第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路
9.2 集成电路基本知识
9.3 集成运算放大器的结构和指标
9.4
9.5 集成运放在信号运算方面的应用
9.6 信号转换电路
9.7 集成运放的非线性应用 ——电压比较器
9.8 专用集成电路 返回主目录第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路在测量仪表和自动控制系统中,常常遇到一些变化缓慢的低频信号 （ 频率为几赫兹至几十赫兹,甚至接近于零 ） 。 采用阻容耦合或变压器耦合的放大电路是不能放大这种信号的 。
因为在阻容耦合电路中,电容对这些信号呈现的阻抗极大,
信号被电容隔断,无法传输到下一级 。 而在变压器耦合的电路中,信号将被变压器原边线圈的低阻所短路,也无法耦合到副边去 。 因此,放大这类变化缓慢的信号,只能用直接耦合放大电路 。
一,直接耦合放大电路的零点漂移问题与阻容耦合的放大电路相比,直接耦合放大电路突出的问题就是零点漂移问题 。
从实验中可以发现,对于两级以上的耦合放大电路,即使在输入端不加信号 （ 即输入端短路 ）,输出端也会出现大小变化的电压,如图 9-1 所示 。 这种现象称作零点漂移,简称零漂 。
级数越多,放大倍数越大,零漂现象越严重 。
严重的零点漂移将使放大电路不能工作 。 以图 9 -1 电路为例,放大电路的总放大倍数为 300。 当输入端短路时,观察其输出电压,在半小时内出现了 0.5V的漂移 。
图 9 –1 零点漂移现象
V
1
u
i
＝ 0
V
2
u
o 1
O
u
o 2
O
t
t
u
o 2
若用这个放大电路放大一个 2mV 的信号,则应有
Uo=2× 10-3× 300 =0.6V的输出 。 但是,由于零漂的存在,输出端实际输出可达 1.1V,而不是 0.6 V。 因此无法区分信号电压与漂移电压 。
引起零漂的原因很多,如电源电压波动,温度变化等,
其中以温度变化的影响最为严重 。 当环境温度发生变化时,
晶体管的 β,ICBO,UBE随温度而变 。 这些参数变化造成的影响,
相当于在输入端加入信号,使输出电压发生变化 。
在阻容耦合电路中,各级的零漂被限制在本级内,所以影响较小 。 而在直接耦合电路中,前一级的零漂电压将毫无阻拦地传递到下一级,并逐级放大,所以第一级的零漂影响最为严重 。 抑制零漂,应着重在第一级解决 。
减小零漂常用的一种方法,是利用两只特性相同的三极管,
接成差动式电路 。 这种电路在模拟集成电路中作为基本单元而被广泛采用 。
二,差动放大电路差动放大电路又称差动电路,它能比较完善地抑制零点漂移,常用于要求较高的直流放大电路中 。 差动电路又是当今集成电路的主要单元结构 。
1.
图 9 -2 所示电路为典型的差动放大电路 。 两侧的三极管电路完全对称 。 即,Rc1= Rc2,Rb1=Rb2,三极管 V1和 V2的参数相同,两管的射极相连并接有公共的射极电阻 Re,由两组电源
+UCC和 -UEE供电 。
图 9 –2 差动放大电路
－
＋
R
c1
R
c2
＋
u
od
R
b1
R
b2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
u
o1
u
o2
V
1
V
2
u
i1
－
u
i2
＋
－
u
id
由于三极管 V1和三极管 V2参数完全相同且电路对称,因而在静态时,Ui=0,三极管集电极电压 Uc1 = Uc2,Uo=Uc1-Uc2=0，
实现了零输入,零输出的要求 。
如果温度升高,Ic1和 Ic2同时增大,Uc1和 Uc2同时下降,两管集电极电压变化量相等 。 所以 ΔUo=ΔUc1-ΔUc2=0,输出电压仍然为零,这就说明,零点漂移因为电路对称而抵消了 。
2.
在图 9- 2中,输入信号 uid分成幅度相同的两个部分,ui1和
ui2,它们分别加到两只三极管的基极 。 由图看出,ui1和 ui2极性
（ 或相位 ） 相反 。
这种对地大小相等,极性 （ 或相位 ） 相反的电压信号叫差模信号,用 uid表示为
uid=ui1-ui2 (9 -1)
差模信号就是待放大的有用信号 。 在它的作用下,一只三极管内电流上升,另一只管内电流下降,于是输出端将有电压输出 。 所以差动放大电路对差模信号能进行放大 。 设差动放大电路单侧的放大倍数为 A1,由于电路对称,
idOidO UAUUAU )2
1(,
2
1
1211
所以输出电压
Uod=Uo1-Uo2=A1·Uid
差动放大电路的电压放大倍数为
beb
C
i
id
Od
d rR
RA
U
UA
（ 注意,Uo1,Uo2,Uid,Uo均为电压有效值 。 ）
式 （ 9 -2） 说明：差动式放大电路 （ 两管 ） 的电压放大倍数和单管放大电路的放大倍数相同 。 差动电路的特点是多用一个放大管来换取对零漂的抑制 。
3,共模信号和共模抑制比 KCMRR
在差动电路中,如果两输入端同时加一对对地大小相等,
极性 （ 或相位 ） 相同的信号电压,这种信号叫共模信号,用 uic
表示,uic=uic1=uic2。
共模信号是无用的干扰或噪声信号 。 零漂信号便是一种共模信号 。
差动放大电路由于电路对称,当输入共模信号时,
uic1=uic2,三极管 V1和三极管 V2各电量同时等量变化,输出端
uoc1=uoc2,所以共模输出 uoc=uoc1-uoc2=0,表明差动电路对共模信号无放大能力,这反映了差动电路抑制共模信号的能力 。
为了表示一个电路放大有用的差模信号和抑制无用的共模信号的能力,引用了一个叫抑制比的指标 KCMRR,它定义为
KCMRR= (9 -3)
其中,Ad为差模信号放大倍数,Ac为共模信号放大倍数
KCMRR对理想的差动放大电路为无穷大,对实际差动电路,
KCMRR愈大愈好 。
c
d
A
A
9.2 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 。
一,什么是集成电路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,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,在科学技术各个部门得到了普遍的推广使用 。 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 。
二,集成电路的结构特点图 9 -3 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 。 因此,集成电路又叫固体电路 。
从图 9 -3 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 。
在硅片上制成一个元件的成本与它在硅片上占据的面积成正比 。 电感元件,较大阻值的电阻和高值电容都会占用较大面积的硅片,因此,在集成电路中尽量较少使用电容元件,不用电感和高阻值电阻 。
(2) 大量使用三极管作为有源单元 。
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 9- 3 中的二极管 V1和 V2 。
图 9 –3 集成电路剖面结构示意图
N
＋
扩散层
(发 射区) 三极管 V
1
二极管 V
2
二极管 V
3
电阻 R 电容 C
1
电容 C
2
PN 结隔离槽
(元 件间绝缘)
二氧化硅绝缘层铝电极(引 线点)
N 型外延层(集 电区)
P 扩散层(基 区) N ＋ 埋层
P 扩散层
(半 导体电阻)
P 型硅片衬底
(接 最低电位)
N 型外延层
(结 电容一极)
P
P
(3) 电路元件间的绝缘采用反偏的 PN结隔离槽或二氧化硅绝缘层 。
在图 9 -3 中,P型衬底往往接在电路的最低电位,元件间的 P型隔离槽也接向这个低电位 。 这样无形中构成了许多反偏的 PN结,呈现出高达几十兆欧姆的电阻,巧妙地把各元件隔离起来 。 此外,也可用二氧化硅薄层作为绝缘层 。
三,集成电路的外形封装图 9 -4 中为半导体集成电路的几种封装形式 。
图 (a)为金属圆壳式封装,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 （ b） 是扁平式塑料封装,用于要求尺寸微小的场合,
一般有 14,18,24根引出线 。
图（ c）是双列直插式封装，它的用途最广。
图 9-4 半导体集成电路外形图
1 2 3 4 5 6 7
14 8
15 9
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
其外壳用陶瓷或塑料,通常设计成 2.5 mm的引线间距,
以便与印刷电路板上的标准件插孔配合 。 对于集成功率放大器和集成稳压电源等,还带有金属散热片及安装孔 。 封装引线有 14,18,24根等 。
图（ d）为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。
五,集成电路的分类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,射频放大等其它线性电路,接口电路,电视机,音响,收录机等专用电路以及敏感型集成电路等 13种 。
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 。
集成电路还可按单片上能集成的元器件数目 （ 即集成度 ）
分成小规模 （ SSI）,中规模 （ MSI）,大规模 （ LSI） 和超大规模 （ VLSI） 集成电路 。
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 。
9.3 集成运算放大器的结构和指标集成运算放大器 （ 简称集成运放 ） 是模拟集成电路中品种最多,应用最广泛的一类组件,它几乎可以实现以往各种由分立元器件组成的模拟电子电路的功能 。 集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能,后来成为像三极管一样的通用器件,
因其高增益 （ 高放大倍数 ）,高可靠性,低成本和小尺寸等优越的性能而被广泛地应用在电路与系统的各个领域中,被称为
,万用器件,,,万能放大器件,等 。
一,集成运放的结构特点
1.
