作者：谭博学,苗汇静
出版社：电子工业出版社
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集成电路原理及应用(第3版)试读：
普通高等教育“十一五”国家级规划教材，电子信息科学与工程类专业规划教材
集成电路原理及应用（第3版）
CIP号：第110092号
ISBN：978-7-121-13812-6
中图分类：TN4
关键词：集成电路-高等学校-教材
北京,2011/06,电子工业出版社
版次：3
印次：1
价格：35.00
印数：4000册
印张：20
字数：512
开本：787×1092 1/16
语种：中文摘要
本书较系统地介绍了各类集成电路的原理及其应用，内容包括：集成运放的基础知识、模拟集成电路的线性应用、模拟集成电路的非线性应用、集成变换器及其应用、集成信号发生器、集成有源滤波器、集成稳压电源、语音和图像集成电路、数字集成电路及应用、可编程逻辑器件和实验部分。
本书对各类集成电路的基本特点、基本原理和基本分析方法作了简明扼要的论述，结合每部分内容，理论联系实际，从国内外著作和期刊杂志中精选了许多实际应用电路。每章后附有思考题与习题。
本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《集成电路原理及应用（第2版）》的再版。本书内容丰富，实用性强，可作为高等院校电气与电子信息类专业的教材，也可作为电子与电气类科研人员和工程技术人员的参考书。谭博学 编著苗汇静 编著刘伟 参编王富奎 参编唐诗 参编李震梅 参编刘连鑫 参编凌毅 责任编辑徐海燕 封面设计第3版前言
本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《集成电路原理及应用（第2版）》的再版。
本书是在第2版的基础上，根据近几年集成电路技术的发展情况和高等教育教学改革的需要修订而成的。
本书在以下几方面做了改动：（1）增加了第11章 实验，编写了实验指导书，开发研制了实验箱。（2）将原8.4节删去，改写为8.4节 数字电视图像处理集成电路。（3）对7.2节进行了修改。（4）对第3章、第4章、第6章、第8章、第9章的部分内容做了适当修改和删减。（5）对本书其余部分做了适当修改。
本书较系统地介绍了各类集成电路的原理及其应用，包括11章内容，涉及面广，涵盖了集成电路的大部分应用方面。该书对各类集成电路的基本特点、基本原理和基本分析方法作了简明扼要的论述，结合每部分内容，理论联系实际，从国内外著作和期刊杂志中精选了许多实际应用电路。每章后都附有思考题与习题。本书具有以下特点：① 根据各类集成电路的特点，在编写方法上采用了多种模式，理论与实际相结合；② 电路原理与器件特性紧密结合，使器件与电路融为一体，以便于读者学习和查阅；③ 既有对常用集成电路工作原理和分析方法的论述，又有最新集成电路芯片介绍和实际应用电路；④ 内容丰富，涉及面广，实用性强；⑤ 配有实验指导书。
本书可作为高等院校电气与电子信息类专业的教材，全书内容以电路、模拟电子技术、数字电子技术和高频电子线路为基础。给本科生讲授约需54学时，再配合约10学时的实验，以提高学生的动手能力。各院校可根据不同专业方向的需要，适当增减讲授内容。本书也可作为电子与电气类科研人员和工程技术人员的参考书。
本书由谭博学、苗汇静拟订编写大纲和编写目录。谭博学负责总体安排和电路图的编辑工作，编写第1章、第2章；苗汇静编写第3章、第6章、第11章和8.1节、8.2节、8.3节、8.5节；刘伟编写第5章、10.3节、10.4节、10.5节；王富奎编写第7章和8.4节；唐诗编写第4章；李震梅编写第9章；刘连鑫编写10.1节、10.2节。
在本书的编写过程中，参考了大量的国内外著作和期刊杂志，参考了书后所列参考文献的一些编写思想和习题，在此向这些作者致以衷心的感谢。
本书的出版得到了电子工业出版社凌毅编辑的支持，在此深表感谢。
由于编者水平有限，错误和不足之处在所难免，殷切希望读者批评指正。
编 著 者
2011年4月
于山东理工大学第2版前言
本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，《集成电路原理及应用》（电子工业出版社，2003年）的第2版。
本书是在第1版的基础上，根据近几年集成电路技术的发展情况和高等教育教学改革的需要修订而成。
