电工电子技术-任万强第8章

模拟电子技术返回章目录8.1集成电路基本知识8.2集成运算放大器的结构和指标8.3集成运放在信号运算方面的应用8.4集成运放的非线性应用模拟电子技术由三极管为核心元件的交流放大电路是由单个的分立元件构成，它们是电子技术的基础。电子科技一直在进步，目前在实际应用中较少直接使用结构如此简单的放大器，而主要使用的是集成电路，其中使用最多的是集成运算放大器，简称集成运放或运放。本章介绍集成运算放大器的相关知识，包括组成、结构以及应用等。学习本章要求读者了解集成运放的基本组成、结构、指标；掌握深负反馈条件下运放的特点以及一些基本的运算电路和其他应用电路。知识点和学习要求8.1集成电路基本知识1959年美国德克萨斯仪器公司的仙童半导体公司成功地制造了世界上第一块集成电路。40余年来，集成电路的制造技术飞速发展。集成电路的发明是电子技术发展史上的一个重要里程碑。1．什么是集成电路模拟电子技术前面讲述的放大电路均是由彼此相互分开的三极管、二极管、电阻、电容等元件，借助导线或印刷电路连接成的一个完整的电路系统，称之为分立元件电路。利用半导体三极管常用的硅平面工艺技术，把组成电路的电阻、电容、二极管、三极管及连接导线同时制造在一小块硅片上，便成为一块集成电路（如图8.1），其对外部完成某一电路的功能。集成电路出现后，以其体积小、重量轻、可靠性高、组装和调试工作量小等一系列优异性能。目前，各类集成电路已在计算机、国防科技及仪器仪表、通讯、广播电视等领域广泛使用。图8.1集成运算放大器实物图模拟电子技术2．集成电路的结构特点图8.2是半导体硅片集成电路放大了的剖面结构示意图。集成电路把小硅片电路及其引线封装在金属或塑料外壳内，只露出外引线。集成电路看上去是个器件，实际上又是个电路系统，它把元器件和电路一体化了，单片计算机系统就是一个典型例子。从图8.2集成电路剖面结构图来看，集成电路在结构上有以下三个特点：（1）使用电容较少，不用电感和高阻值电阻。（2）大量使用三极管作为有源单元。（3）三极管占据单元面积小且成本低廉，所以在集成电路内部用量最多。三极管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或作为二极管、稳压管使用，如图8.2中的二极管。就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模（即SSI、MSI、LSI和VLSI）之分。目前的超大规模集成电模拟电子技术图8.2集成电路剖面结构示意图路，每块芯片上制有上亿个元件，而芯片面积只有几十平方毫米。就导电类型而言，有双极型、单极型（场效应管）和两者兼容的。就功能而言，有数字集成电路和模拟集成电路，而后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源和集成数模和模数转换器等等。3．集成电路的外形封装模拟电子技术图8.3中为半导体集成电路的几种封装形式。图（a）是双列直插式封装，它的用途最广；图（b）是单列直插式封装；图（c）超大规模集成电路的一种封装形式，外壳多为塑料，四面都有引出线。此外，还有金属圆壳式封装，采用金属圆筒外壳，类似于一个多管脚的普通晶体管，但引线较多，有8、12、14根引出线。图8.3半导体集成电路外形图（a）双列直插封装（b）单列直插封装（c）表面安装器件4．集成电路的分类模拟电子技术集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。数字集成电路用于产生、变换和处理各种数字信号（所谓数字信号，是指幅度随时间作不连续变化，只有高、低两种电位的信号）。模拟集成电路用于放大变换和处理模拟信号（所谓模拟信号，是指幅度随时间作连续变化的信号）。模拟集成电路又称线性集成电路。集成电路的品种很多，按其产品大致可分为TTL，HTL，ECL，PMOS，NMOS，CMOS，集成运算放大器，集成稳压电源，时基电路，功放、宽带放大、射频放大等其他线性电路，接口电路，电视机、音响、收音机等专用电路以及敏感型集成电路等13种。这里应当指出，在模拟集成电路中，由于内部有源器件工作状态复杂，制造难度大，所以一般能在单片上集成100个以上的元器件就称为大规模集成电路了。