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,零输出的特点 。
2,集成运放内部的电路组成集成运放品种很多,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 9 -5 所示 。
图 9 –5 集成运放结构方框图信号 中间级 输出级 输出偏置电路输入级输入级是具有恒流源的差动放大电路,用于消除零漂 。
中间级一般由一级共射极放大电路 （ 或共源极放大电路 ）
或组合放大电路组成,用以提供高的电压放大倍数 。
输出级大多为互补推挽电路,并附有安全保护电路 。
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 。
3,集成运放的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 9- 6
F007 的外引线图,图中包括输入端子,输出端子,电源端子和失调调整端子 。 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 。 本书的附录 Ⅵ 示出了常用的一些国产集成运放的引线排列图,供使用时参考 。
二,集成运放的主要性能指标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 。
图 9 –6 集成运放 F007 的外引线图俯视
8
1
2
3 4
5
6
7
OA
1
IN
－
IN
＋
V
－
OA
2
O U T
V
＋
F 00 7 组件金属封装外形
IN
－
— 反相输入端
IN
＋
— 同相输入端
O U T — 输出端
V
＋
— 正电源电压、正电源端
V
－
— 负电源电压、负电源端
OA
— 失调调整端
F 00 7 符号说明
8 7 6 5
1 2 3 4
V
＋
O U T OA
2
V
－
IN
＋
IN
－
OA
1
F 00 7 组件双列直插外形
1,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,好的可小于 1mV,差的达 10mV左右 。
2,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：
IOS=IB1-IB2|就是输入失调电流,如图 9- 7 所示 。 IOS反映了输入级电流参数 （ 如 β） 的不对称程度,IOS越小越好 。 通用型运放的 IOS为纳安 (nA) 数量级,好的可小于 1nA,差的可大到 5μA。
图 9- 7 输入失调电流
＋
－
u
o
＝ 0
I
B1
I
B2
－
∞
3,开环差模电压放大倍数 Aod
开环差模电压放大倍数指运放未外接反馈电路时的空载电压放大倍数 。 Aod是决定运放精度的重要因素,其值越大越好 。 通用型运放的 Aod一般在 103～ 107范围 。
4,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=∞。
5,差模输出电阻 ro
差模输出电阻是运放输入端短路,负载开路时,运放输出端的等效电阻,一般为 20～ 200 Ω左右 。
6,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 。
9.4 集成运放的应用基础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大为简化 。
一,集成运放的理想化条件
1.
理想状态下的集成运放的主要技术指标有 3
(1) 开环电压放大倍数 Aod=∞；
(2) 开环输入电阻 rid=∞；
(3) 输出电阻 ro=0。
2,理想集成运放的电路符号图 9 -8 所示为理想集成运放的电路符号,它有两个输入端,
一个输出端 。 在两个输入端中,一个是反相输入端,标有,-”
号,它表示输出端的电压 uo与该输入端的电压 u-相位相反；
另一个输入端是同相输入端,标有,＋,号,表示输出端的电压 uo与输入端的电压 u+相位相同 。 理想运放内部差动简化等效电路如图 9 -9 所示 。
在应用原理电路中,集成运放的其他引出端对分析电路信号没有作用,因此在应用原理电路中可以不画出来 。
二,集成运放工作在线性区和非线性区的特点分析应用电路的工作原理时,首先要分析集成运放工作在线性区还是在非线性区 。
图 9 –8 理想运放的电路符号
＋
－
u
o
u
＋
＋
u
－
∞
图 9 –9 理想运放内部差动简化等效电路
＋
u
o
－u
＋
u
－
－
r
i d
i
＋
i
－
＋
r
o
A
ud
· u
id
1） 运放同相输入端与反相输入端对地电压相等 （,虚短,
特点 ） 。
当集成运放工作在线性区时,作为一个线性放大元件,它的输出信号和输入信号应满足以下关系,
Uo=Aod(UA′-UA)
UA′-UA = (9- 4)
因为理想运放 Aod=∞,当 Uo等于某一有限电压值时,由式
（ 9 - 4）
UA′-UA=0
即 UA =UA′ (9 -5)
（ 2） 理想运放两个输入端的电流都等于零 （,虚断,特点 ） 。 因为理想运放的 rid=∞,所以在输入端的 A点或 A′点没有电流流入运放,即
IA=IA′=0 (9- 6)
式 （ 9- 5） 和式 （ 9 -6） 表达了理想运放工作在线性区的
,虚短,或,虚断,特点,大大简化了运放应用电路的分析过程 。
2.
若集成运放处于开环工作状态 （ 即没有外接深度负反馈电路 ）,情况又如何呢？ 我们知道,集成运放的 Aod很大,以集成运放 F007为例,Aod=105,最大输出电压,
Upp =Uom=± 10 V； 当该运放在线性区工作时,其允许的差模输入电压
Uid=UA′-UA=
集成运放 F007的输入电阻 rid = 2MΩ，
IA′= =0.05× 10-9A=0.05nA
若输入端的电压变化量超过 0.1mV,运放的输出电压立即超出线性放大范围,到正向饱和电压 +Uom或负向饱和电压 -
Uom。
由上例可知,当集成运放的工作范围超出线性区时,输出电压 Uo和输入电压 UA′－ UA之间将不再满足式 （ 9- 4） 表示的关系,即
6
3
102
101.0
id
AN
r
UU
mvAU
od
om 1.0
10
10
5?
Uo≠Aod(UA′-UA )
根据以上分析,理想运放工作在非线性区时,有如下特点：
（ 1） 输出电压 Uo只有两种可能状态,即正饱和电压 +Uom
或负饱和电压 -Uom,而且两输入端对地电压不一定相等,即
UA′≠UA。
当输入电压 UA′＞ UA时,Uo=+Uom (9 -7)
当输入电压 UA′＜ UA时,Uo=-Uom (9 -8)
而且,UA′=UA的点是两种状态的转换点 。
（ 2） 运放的输入电流等于零 。
由于理想运放的 rid=∞,因而虽然 UA′≠UA,但输入电流仍然为零 。
图 9 –11 运放工作在非线性区时的输入输出特性集成运放工作在非线性区时的输入输出特性如图 9 -11 所示 。
总之,分析运放的应用电路时,首先将集成运放当成理想运放,以便简化分析过程 。 然后判断集成运放是否工作在线性区 。
在此基础上根据以上运放的线性或非线性特点,分析电路的工作过程 。
U
o
＋ U
om
O
－ U
om
U
A′
－ U
A
非线性线性
9.5 集成运放在信号运算方面的应用用集成运放对模拟信号进行运算,就是要求输出信号反映出输入信号的某种运算结果 。 由此可以想到,输出电压将在一定范围内变化,而不能只有 -Uom和 ＋ Uom两种状态 。 因此,
集成运放必须工作在线性区 。
为了保证集成运放工作在线性区而不进入非线性区,在随后将要介绍的电路中,都引入了深度负反馈 。 将放大器的输出量 (电压或电流 )的部分或全部反方向送回到放大器的输入端,
这种反方向传输信号的过程叫反馈 。 若引入的反馈信号使输入信号减小,这种反馈叫负反馈 。
用集成运放对模拟信号实现的基本运算有比例,求和,