本书在以下几方面做了改动：（1）增加第9章 数字集成电路及应用部分。（2）重新编写第10章 可编程逻辑器件部分，增加10.3节，复杂可编程逻辑器件（CPLD）；增加10.4节，现场可编程逻辑器件（FPGA）；增加10.5节，CPLD/FPGA器件的编程与开发。（3）重新编写第5章 集成信号发生器部分，增加5.2节，直接数字频率合成技术；增加5.3节，基于FPGA的DDS任意波形发生器。（4）增加6.7节，可编程滤波器部分。（5）重新编写第7章和4.5节、4.6节。（6）对本书其余部分做了适当修改和删减。
本书较系统地介绍各类集成电路的原理及其应用，包括10章内容，涉及面广，涵盖了集成电路的大部分应用方面。该书对各类集成电路的基本特点、基本原理和基本分析方法做了简明扼要的论述，结合每部分内容，理论联系实际，从国内外著作和期刊杂志中精选了许多实际应用电路。每章后都附有思考题与习题。本书具有以下特点：①根据各类集成电路的特点，在编写方法上采用多种模式，理论与实际相结合；②电路原理与器件特性紧密结合，使器件与电路融为一体，以便于读者学习和查阅；③既有对常用集成电路工作原理和分析方法的论述，又有最新集成电路芯片的介绍和实际应用电路；④内容丰富，涉及面广，实用性强。
本书可作为高等院校电子与电气类专业的教材，全书内容以电路、模拟电子技术、数字电子技术和高频电子线路为基础。给本科生讲授可安排64学时，其中讲课54学时，实验10学时。各院校可根据不同专业方向的需要，适当增减讲授内容。本书也可作为电子与电气类科研人员和工程技术人员的参考书。
本书由谭博学、苗汇静拟订编写大纲和编写目录。谭博学负责总体安排和电路图的编辑工作，编写第1～2章；苗汇静编写第3，6，8章；唐诗编写第4章；刘伟编写第5章、第10.3～10.5节；王富奎编写第7章；李震梅编写第9章；刘连鑫编写第10.1～10.2节。在本书编辑过程中，山东理工大学电气与电子工程学院2005级的李顺和刘清凤为本书的图形编辑做了许多工作，在此向两位学生表示感谢。
在本书的编写过程中，参考了大量的国内外著作和期刊杂志，参考了书后所列参考文献的一些编写思想和习题，在此向这些作者致以衷心的感谢。
本书的出版得到了电子工业出版社凌毅编辑的支持，在此深表感谢。
由于编者水平有限，错误和不足在所难免，殷切希望读者批评指正。
编 者
2008年1月
于山东理工大学本书常用符号说明
一、基本符号
A共模电压增益uc
A 开环差模电压增益ud
AF闭环增益
A 考虑信号源内阻时的电压增益us
CMRR 共模抑制比
E 电压比较器的门限电位m
E 电压比较器的上门限电位mH
E 电压比较器的下门限电位mL
ΔE 电压比较器的门限宽度m
F 反馈系数
f 截止频率c
GBW 增益带宽积
G（s）传输函数
G（ω）幅频特性
g 跨导m
I 电流的通用符号，交流电流有效值正弦交流电流的相量符号
I 基极直流电流B
I 输入偏置电流IB
I、I 集成运放输入端的两个偏置电流IB+IB-
I 基极电流有效值b
I 集电极直流电流C
I 集电极电流有效值c
I 集电极最大允许电流CM
I 二极管直流电流D
I 发射极直流电流E
I 发射极电流的有效值e
I 反馈电流f
I 输出电流o
I 输入失调电流os
I/ΔT 输入失调电流温度系数os
i 电流通用符号，电流的瞬时值
i 基极瞬时电流总值B
i 基极交流电流值b
i 集电极瞬时电流总值C
i 集电极交流电流值c
i 输出电流瞬时值o
P 功率，平均功率
PSRR 电源电压抑制比
Q 品质因数
R 基极电阻b
R 集电极电阻c
R 共模输入电阻ic
R 差模输入电阻id
R 发射极电阻e
R 反馈电阻f
R 输入电阻i
R 等效输入电阻ie
R 负载电阻L
R 输出电阻o
R 等效输出电阻oe
S 电压转换速率R
T 周期
T 热力学温度
t 时间
t 温度
t 脉冲宽度W
U 电压通用符号，交流电压有效值正弦交流电压的相量符号
U 基极-发射极直流电压BE
U 集电极-发射极直流电压CE
U 温度电压当量T
U 二极管的正向导通电压D
U 输入电压i
U 共模输入电压ic
U 差模输入电压id
U 输出电压o
U 共模输出电压oCM
U 输入失调电压os
ΔU/ΔT 输入失调电压温度系数os
U 基准电压，参考电压ref
U 稳压管稳定电压Z
U（u）集成运放同相端输入电压++
U-（u-）集成运放反相端输入电压
u 电压通用符号，电压的瞬时值
u 基极-发射极瞬时总电压BE
u 基极-发射极瞬时电压交流分量be
u 集电极-发射极瞬时总电压CE
u 集电极-发射极瞬时电压交流分量ce
u 反馈电压f
u 输入电压瞬时值i
u 输出电压瞬时值o
u 交流电压源电压瞬时值s
