实用模拟电子技术教程第13章电子课件

实用模拟电子技术教程主编：徐正惠副主编：刘希真张小冰第三篇模拟集成电路及其应用本篇介绍集成电路和模拟集成电路的分类、命名方法、封装方式等基本常识。在此基础上重点介绍集成运算放大电路、集成稳压电路、集成信号测量电路、集成仪表放大电路、集成功率放大电路、集成信号发生电路等。通过介绍和讨论，要求掌握或了解相关集成电路常用的型号、外型、封装、功能、主要性能指标和典型应用电路。要求掌握常用模拟集成电路应用电路的设计方法。第13章集成稳压电路第三篇模拟集成电路及其应用学习要求：掌握稳压电源的组成和集成稳压电路的分类；掌握常用线性集成稳压电路7800系列、7900系列、LM117/217/317系列及LM137/237/337系列的主要特性指标和应用；学会设计线性集成稳压电路组成的稳压电源；了解开关式集成稳压电路的工作原理和特点；了解开关集成稳压电路LM2576、MAX8614的主要特性和用途。13.1集成稳压电路的分类第13章集成稳压电路13.1.1直流稳压电源分类几乎所有的电子设备都需要电压稳定的直流电源，这种能输出稳定直流电压的装置就称为直流稳压电源。根据供电方式的不同，直流稳压电源可分为两大类：1、交流供电稳压电源电子设备是由220V的电网供电时，稳压电源的功能是将220V的交流电转换为直流电，同时要求该直流电的电压稳定。这种将来自电网的220V交流电转换为直流稳定电压输出的稳压电源，称为交流供电稳压电源，如图所示。13.1集成稳压电路的分类2、直流供电稳压电源许多便携式电子设备，包括手机、MP3、掌上电脑、数码相机、微型收录机等，尽管采用的是电池供电，但由于电池电压在使用过程中会不断下降，仍然需要通过稳压电路提供稳定的电压。这种将未经稳压的直流电压转换为稳定直流电压输出的装置，称为直流供电稳压电源，如图所示。直流供电稳压电源的输出电压可以低于输入电压，也可以高于输入电压。13.1.2稳压电源的集成化和集成稳压电路分类稳压电源的集成化1、交流供电式的稳压电源的集成化由于用电安全的考虑，直流输出电压需要与电网隔离，最好的电隔离的办法是使用变压器，而变压器无法集成化，因此大多方案是将稳压电路中的关键性部件制成单片的集成电路，再外接各种必须的元器件（包括变压器）组成完整的稳压电源，这种单片集成电路，称为集成稳压电路。可见，集成稳压电路和稳压电源是两个不同的概念，前者是后者的组成部分，集成稳压电路需要外接各种必须的元器件后才构成完整的稳压电源。2、直流供电式的稳压电源的集成化集成化完成得较好，现已制成多种类型的单片集成电路，和交流供电的情况类似，集成稳压电路需外接必需的元器件，才构成完整的直流供电式稳压电源。13.1.2稳压电源的集成化和集成稳压电路分类集成稳压电路品种繁多，可以按照多种方法进行分类。合理的分类将有助集成稳压电路的学习和合理使用。按工作原理划分，集成稳压电路可分为：1、线性集成稳压电路：这种稳压电路的特点，是其关键性部件调整管（三极管或场效应管）工作于线性区域，即工作于放大状态；2、开关式集成稳压电路：这种稳压电路的特点，是其关键性部件调整管（三极管或场效应管）工作于非线性区域，即交替进入截止区和饱和区。三极管（或场效应管）进入饱和导通状态，相当于开关打开，三极管进入截止区相当于开关关闭（断开），因此也可以说，开关式集成稳压电路的特点是其关键性部件调整管（三极管或场效应管）工作于开关状态，开关式集成稳压电路的名称就是这样来的。13.1.2稳压电源的集成化和集成稳压电路分类集成稳压电路品种繁多，可以按照多种方法进行分类。合理的分类将有助集成稳压电路的学习和合理使用。按照输出方式分类，集成稳压电路可分为：1、固定式集成稳压电路：这种电路的输出电压是固定的，需要不同的电压，应选用不同型号、规格的稳压电路；2、可调式集成稳压电路：其输出电压可在一定范围内通过外接电阻来调节。