积分,微分,对数,乘法等等,我们只简单介绍其中几种 。
图 9- 12 反相比例运算电路一,比例运算电路
1,反相输入比例运算图 9- 12 中,输入信号 ui经过外接电阻 R1接到集成运放的反相输入端 A,同相输入端接地 。 因为从点 A流入集成运放的电流 I′= 0,所以
＋
－
u
o
A
u
i
＋R
1
R ′ A ′
I ′
I
1
I
f
R
f
∞
UA=UA′=0,I1 = If
可知,输出电压和输入电压的关系为电压放大倍数 (比例系数 )
1
0
1 R
UU
R
UU AAi
i
f
f
i U
R
RU
R
U
R
U
1
0
0
1
或
1R
R
U
UA f
i
O
f
式 （ 9 -9） 表明,图 9- 12 的运放,其输出电压和输入电压的幅值成正比,但相位相反 。 也就是说,电路实现了反相比例运算 。 比例系数｜ Af｜由电阻 Rf和 R1决定,而与集成运放内部各项参数无关 。 只要 R1和 Rf的阻值足够精确且稳定,就可以得到准确的比例运算关系 。
在反相输入的比例运算电路中,若取 Rf=R1,则比例系数为 -1,此反相输入比例运算电路就称为变号运算电路或倒相电路,其输出电压 uo=-ui。
在上述电路中,A点的电位等于地电位,但是却没有电流流入该点 （ 因为 I′= 0）,这种现象称为,虚地,。 虚地是反相输入集成运放电路的一个重要特点 。
2,同相输入比例运算同相输入时,信号 ui 接到同相输入端 A(图 9 -13)。 为了保证集成运放工作在线性区,输出电压 uo通过反馈电阻 Rf仍接在反相输入端 A上 。
在如图 9- 13 所示的电路中,同相输入时,uo与 ui同相位 。
uo通过 Rf反馈到 A点,使 UA为某一值,也与 uo同相位 。 由于
UA′≠ 0,故同相输入时,A端已不再是,虚地,。
根据式 （ 9 -5）,得 UA=UA′=Ui，
f
A RR
RUU
1
0
图 9- 13 同相输入比例运算电路
＋
u
o
A
u
i
＋
R
1
A ′
R
f
－
∞
fRR
RUU
1
1
01
所以电路的放大倍数
1
0 1
R
R
U
UA f
i
f
或
i
f u
R
RU )1(
1
0
式 （ 9- 10） 表示：同相输入比例运算电路,比例系数大于
1,且 uo与 ui同相位 。
总结以上分析过程,同相输入运算电路的特点是：集成运放两输入端 A,A′对地电压相等,只存在虚短现象,不存在虚地现象 。
在同相输入比例运算电路中,若 R1=∞（ 开路 ）,或 R= 0
（ 短路 ）,该电路比例系数 Af=+1,则此电路称为电压跟随器电路 （ 图 9 -14）,输出电压 uo=ui。 电压跟随器电路广泛作为阻抗变换器或作为输入级使用 。
二,加法运算要求输出信号反映多个模拟输入量相加的结果时,用加法运算电路,加法运算电路如图 9- 15所示 。
图 9 –14 电压跟随器
＋
－
u
o
u
i
＋
∞
图 9- 15 加法运算电路
＋
－
u
o
A
＋
I
f
R
f
u
i1
I ′
A′
u
i2
u
i3
R
1
R
2
R
3
I
1
I
2
I
3
R ( R ＝ R
1
∥ R
2
∥ R
3
∥ R
f
)′′
∞
I′= 0,UA=UA′=0
3
3
2
2
1
1
321 R
u
R
u
R
uiiii iii
f
因为 所以
f
f R
ui 0
uo= - ifRf
3
3
2
2
1
1
( ififif uRRuRRuRR )
当 R1=R2=R3时，
)( 321
1
0 iii
f uuu
R
Ru
以上分析说明,反相输入求和电路的实质是利用 A点的
,虚地,和输入电流 I′= 0 的特点,通过电流相加的方法来实现电压相加 。
三,减法运算图 9 -16是减法运算电路,它是一个双端输入的运放电路 。
考虑到直流平衡和降低共模,取 R1=R2,Rf=R′f。
当 ui1=0 时,电路为同相输入,
f
iA RR
Ruu
2
2
输出端
2
1
2
21
1
1
2 )()1( i
f
i
f
ff
A
f
o uR
Ru
RR
R
R
RRu
R
Ru
图 9 –16 减法运算电路
＋
－
u
o
A
u
i2
＋
R
2 A ′
I
f
R
f
u
i1
R
1
R
f
′
∞
当 ui2=0 时,电流为反相输入运放 。 同相输入端虽然没有直接接地,而是通过 R2∥ R′f 接地,但仍对点 A为虚地没有影响 。
uo1=
根据叠加原理,输出电压
1
1
i
f u
R
R?
)( 12
1
210 ii
f
oo uuR
Ruuu
或
121
0
R
R
uu
uA f
ii
f
必须注意,图 9 -16电路中的电阻对称,即 R1=R2,Rf=R′f 。
四,积分运算图 9- 17所示为积分运算电路,根据集成运放反相输入线性应用的特点,uA=0（ 虚地 ）,
因为又因为所以
11
1 R
u
R
uuii iAi
c?
dt
duci c
c?
dtuCRdticdticu icc
1
1
111
ooAc uuuu
dtuCRuu ico
1
1
图 9 –17 积分运算电路
＋
－
u
o
A
＋
i
C
C
u
i
R
1
i
1
u
C
∞
9.6 信号转换电路属于信号转换的电路种类很多,主要有电源变换电路和非电量转换成电信号的电路 。 这些电路均系 9.5节中运算电路的直接或间接应用 。
在电源变换电路中,有电压 -电压变换,电压 -电流变换,
电流 -电压变换,电流 -电流变换 。
在非电量转换成电信号的电路中,有光 -电转换电路,时间 -电压转换电路,还有将机械变形,压力,温度等物理量变换成电信号的电路 。 下面举例说明集成运放在这些方面的应用 。
一,电源变换电路
1,电压 -
在一些基准电压源的应用中,如标准稳压管 2CW7C,它的输出电压都是固定的,其值与实际要求的基准电压常常不符 。
这时便可用集成运放进行变换,以满足实际要求的基准电压值 。
图 9 -18 便是这种电压 -电压变换功能的电路,其中 （ a） 图是将稳压管的稳定电压 6.3V变换成 3V基准电压输出的例子； （ b）
图是将 2.5V电压变换成 +5 V基准电压输出的例子 。 这里应用了比例运放电路 。
图 9- 18 电压 -电压变换电路实例
＋
－
U
o
＝ 3 V
＋
R
1
R
f
6 8 k?
1 0 0 k?
－ 1 2 V
6 0 0?
6,3 V
2 D W 7 C
∞
( a ) ( b )
＋
－
U
o
＝ 5 V
＋
2 0 k?2 0 k?
5 G 2 3
＋ 7,5 V
＋ 2,5 V
∞
2,电流 -电压变换电路在很多电流测量系统中,常采用通过电压测量来指示电流大小的方法 。 这就要用到电流 -电压变换电路 。 图 9- 19 所示电路便是这样的一个电流 -电压转换电路 。 该电路用高阻输入的集成运放 5G28来测量三极管反向饱和电流 ICEO。
该电路利用反相输入端的虚地特性,能方便地设置三极管的集 -射极电压 UCE。 由于 5G28的实际输入偏流小于 1nA,因而当待测三极管的反相饱和电流 ICEO在大于 0.1μA时,输入偏流的影响完全可以忽略 。 此时运放的输出电压 Uo将正比于 ICEO的大小,
Uo=-ICEOR
在给定 R值的条件下,Uo的大小就准确地反映了 ICEO的大小 。
图 9- 19 ICEO测量电路（电流 -电压转换）
＋
－
U
o
＝－ I
C E O
· R
＋
R ＝ 1 0 M?
＋ U
CE
5 G 2 8
∞
二,电量转换为电信号的应用电路
1,把光信号变换成电信号随着光电子技术的发展,把光信号变换成电信号是实际中经常遇到的问题 。 图 9-20 便是最简单的光 -电转换电路 。
图中二极管是一只光敏二极管 V,当 V反偏时,反向电流与光照强度成正比 。 光照强度越大,反向电流就越大 。 根据我们在 9.5.3节中的减法运算,
Uo=-2IsRp
图 9 –20 光 -电转换器
＋
－
U
o
＋
R
p
R
p
A
A′
I
s
∞
2.
