù)反饋在其它方面還可以改善放大電路的性能，所以 接下來(lái)的問(wèn)題是負(fù)反饋從輸出端引到同相端還是反相端。解決的方法是：在電路中引入深度負(fù)反饋。R反相輸入端。第18頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1418、比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)虛短QR2R1RFui

14、u0iFi1閉環(huán)放大倍數(shù)1、反相比例 u-=u+又虛斷 u-=u+=0則電流i1等于電流iF第19頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1419 當(dāng)實(shí)際運(yùn)放接近于理想運(yùn)放的條件時(shí)，其精度主要取決于電阻，這是因?yàn)殡娐分胁捎昧藰O深度的負(fù)反饋而獲得的重要優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于反相比例運(yùn)算還有“虛地”的概念。反相端為虛地的現(xiàn)象是反相輸入運(yùn)算放大器的重要特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)指出“虛地”并非真正的地。 反相器時(shí)當(dāng),1,1-=ufFARRR2R1RFuiu0iFi1第20頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1420閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻電壓并聯(lián)負(fù)反饋特點(diǎn)：R2R

15、1RFuiu0iFi1a.共模輸入電壓為0b.ro=0帶負(fù)載能力強(qiáng)c.ri小對(duì)輸入電流有一定的要求第21頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1421 R2為平衡電阻，其目的是消除靜態(tài)時(shí)的不對(duì)稱對(duì)輸出電壓的影響，它不影響放大倍數(shù)。對(duì)雙極型三極管組成的電路有要求。R2=R1/RF特別說(shuō)明：R2R1RFuiu0iFi1P112例請(qǐng)同學(xué)自學(xué)。第22頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1422R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1= i3=i4+i5Ui/R1= -Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R5第2

16、3頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1423R2R1RFuiu0iFi1閉環(huán)放大倍數(shù)因?yàn)樘摱蘵+=u-=ui因?yàn)樘摂?iF=i1(u0-ui)/RF=ui/R1電路結(jié)構(gòu)2、同相比例R2RFuiu0第24頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1424閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻R2R1RFuiu0iFi1特點(diǎn)：A 共模u+=u-=uI 對(duì) KCMRR要求高B ro=0帶負(fù)載能力強(qiáng)C rI高電壓串聯(lián)負(fù)反饋第25頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1425接有分壓電阻R3時(shí)，Auf的求法為：R1/RF=R

17、2/R3平衡電阻：電壓串聯(lián)負(fù)反饋R2R1RFuiu0iFi1R3第26頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1426、加法運(yùn)算1、反相加法運(yùn)算因?yàn)?i1+i2+i3=iF所以 ui1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(0-u0)/RF特點(diǎn)：放大倍數(shù)互不影響。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i3第27頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1427R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui22、同相加法運(yùn)算第28頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1428從這

18、里可以看出，本電路的同相放大倍數(shù)最多只能比反相大1、減法運(yùn)算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1為電流并聯(lián)負(fù)反饋； ui2為電壓串聯(lián)負(fù)反饋第29頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1429這在后面所講的設(shè)計(jì)電路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R4第30頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1430、積分運(yùn)算R2R1CFuiu0iFi1第31頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1431R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)積分電路除用于信號(hào)運(yùn)算處，還用于控

19、制測(cè)量系統(tǒng)中、方波三角波變換。當(dāng)UI大于0時(shí)tu00+U0（sat)當(dāng)UI小于0時(shí)+ 與以前學(xué)過(guò)的RC積分電路相比，運(yùn)放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。因?yàn)椋撼潆婋娏骰竞愣ǖ?2頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1432PI調(diào)節(jié)器 右圖是在控制和測(cè)量系統(tǒng)中常用的比例-積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）：ui1uo +-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF第33頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1433、微分運(yùn)算R2C1RFuiu0iFi1P119例是一個(gè)比例-微分調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱PD調(diào)節(jié)器），自學(xué)。第34頁(yè)，共57頁(yè)，2

20、022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1434例如：試畫出下列函數(shù)關(guān)系的運(yùn)算電路、已知輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)電路。(1) u0=-5ui(2) u0=5ui(4) u0=5ui1-2ui2(3) u0=-5ui1+2ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R4第35頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/143517-3 運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用 運(yùn)算放大器除了能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算外，還能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理電路的種類很多，這里只討論幾種

21、常用電路的工作原理。 、有源濾波器 所謂濾波器就是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，它讓有用信號(hào)通過(guò)，而對(duì)其余頻段的信號(hào)起衰減作用。它可以只用一些無(wú)源元件（R、L、C等）組成，也可以用無(wú)源元件與有源元件組成，前者稱為無(wú)源濾波器，后者稱為有源濾波器。和無(wú)源濾波器比較，有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是：效率高、帶負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、效率高。 第36頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1436缺點(diǎn)：1、用于低頻（受集成運(yùn)放的限制） 2、必須有直流電源 3、可靠性差 4、不能用于高電壓大電流濾波器按其作用可分為：0fAu低通高通帶通帶阻0fAu0fAu0fAu第37頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月2

22、0日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1437前面我們已經(jīng)講過(guò)RC組成的無(wú)源濾波器RCuiu0RCuiu0無(wú)源低通濾波器無(wú)源高通濾波器R2R1RFuiu0RCuiu0RCuiu0有源低通濾波器有源高通濾波器第38頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1438一、低通濾波器uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR1第39頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1439o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為幅頻特性第40頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1440o幅頻特性第41頁(yè)，共57頁(yè)，202

23、2年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1441二階有源低通濾波器RR1RFuiu0CRC第42頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1442二、高通濾波器有源高通濾波器uiuo +-RCRFR1第43頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1443o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為幅頻特性第44頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1444o幅頻特性第45頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1445、采樣保持電路 當(dāng)輸入信號(hào)變化較快時(shí)要求輸出信號(hào)能快

24、速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號(hào)的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)和程序控制等裝置中。uiuo +-RC采樣保持電路ucR1S控制信號(hào)ououi采樣保持t輸入輸出波形控制信號(hào)第46頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1446、電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，uR是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電壓有微小差值時(shí)，輸出信號(hào)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性飽和區(qū)。 uR等于零時(shí)，稱為過(guò)零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuR其傳輸特性如圖所示第47頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1447Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比較器將正弦波變換為矩形脈沖uotuRuo +-R2電壓比較器R1ui電壓比較器可以用做波形變換第48頁(yè)，共57頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)29分，星期四2022/9/1448uRuo +-R2有限幅電壓比較器R1uiDz傳輸特性+UzououiuR-Uz 有時(shí)為了將輸出電壓限制在某一