V 集电极回路电源电位CC
V 发射极回路电源电位EE
V 漏极回路电源电位DD
Z 共模输入阻抗ic
Z 差模输入阻抗id
Z 输出阻抗o
β 共射电流放大系数
γ 误差
δ 占空比
ω 角频率
ω 截止角频率c
ω 上限角频率H
ω 下限角频率L
φ（ω）相频特性
二、器件符号
A 集成运放
C 电容器
IC 集成块
L 电感器
R 电阻器
R 电位器P
VD 二极管
VD 稳压二极管Z
VT 三极管
VT 场效应管第1章 集成运放的基础知识
集成运算放大器IC Operational Amplifer（缩写为OP-Amp）简称为集成运放，它是20世纪60年代发展起来的一种高增益直接耦合放大器。随着集成电路的发展，集成运放与其他集成电路一样，经历了小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路的发展阶段。集成运放是目前模拟集成电路中发展最快、品种最多、应用最广泛的一种模拟集成电子器件。集成运放配上不同的外围器件，可以构成功能和特性完全不同的各种集成运放电路，简称为运放电路，运放电路是各种电子电路中最基本的组成部分。集成运放及运放电路在电子技术、计算机技术、测量技术、自动控制、广播通信、仪器仪表、雷达电视、航空航天等各个领域中有着极其广泛的用途，而且随着集成运放性能的不断提高，品种的不断增加，将会使某些领域的面貌焕然一新。
全面了解集成运放需要涉及半导体材料、微电子技术和集成电路制造工艺等许多方面的知识。集成运放电路的设计和制造是一个专业性很强的技术领域，对于大部分从事集成运放应用的工作者来说，主要是将集成运放作为电路的一个基本器件，从它的外部特性去了解、掌握和应用它。本章主要介绍有关集成运放的基础知识和基本理论。1.1 集成运放的基本组成电路
集成运放是由各个单元电路组成的，品种繁多的集成运放内部电路，不仅结构有很多相似之处，而且许多集成运放所用的单元电路的性能也很接近。
本节简要介绍差动输入电路、恒流源电路、有源负载电路、双端变单端电路、直流电平位移电路、互补推挽输出电路等单元电路，它们是集成运放的基本组成电路。1.1.1 差动输入电路
1.差动放大电路的基本特性
图1-1-1所示为差动放大电路的基本形式。它是由两个完全对称的共射电路组成的，晶体管VT和VT完全匹配，集电极电阻12R=R=R。c1c2c
当输入状态不同时，差动放大器的工作情况也有所不同。下面分别予以说明。（1）输入差模信号时（即u=-u）i1i2
①电压增益和输入电阻
这种输入方式的u与u相位相反，所以流经VT，VT的电流变i1i212化相位也相反。由于u与u幅度相同，则VT，VT两管电流将有相i1i212同的变化幅度。因此，射极电阻R中的电流变化为零。所以当差模e信号输入时，差动放大器的交流等效电路如图1-1-2所示。
此时VT，VT均相当于普通的共射单管放大器。显然，当电路12两边完全对称时，两管输出电压的相位相反，幅度相等。因此上述电路对称输出（也称差分输出）时的电压增益为
式中，A是单管共射放大器的电压增益。u
若是单端输出，该电路的电压增益将减半。图1-1-1 差动放大电路的基本形式图1-1-2 差模信号输入时，差动放大器的交流等效电路
图1-1-3所示为单管共射放大器的低频小信号等效电路，可求得单管共射放大器的电压增益为
式中，R是放大器的负载电阻。L图1-1-3 单管共射放大器的低频小信号等效电路
单管共射放大器的源电压增益为
式中，r 是单管共射放大器的输入电阻，R 是信号源u的内阻，is1s1R 是放大器的基极偏置电阻。b
当电路两边不对称时，两边输出信号将不平衡。但可以证明，只要R取得足够大，就能有效地克服这种不平衡性。e
差模输入时，放大器两输入端之间的差模输入电阻R是单管放d大器的2倍，即R为d
在室温条件下，当β很大，信号源内阻很小时，R可近似表示为d
式中，I是三极管基极电流。B
当三极管工作电流很小时，如在十几微安以下时，上式可改写为
由上述两式，根据晶体管的基极电流值就可以估计放大器的输入电阻。
②跨导
为了便于估算差动放大器的增益，常引入差动放大器跨导的概念。双极型三极管的跨导定义为三极管输出电流变化量与对应的e-b结电压之比。差动放大器的跨导定义为其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。
为了计算跨导，可以利用三极管射极电流与e-b结电压的关系式（忽略三极管的基区宽度调制效应）
式中，I是晶体管的反向饱和电流。上式忽略了反偏的b-c结对ISE的影响。在通常情况下，≫1，故上式可简化为