图 9 -21 的运放电路也称电桥放大器,是用来测温度,
压力,流量等物理量变化的 。 当物理量无变化时,电桥平衡,电路输出电压 Uo=0；当物理量发生变化,传感元件阻值改变,破坏了电桥的平衡,于是有一个信号送到放大器的输入端 。 电路的输出电压反映了这个变化 。
由于该电路是利用电桥的不平衡输出信号的大小来实现对物理量的检测的,故该电路称为电桥放大器 。
图 9- 21 电桥放大器
＋
－
U
o
＋
G
2
U
G
G ＋? GG
1
G
1
＋ G
2
∞
9.7 集成运放的非线性应用 ——电压比较器当集成运放工作在开环状态时,由于它的开环电压放大倍数很大,即使在两输入端之间输入一个微小的信号,也能使运放饱和而进入非线性状态 。 电压比较器便是根据这一原理工作的 。
电压比较器就是将一个模拟量的电压信号去和一个参考电压相比较,在二者幅度相等的附近,输出电压将产生跃变 。
所以,通常电压比较器输入的是连续变化的模拟信号,输出的是以高,低电平为特征的数字信号或脉冲信号 。
电压比较器广泛地用于越限报警、模 /数转换、波形变换及信号测量等方面。
一,电压比较器的工作原理图 9 -22 为电压比较器电路 。 其中,（ a） 图为反相型电压比较器,（ b） 图为同相型电压比较器 。 以图 9- 23 的电压比较器为例,输入信号 ui加于集成运放的反相输入端,UR为参考电压,接在同相输入端 。
根据 9.4.2节中关于集成运放在非线性区工作特点的分析,
我们可对图 9- 23中的反相型电压比较器的工作原理说明如下当 ui＜ UR 时,差动输入信号 UA-UA′＜ 0,uo=+Uom
当 ui＞ UR时,差动输入信号 UA-UA′＞ 0,uo=-Uom
图 9 –22 简单的电压比较器电路
＋
－
U
o
＋
u
i
U
R
( b )
∞
A
A′
＋
－
U
o
＋
A
A′
u
i
U R
( a )
∞
图 9-23 反相电压比较器及传输特性
( a )
u
o
＋ U
om
－ U
om
O u
i
U
R
( b )
＋
－
U
o
＋
A
A′
u
i
U
R
∞
也就是说,当输入电压 ui＞ UR时,电路反转,输出负饱和电压 -Uom；当输入电压 ui＜ UR时,电路反转,输出正饱和电压 +Uom。
二,传输特性传输特性就是输出电压和输入电压的关系特性 。 根据
9.7.1节中比较器的工作原理分析,反相电压比较器的传输特性如图 9- 23（ b） 所示 。
三,过零比较器在图 9- 23 的反相电压比较器中,当参考电压 UR=0时,
该电路就变为一个过零比较器 。
当 ui＞ 0,UA＞ 0时,
Uo=-Uom
当 ui＜ 0,UA＜ 0时,
Uo=+Uom
过零比较器的电路和传输特性如图 9- 24 所示。
利用这个特性,可以进行波形变换 。 例如,将输入的正弦波变换成矩形波电压输出 。 图 9 -25就是将图 （ a） 中的正弦波输入到过零比较器,然后在 t1,t2,t3等时刻反转成图 （ b） 的矩形波输出 。
图 9 –24 过零比较器及其传输特性
＋
－
U
o
＋
u
i
∞
( a )
( b )
u
o
＋ U
om
－ U
om
O u
i
图 9 –25 过零比较器的波形转换
u
i
O
t
1
t
2
t
3
t
u
o
O
t
1
t
2
t
3
t
U
om
四,专用集成比较器集成比较器是为了适应模 /数电压信号之间转换的需要而制造的 。 专用集成比较器的结构特点是：
(1) 专用集成比较器输出电压的高低电平能与数字电路相匹配 。
(2) 为了提供较大的上升速率,集成比较器输入级工作电流比一般的集成运放要大,故输入电阻较低 。
(3) 由于集成比较器都工作在非线性状态,因此没有相位补偿问题 。
表 9.1 介绍了几种典型的国产集成电压比较器的主要性能。
表 9.1
型号名称 电源电压 /v Aod Ios/uA Uos/mV 相容电路
CJ0710高速电压比较器
+12,-6 1.5× 103 5 5 TTL
DTL
CJ0514双高速电压比较器
+12,－ 6 1.5× 10 3 5 4 TTL
DTL
CJ0311单电压比较器
± 15 ～ +5 2× 103 0.06 2 TTL
DTL
CJ0734精密电压比较器
± 15 ≥25× 103 25 5 TTL
DTL
9.8 专用集成电路模拟集成电路品种很多,专用功能的集成电路越来越受到人们的重视 。 下面简单介绍几种常用的专用功能集成电路 。
一,集成稳压器随着电子技术的发展,稳压电路也制成了集成器件 。 按输出电压是否可调,集成稳压器可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路 。
1.
这类稳压器只有三个外部输出端子：输入端,输出端和公共端 。 由于稳压器内部设置了各种保护电路,因而它具有使用方便,安全,可靠,性能稳定,价格低廉等优点,目前得到了广泛应用,基本上已代替了由分立元件组成的稳压电路 。
（ 1） 型号规格 。 根据输出电压的极性,三端固定式稳压器分为固定正输出集成稳压器 CW78系列和固定负输出集成稳压器 CW79系列,其封装形式及外部引脚如图 9 -26 所示 。
不同型号的芯片,可提供不同的输出电压和输出电流 。
CW78P×× 10 A
CW78H×× 5 A
CW78×× 1.5 A
CW78M×× 0.5 A
CW78L×× 0.1 A
图 9 -26 CW78(CW79)
(a) 金属封装型； (b) 塑料封装型顶视
12
1 23
( a ) ( b )
C W 78 系列管脚功能,1— 输入端 ； 2— 输出端 ； 3— 公共端
C W 79 系列管脚功能,1— 公 共端； 2— 输出端 ； 3— 输入端
3
型号后面的数值 ××,表示输出电压的数值,一般为 5 V、
6 V,9 V,12 V,15 V,18 V,24 V,共 7 个档次 。 例如,
CW7805表示固定正输出集成稳压器,输出电压 5 V,最大输出电流 1.5 A。
对于固定负输出集成稳压器系列 CW79××,其型号规格表示与 CW78×× 系列相同 。
（ 2） 应用电路 。 三端固定式集成稳压器根据需要可以接成不同的形式,如图 9 -27 所示 。
图 9 -27
(a) 输出正电压； (b) 输出电压可调； (c) 扩大输出电流的电路； (d) 输出正、负电压
( a )
C W 7 8 0 0
1 2
3
C
1
C
2
＋ U
i
＋ U
o
R
2
R
1
( b )
( c )
( d )
U
i
U
o
C W 7 8 X X
＋
V
1
V
2
R
R
0
C W 7 8 0 0
C
i 1
C
o 1
＋
＋ U
o
C W 7 9 0 0
C
i 2
U
i
－
C
o 2
－ U
o
C W 7 8 0 0
1 2
3C
1 C
2
＋ U
i
＋ U
o
在图 9- 27 电路中,图 （ a） 是固定正电压输出的基本应用电路连接 。 C1是滤波电容,C2 的作用是改善负载的瞬态特性 。
二极管 V用于电路保护,即当输入端与输出端接反时,保护芯片免受损坏 。 该电路输入电压的选择原则是：
imiOi UUUUU m i n0 )(
其中,Uo为芯片固定输出电压的大小； Uim为芯片规定的最大允许输入电压； (Ui-Uo)min为芯片规定的最小输入电压差,
一般为 2 V左右 。
图 9-27（ b） 电路用于希望少量调节输出电压的情况 。 输出电压通过调节 R来实现 。 相应的输出电压为
Uo=U××
2
1
2 )1( RI
R
R
d
式中,U×× 为所选集成片的固定输出电压； Id为所选集成片的静态电流,＞ 5 ID 。
图 9- 27（ c） 电路在需要对稳压器实现电流扩展时使用 。
三极管 V2和 R0组成限流保护电路 。 这时稳压器总的输出电流为芯片的固定输出电流与扩展管的集电极电流之和 。
图 9- 27（ d）电路用于需要同时输出正、负两组电压时。
1R
U
2,
三端可调集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的。由于电路设计及结构等原因，和三端固定输出集成稳压器相比，它可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压器或稳流器电路。
典型的三端可调式正电压输出的集成芯片有 CW117、
CW217,CW317；典型的三端可调式负电压输出的集成芯片有
CW137,CW237,CW337。
它们的外部引脚功能排列如图 9 -28 所示，应用电路见图 9 -29。
图 9 -28 CW117／ 217／ 317(CW137/237/337)
外部引脚功能排列图
12
3
1 2 3 1 2 3
3
1
2
2 31
( a ) ( b )
( c ) ( d )
图 9- 29 可调式三端稳压器应用电路
C W 1 1 7U
i
＋ U
o
R
1
R
2
( a )
＋
R
1
U
o
( b )
C W 1 3 7
－
U
i
R
2
CW117/217/317 CW137/237/337
(a) 1-公共端
2-输入端
3-输出端
1-
2-
3-输入端
(b) 1-公共端
2-输出端
3-输入端
1-公共端
2-输入端
3-输出端
(c) 1-输入端
2-公共端
3-输出端
1-公共端
2-输出端
3-输入端
(d) 1-
2-输出端
3-输入端同左图 9- 30 单片集成功率晶体管 LM195原理电路二,集成功率晶体管在 8.8 节功率放大器一节中介绍过的 LM195是单片集成功率晶体管的典型产品,其简化原理图如图 9 -30 所示 。
保护电路
b
5 0 0?