开关式稳压电路又可以按多种方法分类：按驱动方式分类，分为自激式和他激式；按控制方式分类，分为并联脉冲宽度调节型和串联脉冲宽度调节型等。13.2线性集成稳压电路工作原理13.2.1交流供电式稳压电源的组成和工作原理线性集成稳压电路主要用于组成交流供电式稳压电源。由线性集成稳压电路组成的交流供电式稳压电源如图所示，它由变压器、整流电路、滤波电路和集成稳压电路组成。直到目前为止，稳压电源中被集成化的只是稳压电路部分。滤波部分是一个大容量的电容器，变压器包含大容量电感和铁心，都还无法集成化，整流电路部分也都没有制作在集成稳压电路之中。13.2线性集成稳压电路工作原理13.2.2集成稳压电路工作原理按工作原理划分，稳压电路可分为串联式稳压电路和并联式稳压电路。用于构成交流供电稳压电源的集成稳压电路，都属于串联式稳压电路。因此，我们限于介绍串联式稳压电路的工作原理。串联式稳压电路的思路是用一个调整元件与用电设备RL相串联，通过调整元件上的电压降的调节来达到稳定输出电压的目的。例如，将电位器RD作为调整元件，让它和负载RL相串联，通过电位器的不断调节就可以达到稳压的目的，如图所示。调节电位器上的压降可以调控负载上的电压。DiUUU013.2线性集成稳压电路工作原理13.2.2集成稳压电路工作原理用电位器实现稳压的原理如下：如果由于某种原因，负载RL两端的电压U0下降而偏低，则可以将电位器电阻RP1调小，从而电位器两端压降UD减小，根据式（1），U0便会增加；反之，当U0过大时，应将电位器电阻RD调大，因此电位器两端压降UD随之变大，U0就会小下来。如果用一个可以由电来控制的调节元件取代电位器，按照上述思路就能实现电压的自动控制。现在常用的稳压电路，都用三极管（或场效应管）取代图中的电位器。DiUUU0（1）13.2线性集成稳压电路工作原理13.2.2集成稳压电路工作原理用三极管取代图中的电位器后，稳压电路如图1所示三极管是电流控制元件，控制基极电流就可以控制流过三极管的集电极电流，从而可以控制集电极和发射极之间的压降UCE，如前所述，通过UCE的调整就可以达到稳压的目的。因此，只要将基极电流的变化与输出电压U0联系起来，当输出电压U0发生变化时，基极电流相应地变化，基极电流的变化使集电极电流相应地发生变化，从而使电压降UCE发生所需要的变化，稳压的目的就能达到。CEiUUU013.2线性集成稳压电路工作原理用三极管作为调整元件的一种具体稳压电路如图所示先假设负载电阻RL不变，电网电压升高引起Ui升高，于是输出电压U0升高。引起输出电压U0的升高会引发一系列变化：U0↑→Ub2↑→Ube2↑→Ic2↑→Uc2↓→Ub1↓→U0↓可见电网电压U0升高引起的U0的升高受到了抑制。13.2线性集成稳压电路工作原理用三极管作为调整元件的一种具体稳压电路如图所示同样可以说明电网电压下降引起U0下降是如何受到抑制的。引起输出电压U0的下降会引发一系列变化：U0↓→Ub2↓→Ube2↓→Ic2↓→Uc2↑→Ub1↑→U0↑，可见电网电压U0下降引起的U0的下降受到了抑制。13.2线性集成稳压电路工作原理再看电网电压不变时负载电阻RL变小引起U0减小的情况。U0减小后，采样所得的三极管VT2基极电压也下降，VT2发射极接稳压管，该点电压不随U0变化，因此VT2发射结电压Ube2下降，VT2集电极电流减小，集电极电压升高，也即调整管基极电压升高，从而导致其发射极电压U0随之升高，于是抵消了U0的下降。负载电阻RL变大的情况也可类似地加以说明。13.2线性集成稳压电路工作原理-13.2.3集成稳压电路的效率输入集成稳压电路的电能量并不能全部为用电设备所利用，这是因为集成稳压电路工作的时候要消耗能量。我们将负载得到的能量（电功率）在输入集成稳压电路的总能量（电功率）中所占的比例称为集成稳压电路的效率。集成稳压电路的效率是一个十分重要的指标，特别是将其用于组成直流供电的稳压电源时会起着关键性的作用。为了获得有关集成稳压电路效率的具体概念，下面通过下图所示的电路进行效率的估算。