这点是与数字电路的集成度数量有很大差别的。8.2集成运算放大器的结构和指标模拟电子技术集成运算放大器是模拟集成电路中品种最多、应用最广泛的一类组件，集成运放实际上是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。最初是用于数的计算，所以称为运算放大器。它是把电路中所有晶体管和电阻等制作在一小块硅片上，具有差动输入级的集成运放的主要特点表现为开环增益非常高（高达1万倍至百万倍）、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等，并且在使用上具有很大的通用性。集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能，但后来发展成为像三极管一样的通用器件，被称为“万能放大器件”。产品种类和型号很多，按性能指标可分为两大类：通用型运放和专用型运放。专用型按性能可分为高精度型、高速型、高输入阻抗型、低漂移型、低功耗型等许多种类。可用于各种不同频带的放大器、振荡器、有源滤波器、模数转换电路、高精度测量电路中以及电源模块等许多场合。1．集成运放的内部的电路组成与特点模拟电子技术作为一个电路元件，集成运放是一种理想的增益器件，它的放大倍数可达104～107。集成运放的输入电阻从几十千欧到几十兆欧，而输出电阻很小，仅为几十欧姆，而且在静态工作时有零输入时零输出的特点。集成运放品种很多，但它们内部都是一个直接耦合的多级放大电路。和分立电路相似，集成运放内部电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分，如图8.4所示。图8.4集成运放结构方框图输入级是具有恒流源的差动放大电路，电路中输入级要求能够获得尽可能低的失调和尽可能高的共模抑制比及输入电阻。中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数。从对中间级的要求来说，不仅要具有较高的电压增益，同时还应具有较高模拟电子技术的输入电阻以减少本级对前级电压放大倍数的影响。中间级通常用1～2级直接耦合放大电路组成。输出级的主要作用是给出足够的电流以满足负载的需要，同时还要具有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。放大倍数要适中，太高了没有什么特别的好处，而太低将影响总的放大倍数。输出级常采用互补对称OCL功放输出级电路。输出级大多为互补推挽电路，除此之外，还应该有过载保护，以防输出端短路或过载电流过大。偏置电路采用恒流源电路，为各级电路设置稳定的直流偏置。集成运放内部除以上几个组成部分以外，电路中还附有双端输入到单端输出的转换电路，实现零输入、零输出所要求的电平位移电路及输出过载保护电路等。2．集成运放的外形与外部引出端子集成运放的外部引出端子有输入端子、输出端子、连接正负电源的电源端子、失调调整端子、相位校正用的相位补偿端子、公共接地端子和其他附加端子。图8.5给出了常用的集成运放的外模拟电子技术引线图，图中包括输入端子2和3、输出端子6、电源端子7和4，还有失调调整端子1和5。对于不同的产品，其外部引出端子的排列可以从产品说明书上查阅。图8.5集成运放的外形与外引线图（a）（b）图8.6是集成运放的电路符号。运放主要有两个输入端，一个输出端。输入与输出相位相同的输入端称为同相输入端，用“+”表示；输入与输出相位相反的输入端称为反相输入端，用“”表示。当两输入端都有信号输入时，称为差动输入方式。运放在正常应用时，可以单端输入，也可以双端输入，存在这三种基本输入方式。不论采用何种输入方式，运算放大器放大的是两输入信号的模拟电子技术差。图8.6集成运放的电路符号（a）新符号（b）旧符号集成运放的性能指标比较多，具体使用时要查阅有关的产品说明书或资料。下面简单介绍几项主要的性能指标。1．开环差模电压放大倍数Auo运放在没有外部反馈作用时的差模直流电压增益称为开环差模电压增益，它是决定运放电路运算精度的重要因素，定义为运放开环时的输出电压与差模输入电压之比，即ououAuu模拟电子技术Auo是决定运放精度的重要因素，其值越大越好。