5 0 0?
0,1?
e
c
该组件电流放大倍数可达 106,要求基极驱动电流为 3μA，
最大输出电流 1.8 A。 另外,该组件内还采用了能检测芯片温度的热限流电路 。 当芯片温度达 165℃ 时,通过限流来限制器件的耗散功率 。 当三极管的 UCE＜ 13 V时,三极管的最大限定电流为 1.8 A；随着 UCE增加,相应的最大限定电流值减小 。 所以,
热限流电路提供了保护组件的安全工作区 。
和分立的功率三极管相比,集成功率三极管有更好的性能。
三,AM收音机系统集成电路
LM3820是收音机系统的一块典型集成电路,
AM收音机系统中射频和中频信号的处理电路全部集成在一起 。
这样一来,只要外接必要的外围元件及音频电路,就可以组成一个很简单的 AM收音机 。
该芯片上主要的电路部分有射频,本振,混频,中频放大器 （ AGC） 等电子电路,如图 9 -31 虚线框内包括的部分 。
如果用 LM396音频功率放大器与其相接，或采用其他音频功率放大的集成电路，就可以构成一个完整的收音机。这样一台 AM收音机只要两块集成芯片，再加上适当的外围元件可以了，系统大为简化，可靠性进一步提高。这种系统向集成化方向发展的例子，正是目前集成电路发展的一个重要方向。
LM3820 芯片组成的收音机电路实例见图 9 31。
图 9- 31 AM收音机方框图射频放大器混频器中频放大器本地振荡器自动增益检波器音频放大器
L M 38 2
0
9.1 直接耦合放大电路
9.2 集成电路基本知识
9.3 集成运算放大器的结构和指标
9.4
9.5 集成运放在信号运算方面的应用
9.6 信号转换电路
9.7 集成运放的非线性应用 ——电压比较器
9.8 专用集成电路 返回主目录第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路在测量仪表和自动控制系统中,常常遇到一些变化缓慢的低频信号 （ 频率为几赫兹至几十赫兹,甚至接近于零 ） 。 采用阻容耦合或变压器耦合的放大电路是不能放大这种信号的 。
因为在阻容耦合电路中,电容对这些信号呈现的阻抗极大,
信号被电容隔断,无法传输到下一级 。 而在变压器耦合的电路中,信号将被变压器原边线圈的低阻所短路,也无法耦合到副边去 。 因此,放大这类变化缓慢的信号,只能用直接耦合放大电路 。
一,直接耦合放大电路的零点漂移问题与阻容耦合的放大电路相比,直接耦合放大电路突出的问题就是零点漂移问题 。
从实验中可以发现,对于两级以上的耦合放大电路,即使在输入端不加信号 （ 即输入端短路 ）,输出端也会出现大小变化的电压,如图 9-1 所示 。 这种现象称作零点漂移,简称零漂 。
级数越多,放大倍数越大,零漂现象越严重 。
严重的零点漂移将使放大电路不能工作 。 以图 9 -1 电路为例,放大电路的总放大倍数为 300。 当输入端短路时,观察其输出电压,在半小时内出现了 0.5V的漂移 。
图 9 –1 零点漂移现象
V
1
u
i
＝ 0
V
2
u
o 1
O
u
o 2
O
t
t
u
o 2
若用这个放大电路放大一个 2mV 的信号,则应有
Uo=2× 10-3× 300 =0.6V的输出 。 但是,由于零漂的存在,输出端实际输出可达 1.1V,而不是 0.6 V。 因此无法区分信号电压与漂移电压 。
引起零漂的原因很多,如电源电压波动,温度变化等,
其中以温度变化的影响最为严重 。 当环境温度发生变化时,
晶体管的 β,ICBO,UBE随温度而变 。 这些参数变化造成的影响,
相当于在输入端加入信号,使输出电压发生变化 。
在阻容耦合电路中,各级的零漂被限制在本级内,所以影响较小 。 而在直接耦合电路中,前一级的零漂电压将毫无阻拦地传递到下一级,并逐级放大,所以第一级的零漂影响最为严重 。 抑制零漂,应着重在第一级解决 。
减小零漂常用的一种方法,是利用两只特性相同的三极管,
接成差动式电路 。 这种电路在模拟集成电路中作为基本单元而被广泛采用 。
二,差动放大电路差动放大电路又称差动电路,它能比较完善地抑制零点漂移,常用于要求较高的直流放大电路中 。 差动电路又是当今集成电路的主要单元结构 。
1.
图 9 -2 所示电路为典型的差动放大电路 。 两侧的三极管电路完全对称 。 即,Rc1= Rc2,Rb1=Rb2,三极管 V1和 V2的参数相同,两管的射极相连并接有公共的射极电阻 Re,由两组电源
+UCC和 -UEE供电 。
图 9 –2 差动放大电路
－
＋
R
c1
R
c2
＋
u
od
R
b1
R
b2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
u
o1
u
o2
V
1
V
2
u
i1
－
u
i2
＋
－
u
id
由于三极管 V1和三极管 V2参数完全相同且电路对称,因而在静态时,Ui=0,三极管集电极电压 Uc1 = Uc2,Uo=Uc1-Uc2=0，
实现了零输入,零输出的要求 。
如果温度升高,Ic1和 Ic2同时增大,Uc1和 Uc2同时下降,两管集电极电压变化量相等 。 所以 ΔUo=ΔUc1-ΔUc2=0,输出电压仍然为零,这就说明,零点漂移因为电路对称而抵消了 。
2.
在图 9- 2中,输入信号 uid分成幅度相同的两个部分,ui1和
ui2,它们分别加到两只三极管的基极 。 由图看出,ui1和 ui2极性
（ 或相位 ） 相反 。
这种对地大小相等,极性 （ 或相位 ） 相反的电压信号叫差模信号,用 uid表示为
uid=ui1-ui2 (9 -1)
差模信号就是待放大的有用信号 。 在它的作用下,一只三极管内电流上升,另一只管内电流下降,于是输出端将有电压输出 。 所以差动放大电路对差模信号能进行放大 。 设差动放大电路单侧的放大倍数为 A1,由于电路对称,
idOidO UAUUAU )2
1(,
2
1
1211
所以输出电压
Uod=Uo1-Uo2=A1·Uid
差动放大电路的电压放大倍数为
beb
C
i
id
Od
d rR
RA
U
UA
（ 注意,Uo1,Uo2,Uid,Uo均为电压有效值 。 ）
式 （ 9 -2） 说明：差动式放大电路 （ 两管 ） 的电压放大倍数和单管放大电路的放大倍数相同 。 差动电路的特点是多用一个放大管来换取对零漂的抑制 。
3,共模信号和共模抑制比 KCMRR
在差动电路中,如果两输入端同时加一对对地大小相等,
极性 （ 或相位 ） 相同的信号电压,这种信号叫共模信号,用 uic
表示,uic=uic1=uic2。
共模信号是无用的干扰或噪声信号 。 零漂信号便是一种共模信号 。
差动放大电路由于电路对称,当输入共模信号时,
uic1=uic2,三极管 V1和三极管 V2各电量同时等量变化,输出端
uoc1=uoc2,所以共模输出 uoc=uoc1-uoc2=0,表明差动电路对共模信号无放大能力,这反映了差动电路抑制共模信号的能力 。
为了表示一个电路放大有用的差模信号和抑制无用的共模信号的能力,引用了一个叫抑制比的指标 KCMRR,它定义为
KCMRR= (9 -3)
其中,Ad为差模信号放大倍数,Ac为共模信号放大倍数
KCMRR对理想的差动放大电路为无穷大,对实际差动电路,
KCMRR愈大愈好 。
c
d
A
A
9.2 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 。
一,什么是集成电路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,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,在科学技术各个部门得到了普遍的推广使用 。 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 。
二,集成电路的结构特点图 9 -3 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 。 因此,集成电路又叫固体电路 。
从图 9 -3 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 。
在硅片上制成一个元件的成本与它在硅片上占据的面积成正比 。 电感元件,较大阻值的电阻和高值电容都会占用较大面积的硅片,因此,在集成电路中尽量较少使用电容元件,不用电感和高阻值电阻 。
(2) 大量使用三极管作为有源单元 。
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 9- 3 中的二极管 V1和 V2 。
图 9 –3 集成电路剖面结构示意图
N
＋
扩散层
(发 射区) 三极管 V
1
二极管 V
2
二极管 V
3
电阻 R 电容 C
1
电容 C
2
PN 结隔离槽
(元 件间绝缘)
二氧化硅绝缘层铝电极(引 线点)
N 型外延层(集 电区)
P 扩散层(基 区) N ＋ 埋层
P 扩散层
(半 导体电阻)
P 型硅片衬底
(接 最低电位)
N 型外延层
(结 电容一极)
P
P
(3) 电路元件间的绝缘采用反偏的 PN结隔离槽或二氧化硅绝缘层 。
在图 9 -3 中,P型衬底往往接在电路的最低电位,元件间的 P型隔离槽也接向这个低电位 。 这样无形中构成了许多反偏的 PN结,呈现出高达几十兆欧姆的电阻,巧妙地把各元件隔离起来 。 此外,也可用二氧化硅薄层作为绝缘层 。
三,集成电路的外形封装图 9 -4 中为半导体集成电路的几种封装形式 。
图 (a)为金属圆壳式封装,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 （ b） 是扁平式塑料封装,用于要求尺寸微小的场合,
一般有 14,18,24根引出线 。
图（ c）是双列直插式封装，它的用途最广。
图 9-4 半导体集成电路外形图
1 2 3 4 5 6 7
14 8
15 9
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
其外壳用陶瓷或塑料,通常设计成 2.5 mm的引线间距,
以便与印刷电路板上的标准件插孔配合 。 对于集成功率放大器和集成稳压电源等,还带有金属散热片及安装孔 。 封装引线有 14,18,24根等 。
图（ d）为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。
五,集成电路的分类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,射频放大等其它线性电路,接口电路,电视机,音响,收录机等专用电路以及敏感型集成电路等 13种 。
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 。
集成电路还可按单片上能集成的元器件数目 （ 即集成度 ）
分成小规模 （ SSI）,中规模 （ MSI）,大规模 （ LSI） 和超大规模 （ VLSI） 集成电路 。
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 。
9.3 集成运算放大器的结构和指标集成运算放大器 （ 简称集成运放 ） 是模拟集成电路中品种最多,应用最广泛的一类组件,它几乎可以实现以往各种由分立元器件组成的模拟电子电路的功能 。 集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能,后来成为像三极管一样的通用器件,
因其高增益 （ 高放大倍数 ）,高可靠性,低成本和小尺寸等优越的性能而被广泛地应用在电路与系统的各个领域中,被称为
,万用器件,,,万能放大器件,等 。
一,集成运放的结构特点
1.