由此算得晶体管的跨导为
式中，U为温度的电压当量，其表示式是T
式（1-1-10）表明三极管的跨导正比于集电极电流。
利用同样的方法，可推导出双极型差动放大器的等效跨导表示式为
式中，I为每单边三极管的集电极电流（I≈I）。cco
式（1-1-12）表明，差动放大器在差动输入时，其跨导与单管时相同。由式（1-1-12）还可得
由此可得到差动放大器电压增益的近似式为
式中，r 为三极管输入端交流开路时的输出电导的倒数。在室oe温情况下，可进一步近似为
式中，I为差动放大器的恒流源电流。o1
显然，放大器的电压增益与其工作电流成正比。若要提高电压增益，就应适当加大三极管的工作电流。
需要指出的是，差模输入的差动放大器的动态输入范围为2U，T室温时其近似为52mV（单管时U ≈ 26mV）。当输入信号大于此范围T时，输出信号将出现非线性。（2）输入共模信号时（即u=u）i1i2
此时VT，VT的信号电流沿同一方向变化，故流经R的电流将12e不为零。当电路完全对称时，VT，VT中信号电流的幅值与相位完12全相同（设为i），则流经R的电流为2i。由此，该电路可用图1-1-4进e行等效，图1-1-4所示为共模输入的差动放大器电路。图1-1-4 共模输入的差动放大器电路
此时，由于2R的负反馈作用，VT，VT的电压增益值将很小。e12另外，VT，VT集电极输出电压的幅值与相位均相同，故该电路差12动输出的电压 u-u=0。这表明完全对称的差动放大器，其共模增o1o2益为零，因此对各种共模信号具有良好的共模抑制作用（这里的共模信号包括外加的共模输入信号及放大器本身的共模输入等效信号，如温度等原因引起的等效信号等）。
当电路两边不匹配时，差动放大器的共模抑制特性将变差。根据电路的小信号等效电路计算结果，当差动输出时，电路的共模抑制比（即差动放大器差模增益与共模增益之比）表示式为
式中，g为三极管标称跨导值；Δg为VT，VT跨导值之差；mm12R为两边集电极负载电阻的标称值；ΔR为两边集电极负载电阻的差cc值；r为晶体管标称的输出电阻；Δr为VT，VT输出电阻的差值；oo12R 为差动放大器射极的外接电阻值。在上式计算时，忽略了晶体管βe不对称性的影响。实际情况下，这种忽略是允许的。
分析式（1-1-16）可以得到：
①当差动放大器两边电路的g，R与r不对称时，它的CMRR从mco无穷大值降为有限值。Δg/g，ΔR/R与Δr/r越大，则CMRR的值mmccoo也越低。
②R越大，两边电路的不对称性对CMRR的影响就越小。这是由e于R越大，每边电路的共模增益越小，则差动输出时的差值就更e小。因此在集成运放中，差动放大器中的R均以恒流源代替。e
③提高三极管的输出电阻r及跨导g，都将提高差动放大器的omCMRR。
2.差动放大器的输入失调及其漂移
绝大多数集成运放的输入级都采用差动放大器的形式。输入级的失调是整个运放输入失调的主要来源，因此，减小差动放大器的输入失调是很重要的。（1）差动放大器的输入失调电压及其漂移
在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的直流补偿电压的大小称为差动放大器的输入失调电压。
图1-1-5所示为分析差动放大器失调电压的示意图。对于差动放大器，当差动输出电压为零时，应有
分析上式可以看到，引起差动放大器输出电压不平衡的因素有3个。图1-1-5 分析差动放大器失调电压的示意图
①VT，VT的U相同时，它们的射极电流不相等。根据式12BE（1-1-9），这是由于VT，VT的反向饱和电流I，I不匹配的结果。12s1s2
②VT，VT的集电极电阻R，R不匹配。12c1c2
③VT，VT的电流增益β，β不匹配。1212
计算结果表明，差动放大器的输入失调电压U可表示为os
式中，I为晶体管反向饱和电流的标称值；ΔI为VT，VT反向ss12饱和电流的差值；R为集电极电阻R，R的标称值；Δβ为R，cc1c2c1R的差值；β为三极管共射电流增益；Δβ为VT，VT共射电流增益c212的差值。
式（1-1-18）的三项分别对应于上述3个因素，一般情况下（除去低漂移型运放外）很小，其影响可忽略。式（1-1-18）中的第一项可以用相等射极电流时VT，VT的U之差（称为差分12BE对管本身的输入失调电压）表示
当忽略电阻温度系数的差值时，U的温漂主要决定于的os温漂。根据三极管原理分析，三极管U的温度系数为BE
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