13.2线性集成稳压电路工作原理-13.2.3集成稳压电路的效率效率的估算假设集成稳压电路的输入电压为Ui，输入电流为Ii，输出电压（加在负载上的电压）为U0，流过负载的电流为I0。由此可以计算，输入集成稳压电路的总电功率为：iiiIUP负载得到的电功率等于：000IUP由此可以计算出集成稳压电路的效率为：iiiIUIUPP00013.2线性集成稳压电路工作原理-13.2.3集成稳压电路的效率效率的估算假设输出电压为5V，为了保证调整三极管工作于放大区域，其ce极间电压需大于3V，因此输入电压至少需8V。考虑到电网电压的波动，电网电压下跌时输入电压会下降，需将电网电压正常220V时的输入电压定为10V。设输出电流和输入电流的比值I0/Ii=0.9。将上述估计值代入式（1），可求得效率η=45%。这说明，输入的电功率，只有45%为负载所利用，其余的功率消耗在集成稳压电路中，其中大部分电能用来使调整管发热。iiiIUIUPP000（1）13.3集成稳压电路的主要技术指标集成稳压电路的外部特性由各种技术参数描述。和其他模拟集成电路一样，熟悉集成稳压电路的技术参数对于其应用十分重要。集成稳压电路的技术参数可分为两大类：特性指标和质量指标。特性指标回答的是稳压电路能做什么，而不是做得好还是坏；质量指标才回答稳压电路的优劣。13.3.1集成稳压电路的特性指标1、输出电流I0：指集成稳压电路能提供额定输出电流；2、输出电压U0：正常工作时集成稳压电路输出的电压；3、输出电压调节范围：对于输出电压可调的电路，其最大输出电压与最小输出电压之差，称为该稳压电路的电压调节范围。13.3集成稳压电路的主要技术指标-13.3.2稳压电源质量指标1、电压调节率SV在负载电流和环境温度保持不变的情况下，输入电压变化时，输出电压维持不变的能力，即为稳压电源的电压调整率。电压调整率可以用输出电压的相对变化率表示，也可以用输出电压的绝对变化量表示。（1）用绝对变化量表示用绝对变化量表示，电压调整率SV（ΔU0）定义为在负载电流IL和环境温度T不变的情况下，输入电压在一定范围内（由测试条件给出）从最小值变化到最大值，输出电压的变化量ΔU0。例如，集成稳压电路MC7805，在输出电流I0=500mA，温度不变情况下，输入电压从8V增加到25V，输出电压的绝对变化量ΔU0=24mV，则该电路的电压调整率为SV（ΔU0）=24mV。13.3集成稳压电路的主要技术指标-13.3.2稳压电源质量指标1、电压调节率SV（2）用相对变化量表示用相对变化量表示时，电压调整率SV定义为在负载电流IL和环境温度T不变的情况下，单位输入电压变化量引起的输出电压变化量（ΔU0/ΔUi）和输出电压U0的比值，用公式表示：式中ΔUi是输入电压变化量，ΔU0是输入电压变化引起的输出电压变化量，U0是输出电压。例如，稳压电路W117的电压调整率就是用相对变化量表示的。在输出电流I0=500mA，温度不变情况下，该电路的输入电压与输出电压之差（Ui－U0）从3V增加到40V的范围内，电压调整率为0.1%。0000%1001TIiVLUUUS13.3集成稳压电路的主要技术指标-13.3.2稳压电源质量指标2、电流调整率SI稳压电路在环境温度和输入电压保持不变的情况下，衡量其在负载电流变化时仍能维持输出电压稳定的能力，常用的指标是电流调整率，也称负载调整系数，用符号SL来表示。和电压调整率一样，电流调整率既可以用输出电流的绝对变化量表示，也可以用输出电流的相对变化量来表示。（1）用绝对变化量表示绝对变化量表示，电流调整率定义为在输入电压Ui和环境温度T不变的情况下，输出电流在一定范围内（由测试条件给出）从最小值变化到最大值时，输出电压的变化量ΔU0。例如，集成稳压电路MC7805，输入电压和温度不变情况下，输出电流从10mA增加到1.5A，输出电压的绝对变化量ΔU0=25mV，则该电路的电流调整率为SI（ΔU0）=25mV。13.3集成稳压电路