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,零输出的特点 。
2,集成运放内部的电路组成集成运放品种很多,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 9 -5 所示 。
图 9 –5 集成运放结构方框图信号 中间级 输出级 输出偏置电路输入级输入级是具有恒流源的差动放大电路,用于消除零漂 。
中间级一般由一级共射极放大电路 （ 或共源极放大电路 ）
或组合放大电路组成,用以提供高的电压放大倍数 。
输出级大多为互补推挽电路,并附有安全保护电路 。
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 。
3,集成运放的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 9- 6
F007 的外引线图,图中包括输入端子,输出端子,电源端子和失调调整端子 。 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 。 本书的附录 Ⅵ 示出了常用的一些国产集成运放的引线排列图,供使用时参考 。
二,集成运放的主要性能指标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 。
图 9 –6 集成运放 F007 的外引线图俯视
8
1
2
3 4
5
6
7
OA
1
IN
－
IN
＋
V
－
OA
2
O U T
V
＋
F 00 7 组件金属封装外形
IN
－
— 反相输入端
IN
＋
— 同相输入端
O U T — 输出端
V
＋
— 正电源电压、正电源端
V
－
— 负电源电压、负电源端
OA
— 失调调整端
F 00 7 符号说明
8 7 6 5
1 2 3 4
V
＋
O U T OA
2
V
－
IN
＋
IN
－
OA
1
F 00 7 组件双列直插外形
1,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,好的可小于 1mV,差的达 10mV左右 。
2,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：
IOS=IB1-IB2|就是输入失调电流,如图 9- 7 所示 。 IOS反映了输入级电流参数 （ 如 β） 的不对称程度,IOS越小越好 。 通用型运放的 IOS为纳安 (nA) 数量级,好的可小于 1nA,差的可大到 5μA。
图 9- 7 输入失调电流
＋
－
u
o
＝ 0
I
B1
I
B2
－
∞
3,开环差模电压放大倍数 Aod
开环差模电压放大倍数指运放未外接反馈电路时的空载电压放大倍数 。 Aod是决定运放精度的重要因素,其值越大越好 。 通用型运放的 Aod一般在 103～ 107范围 。
4,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=∞。
5,差模输出电阻 ro
差模输出电阻是运放输入端短路,负载开路时,运放输出端的等效电阻,一般为 20～ 200 Ω左右 。
6,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 。
9.4 集成运放的应用基础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大为简化 。
一,集成运放的理想化条件
1.
理想状态下的集成运放的主要技术指标有 3
(1) 开环电压放大倍数 Aod=∞；
(2) 开环输入电阻 rid=∞；
(3) 输出电阻 ro=0。
2,理想集成运放的电路符号图 9 -8 所示为理想集成运放的电路符号,它有两个输入端,
一个输出端 。 在两个输入端中,一个是反相输入端,标有,-”
号,它表示输出端的电压 uo与该输入端的电压 u-相位相反；
另一个输入端是同相输入端,标有,＋,号,表示输出端的电压 uo与输入端的电压 u+相位相同 。 理想运放内部差动简化等效电路如图 9 -9 所示 。
在应用原理电路中,集成运放的其他引出端对分析电路信号没有作用,因此在应用原理电路中可以不画出来 。
二,集成运放工作在线性区和非线性区的特点分析应用电路的工作原理时,首先要分析集成运放工作在线性区还是在非线性区 。
图 9 –8 理想运放的电路符号
＋
－
u
o
u
＋
＋
u
－
∞
图 9 –9 理想运放内部差动简化等效电路
＋
u
o
－u
＋
u
－
－
r
i d
i
＋
i
－
＋
r
o
A
ud
· u
id
1） 运放同相输入端与反相输入端对地电压相等 （,虚短,
特点 ） 。
当集成运放工作在线性区时,作为一个线性放大元件,它的输出信号和输入信号应满足以下关系,
Uo=Aod(UA′-UA)
UA′-UA = (9- 4)
因为理想运放 Aod=∞,当 Uo等于某一有限电压值时,由式
（ 9 - 4）
UA′-UA=0
即 UA =UA′ (9 -5)
（ 2） 理想运放两个输入端的电流都等于零 （,虚断,特点 ） 。 因为理想运放的 rid=∞,所以在输入端的 A点或 A′点没有电流流入运放,即
IA=IA′=0 (9- 6)
式 （ 9- 5） 和式 （ 9 -6） 表达了理想运放工作在线性区的
,虚短,或,虚断,特点,大大简化了运放应用电路的分析过程 。
2.
若集成运放处于开环工作状态 （ 即没有外接深度负反馈电路 ）,情况又如何呢？ 我们知道,集成运放的 Aod很大,以集成运放 F007为例,Aod=105,最大输出电压,
Upp =Uom=± 10 V； 当该运放在线性区工作时,其允许的差模输入电压
Uid=UA′-UA=
集成运放 F007的输入电阻 rid = 2MΩ，
IA′= =0.05× 10-9A=0.05nA
若输入端的电压变化量超过 0.1mV,运放的输出电压立即超出线性放大范围,到正向饱和电压 +Uom或负向饱和电压 -
Uom。
由上例可知,当集成运放的工作范围超出线性区时,输出电压 Uo和输入电压 UA′－ UA之间将不再满足式 （ 9- 4） 表示的关系,即
6
3
102
101.0
id
AN
r
UU
mvAU
od
om 1.0
10
10
5?