通用型运放的Auo一般在103～107范围。2．差模输入电阻Rid差模信号输入时，运放开环（无反馈）输入电阻一般在几十千欧到几十兆欧范围。理想运放Rid=∞。3．差模输出电阻Rod差模信号输入时，运放开环（无反馈）输入电阻一般在几十千欧到几十兆欧范围。理想运放Rid=∞。4．共模开环电压放大倍数AucAuc指集成运放本身的共模电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Auc应接近于零。5．最大输出电压Upp在额定电源电压（±15V）和额定输出电流时，运放不失真最大输出电压的峰峰值可达±13V左右。模拟电子技术6．输入失调电压UOS当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS。它反映了差放输入级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型运放的UOS为毫伏数量级。7．输入失调电流IOS当集成运放输出电压uo=0时，流入两输入端的电流之差：就是输入失调电流。IOS反映了输入级电流参数（如b）的不对称程度，IOS越小越好。由于结构及制造工艺上的许多特点，集成运放的性能非常优异。通常在电路分析中把集成运放作为一个理想化器件来处理，从而使集成运放的电路分析计算大为简化。也就是说，将集成运放的各项技术指标理想化，所引起的误差可以忽略不计。1．理想集成运放的条件模拟电子技术理想集成运放的条件：（1）开环差模电压放大倍数Auo→∝。（2）开环输入电阻Rid→∝。（3）输出电阻Rod→0。（4）共模抑制比KCMR→∝。（5）输入失调电压UOS、输入失调电流IOS以及它们的温漂均为零。使用中，理想集成运放的技术指标主要指前3个。图8.7是理想运放内部简化等效电路。图8.7理想运放内部简化等效电路模拟电子技术以后分析各种由集成运放构成的电路时，将以此为基础，按理想集成运放分析，这在工程上是允许的。理想集成运放的符号如图8.8（a）所示。它有两个输入端，输入与输出相位相同的输入端称为同相输入端，用“+”表示；输入与输出相位相反的输入端称为反相输入端，用“-”表示。传输特性如图8.8（b）所示，在各种应用电路中，集成运放的工作范围有两种，即工作在线性区或和非线性区。分布如图8.8所示。图8.8理想集成运放的符号和运放的传输特性（a）（b）模拟电子技术2．线性区如图8.8中的曲线AC段所示。集成运放工作在线性区时有两个重要特点：（1）集成运放的输出电压与输入电压ui=u+-u-之间存在着线性放大关系，即ouo()uAuu其中u+是同相输入端的输入信号，u-是反相输入端的输入信号。对实际运放，线性区的斜率取决于Auo的大小。将上式整理，并考虑理想运放Auo→∞，则有，故有ouo0uuuAuu上式表明，由于理想运放的Auo为无穷大，差模输入信号u+-u-很小就可以使输出达到额定值，因而“+”、“-”两端的对地电位近似相等，相当于同相输入端和反相输入端两点间短路，但实际上并未短路，所以称为“虚短”。（2）由于同相输入端和反相输入端的对地电位几乎相等，而集成运放的Rid→∞，因而可以认为“+”、“-”两端的输入信号电流为零。即0ii模拟电子技术此时相当于同相输入端和反相输入端都被断开，但实际上并未断路，所以是“虚断”。“虚短”和“虚断”是理想集成运放工作在线性区时的两个重要结论，对分析集成运放电路非常有用。注意：实际的集成运放，故当输入电压u+和u-的差值很小时，经放大后仍小于饱和电压值+Uom或大于-Uom时，运放的工作范围尚在线性区内。所以，实际的输入、输出特性上，从-Uom转换到+Uom时，仍有一个线性放大的过渡范围。uoA3．非线性区受电源电压的限制，输出电压不可能随输入电压的增加而无限增加。如果集成运放的工作信号超过了线性放大的范围，则输出电压与输入电压不再有线性关系，输出将达到饱和进入非线性区。如图8.8中（b）的曲线AB和CD段所示。集成运放工作在非线性区时，也有两个特点：（1）“虚短”现象不再存在，即。uu模拟电子技术输出电压uo只有两种可能，由传输特性可见：当时，uo=+Uom当时，u