Uo≠Aod(UA′-UA )
根据以上分析,理想运放工作在非线性区时,有如下特点：
（ 1） 输出电压 Uo只有两种可能状态,即正饱和电压 +Uom
或负饱和电压 -Uom,而且两输入端对地电压不一定相等,即
UA′≠UA。
当输入电压 UA′＞ UA时,Uo=+Uom (9 -7)
当输入电压 UA′＜ UA时,Uo=-Uom (9 -8)
而且,UA′=UA的点是两种状态的转换点 。
（ 2） 运放的输入电流等于零 。
由于理想运放的 rid=∞,因而虽然 UA′≠UA,但输入电流仍然为零 。
图 9 –11 运放工作在非线性区时的输入输出特性集成运放工作在非线性区时的输入输出特性如图 9 -11 所示 。
总之,分析运放的应用电路时,首先将集成运放当成理想运放,以便简化分析过程 。 然后判断集成运放是否工作在线性区 。
在此基础上根据以上运放的线性或非线性特点,分析电路的工作过程 。
U
o
＋ U
om
O
－ U
om
U
A′
－ U
A
非线性线性
9.5 集成运放在信号运算方面的应用用集成运放对模拟信号进行运算,就是要求输出信号反映出输入信号的某种运算结果 。 由此可以想到,输出电压将在一定范围内变化,而不能只有 -Uom和 ＋ Uom两种状态 。 因此,
集成运放必须工作在线性区 。
为了保证集成运放工作在线性区而不进入非线性区,在随后将要介绍的电路中,都引入了深度负反馈 。 将放大器的输出量 (电压或电流 )的部分或全部反方向送回到放大器的输入端,
这种反方向传输信号的过程叫反馈 。 若引入的反馈信号使输入信号减小,这种反馈叫负反馈 。
用集成运放对模拟信号实现的基本运算有比例,求和,
积分,微分,对数,乘法等等,我们只简单介绍其中几种 。
图 9- 12 反相比例运算电路一,比例运算电路
1,反相输入比例运算图 9- 12 中,输入信号 ui经过外接电阻 R1接到集成运放的反相输入端 A,同相输入端接地 。 因为从点 A流入集成运放的电流 I′= 0,所以
＋
－
u
o
A
u
i
＋R
1
R ′ A ′
I ′
I
1
I
f
R
f
∞
UA=UA′=0,I1 = If
可知,输出电压和输入电压的关系为电压放大倍数 (比例系数 )
1
0
1 R
UU
R
UU AAi
i
f
f
i U
R
RU
R
U
R
U
1
0
0
1
或
1R
R
U
UA f
i
O
f
式 （ 9 -9） 表明,图 9- 12 的运放,其输出电压和输入电压的幅值成正比,但相位相反 。 也就是说,电路实现了反相比例运算 。 比例系数｜ Af｜由电阻 Rf和 R1决定,而与集成运放内部各项参数无关 。 只要 R1和 Rf的阻值足够精确且稳定,就可以得到准确的比例运算关系 。
在反相输入的比例运算电路中,若取 Rf=R1,则比例系数为 -1,此反相输入比例运算电路就称为变号运算电路或倒相电路,其输出电压 uo=-ui。
在上述电路中,A点的电位等于地电位,但是却没有电流流入该点 （ 因为 I′= 0）,这种现象称为,虚地,。 虚地是反相输入集成运放电路的一个重要特点 。
2,同相输入比例运算同相输入时,信号 ui 接到同相输入端 A(图 9 -13)。 为了保证集成运放工作在线性区,输出电压 uo通过反馈电阻 Rf仍接在反相输入端 A上 。
在如图 9- 13 所示的电路中,同相输入时,uo与 ui同相位 。
uo通过 Rf反馈到 A点,使 UA为某一值,也与 uo同相位 。 由于
UA′≠ 0,故同相输入时,A端已不再是,虚地,。
根据式 （ 9 -5）,得 UA=UA′=Ui，
f
A RR
RUU
1
0
图 9- 13 同相输入比例运算电路
＋
u
o
A
u
i
＋
R
1
A ′
R
f
－
∞
fRR
RUU
1
1
01
所以电路的放大倍数
1
0 1
R
R
U
UA f
i
f
或
i
f u
R
RU )1(
1
0
式 （ 9- 10） 表示：同相输入比例运算电路,比例系数大于
1,且 uo与 ui同相位 。
总结以上分析过程,同相输入运算电路的特点是：集成运放两输入端 A,A′对地电压相等,只存在虚短现象,不存在虚地现象 。
在同相输入比例运算电路中,若 R1=∞（ 开路 ）,或 R= 0
（ 短路 ）,该电路比例系数 Af=+1,则此电路称为电压跟随器电路 （ 图 9 -14）,输出电压 uo=ui。 电压跟随器电路广泛作为阻抗变换器或作为输入级使用 。
二,加法运算要求输出信号反映多个模拟输入量相加的结果时,用加法运算电路,加法运算电路如图 9- 15所示 。
图 9 –14 电压跟随器
＋
－
u
o
u
i
＋
∞
图 9- 15 加法运算电路
＋
－
u
o
A
＋
I
f
R
f
u
i1
I ′
A′
u
i2
u
i3
R
1
R
2
R
3
I
1
I
2
I
3
R ( R ＝ R
1
∥ R
2
∥ R
3
∥ R
f
)′′
∞
I′= 0,UA=UA′=0
3
3
2
2
1
1
321 R
u
R
u
R
uiiii iii
f
因为 所以
f
f R
ui 0
uo= - ifRf
3
3
2
2
1
1
( ififif uRRuRRuRR )
当 R1=R2=R3时，
)( 321
1
0 iii
f uuu
R
Ru
以上分析说明,反相输入求和电路的实质是利用 A点的
,虚地,和输入电流 I′= 0 的特点,通过电流相加的方法来实现电压相加 。
三,减法运算图 9 -16是减法运算电路,它是一个双端输入的运放电路 。
考虑到直流平衡和降低共模,取 R1=R2,Rf=R′f。
当 ui1=0 时,电路为同相输入,
f
iA RR
Ruu
2
2
输出端
2
1
2
21
1
1
2 )()1( i
f
i
f
ff
A
f
o uR
Ru
RR
R
R
RRu
R
Ru
图 9 –16 减法运算电路
＋
－
u
o
A
u
i2
＋
R
2 A ′
I
f
R
f
u
i1
R
1
R
f
′
∞
当 ui2=0 时,电流为反相输入运放 。 同相输入端虽然没有直接接地,而是通过 R2∥ R′f 接地,但仍对点 A为虚地没有影响 。
uo1=
根据叠加原理,输出电压
1
1
i
f u
R
R?
)( 12
1
210 ii
f
oo uuR
Ruuu
或
121
0
R
R
uu
uA f
ii
f
必须注意,图 9 -16电路中的电阻对称,即 R1=R2,Rf=R′f 。
四,积分运算图 9- 17所示为积分运算电路,根据集成运放反相输入线性应用的特点,uA=0（ 虚地 ）,
因为又因为所以
11
1 R
u
R
uuii iAi
c?
dt
duci c
c?
dtuCRdticdticu icc
1
1
111
ooAc uuuu
dtuCRuu ico
1
1
图 9 –17 积分运算电路
＋
－
u
o
A
＋
i
C
C
u
i
R
1
i
1
u
C
∞
9.6 信号转换电路属于信号转换的电路种类很多,主要有电源变换电路和非电量转换成电信号的电路 。 这些电路均系 9.5节中运算电路的直接或间接应用 。
在电源变换电路中,有电压 -电压变换,电压 -电流变换,
电流 -电压变换,电流 -电流变换 。
在非电量转换成电信号的电路中,有光 -电转换电路,时间 -电压转换电路,还有将机械变形,压力,温度等物理量变换成电信号的电路 。 下面举例说明集成运放在这些方面的应用 。
一,电源变换电路
1,电压 -
在一些基准电压源的应用中,如标准稳压管 2CW7C,它的输出电压都是固定的,其值与实际要求的基准电压常常不符 。
这时便可用集成运放进行变换,以满足实际要求的基准电压值 。
图 9 -18 便是这种电压 -电压变换功能的电路,其中 （ a） 图是将稳压管的稳定电压 6.3V变换成 3V基准电压输出的例子； （ b）
图是将 2.5V电压变换成 +5 V基准电压输出的例子 。 这里应用了比例运放电路 。
图 9- 18 电压 -电压变换电路实例
＋
－
U
o
＝ 3 V
＋
R
1
R
f
6 8 k?
1 0 0 k?
－ 1 2 V
6 0 0?
6,3 V
2 D W 7 C
∞
( a ) ( b )
＋
－
U
o
＝ 5 V
＋
2 0 k?2 0 k?
5 G 2 3
＋ 7,5 V
＋ 2,5 V
∞
2,电流 -电压变换电路在很多电流测量系统中,常采用通过电压测量来指示电流大小的方法 。 这就要用到电流 -电压变换电路 。 图 9- 19 所示电路便是这样的一个电流 -电压转换电路 。 该电路用高阻输入的集成运放 5G28来测量三极管反向饱和电流 ICEO。
该电路利用反相输入端的虚地特性,能方便地设置三极管的集 -射极电压 UCE。 由于 5G28的实际输入偏流小于 1nA,因而当待测三极管的反相饱和电流 ICEO在大于 0.1μA时,输入偏流的影响完全可以忽略 。 此时运放的输出电压 Uo将正比于 ICEO的大小,
Uo=-ICEOR
在给定 R值的条件下,Uo的大小就准确地反映了 ICEO的大小 。
图 9- 19 ICEO测量电路（电流 -电压转换）
＋
－
U
o
＝－ I
C E O
· R
＋
R ＝ 1 0 M?
＋ U
CE
5 G 2 8
∞
二,电量转换为电信号的应用电路
1,把光信号变换成电信号随着光电子技术的发展,把光信号变换成电信号是实际中经常遇到的问题 。 图 9-20 便是最简单的光 -电转换电路 。
图中二极管是一只光敏二极管 V,当 V反偏时,反向电流与光照强度成正比 。 光照强度越大,反向电流就越大 。 根据我们在 9.5.3节中的减法运算,
Uo=-2IsRp
图 9 –20 光 -电转换器
＋
－
U
o
＋
R
p
R
p
A
A′
I
s
∞
2.
图 9 -21 的运放电路也称电桥放大器,是用来测温度,
压力,流量等物理量变化的 。 当物理量无变化时,电桥平衡,电路输出电压 Uo=0；当物理量发生变化,传感元件阻值改变,破坏了电桥的平衡,于是有一个信号送到放大器的输入端 。 电路的输出电压反映了这个变化 。
由于该电路是利用电桥的不平衡输出信号的大小来实现对物理量的检测的,故该电路称为电桥放大器 。
图 9- 21 电桥放大器
＋
－
U
o
＋
G
2
U
G
G ＋? GG
1
G
1
＋ G
2
∞
9.7 集成运放的非线性应用 ——电压比较器当集成运放工作在开环状态时,由于它的开环电压放大倍数很大,即使在两输入端之间输入一个微小的信号,也能使运放饱和而进入非线性状态 。 电压比较器便是根据这一原理工作的 。
电压比较器就是将一个模拟量的电压信号去和一个参考电压相比较,在二者幅度相等的附近,输出电压将产生跃变 。
所以,通常电压比较器输入的是连续变化的模拟信号,输出的是以高,低电平为特征的数字信号或脉冲信号 。
电压比较器广泛地用于越限报警、模 /数转换、波形变换及信号测量等方面。
一,电压比较器的工作原理图 9 -22 为电压比较器电路 。 其中,（ a） 图为反相型电压比较器,（ b） 图为同相型电压比较器 。 以图 9- 23 的电压比较器为例,输入信号 ui加于集成运放的反相输入端,UR为参考电压,接在同相输入端 。
根据 9.4.2节中关于集成运放在非线性区工作特点的分析,
我们可对图 9- 23中的反相型电压比较器的工作原理说明如下当 ui＜ UR 时,差动输入信号 UA-UA′＜ 0,uo=+Uom
当 ui＞ UR时,差动输入信号 UA-UA′＞ 0,uo=-Uom
图 9 –22 简单的电压比较器电路
＋
－
U
o
＋
u
i
U
R
( b )
∞
A
A′
＋
－
U
o
＋
A
A′
u
i
U R
( a )
∞
图 9-23 反相电压比较器及传输特性
( a )
u
o
＋ U
om
－ U
om
O u
i
U
R
( b )
＋
－
U
o
＋
A
A′
u
i
U
R
∞
也就是说,当输入电压 ui＞ UR时,电路反转,输出负饱和电压 -Uom；当输入电压 ui＜ UR时,电路反转,输出正饱和电压 +Uom。
二,传输特性传输特性就是输出电压和输入电压的关系特性 。 根据
9.7.1节中比较器的工作原理分析,反相电压比较器的传输特性如图 9- 23（ b） 所示 。
三,过零比较器在图 9- 23 的反相电压比较器中,当参考电压 UR=0时,
该电路就变为一个过零比较器 。
当 ui＞ 0,UA＞ 0时,
Uo=-Uom
当 ui＜ 0,UA＜ 0时,
Uo=+Uom
过零比较器的电路和传输特性如图 9- 24 所示。
利用这个特性,可以进行波形变换 。 例如,将输入的正弦波变换成矩形波电压输出 。 图 9 -25就是将图 （ a） 中的正弦波输入到过零比较器,然后在 t1,t2,t3等时刻反转成图 （ b） 的矩形波输出 。
图 9 –24 过零比较器及其传输特性
＋
－
U
o
＋
u
i
∞
( a )
( b )
u
o
＋ U
om
－ U
om
O u
i
图 9 –25 过零比较器的波形转换
u
i
O
t
1
t
2
t
3
t
u
o
O
t
1
t
2
t
3
t
U
om
四,专用集成比较器集成比较器是为了适应模 /数电压信号之间转换的需要而制造的 。 专用集成比较器的结构特点是：
(1) 专用集成比较器输出电压的高低电平能与数字电路相匹配 。
(2) 为了提供较大的上升速率,集成比较器输入级工作电流比一般的集成运放要大,故输入电阻较低 。
(3) 由于集成比较器都工作在非线性状态,因此没有相位补偿问题 。
表 9.1 介绍了几种典型的国产集成电压比较器的主要性能。
表 9.1
型号名称 电源电压 /v Aod Ios/uA Uos/mV 相容电路
CJ0710高速电压比较器
+12,-6 1.5× 103 5 5 TTL
DTL
CJ0514双高速电压比较器
+12,－ 6 1.5× 10 3 5 4 TTL
DTL
CJ0311单电压比较器
± 15 ～ +5 2× 103 0.06 2 TTL
DTL
CJ0734精密电压比较器
± 15 ≥25× 103 25 5 TTL
DTL
9.8 专用集成电路模拟集成电路品种很多,专用功能的集成电路越来越受到人们的重视 。 下面简单介绍几种常用的专用功能集成电路 。
一,集成稳压器随着电子技术的发展,稳压电路也制成了集成器件 。 按输出电压是否可调,集成稳压器可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路 。
1.
这类稳压器只有三个外部输出端子：输入端,输出端和公共端 。 由于稳压器内部设置了各种保护电路,因而它具有使用方便,安全,可靠,性能稳定,价格低廉等优点,目前得到了广泛应用,基本上已代替了由分立元件组成的稳压电路 。
（ 1） 型号规格 。 根据输出电压的极性,三端固定式稳压器分为固定正输出集成稳压器 CW78系列和固定负输出集成稳压器 CW79系列,其封装形式及外部引脚如图 9 -26 所示 。
不同型号的芯片,可提供不同的输出电压和输出电流 。
CW78P×× 10 A
CW78H×× 5 A
CW78×× 1.5 A
CW78M×× 0.5 A
CW78L×× 0.1 A
图 9 -26 CW78(CW79)
(a) 金属封装型； (b) 塑料封装型顶视
12
1 23
( a ) ( b )
C W 78 系列管脚功能,1— 输入端 ； 2— 输出端 ； 3— 公共端
C W 79 系列管脚功能,1— 公 共端； 2— 输出端 ； 3— 输入端
3
型号后面的数值 ××,表示输出电压的数值,一般为 5 V、
6 V,9 V,12 V,15 V,18 V,24 V,共 7 个档次 。 例如,
CW7805表示固定正输出集成稳压器,输出电压 5 V,最大输出电流 1.5 A。
对于固定负输出集成稳压器系列 CW79××,其型号规格表示与 CW78×× 系列相同 。
（ 2） 应用电路 。 三端固定式集成稳压器根据需要可以接成不同的形式,如图 9 -27 所示 。
图 9 -27
(a) 输出正电压； (b) 输出电压可调； (c) 扩大输出电流的电路； (d) 输出正、负电压
( a )
C W 7 8 0 0
1 2
3
C
1
C
2
＋ U
i
＋ U
o
R
2
R
1
( b )
( c )
( d )
U
i
U
o
C W 7 8 X X
＋
V
1
V
2
R
R
0
C W 7 8 0 0
C
i 1
C
o 1
＋
＋ U
o
C W 7 9 0 0
C
i 2
U
i
－
C
o 2
－ U
o
C W 7 8 0 0
1 2
3C
1 C
2
＋ U
i
＋ U
o
在图 9- 27 电路中,图 （ a） 是固定正电压输出的基本应用电路连接 。 C1是滤波电容,C2 的作用是改善负载的瞬态特性 。
二极管 V用于电路保护,即当输入端与输出端接反时,保护芯片免受损坏 。 该电路输入电压的选择原则是：
imiOi UUUUU m i n0 )(
其中,Uo为芯片固定输出电压的大小； Uim为芯片规定的最大允许输入电压； (Ui-Uo)min为芯片规定的最小输入电压差,
一般为 2 V左右 。
图 9-27（ b） 电路用于希望少量调节输出电压的情况 。 输出电压通过调节 R来实现 。 相应的输出电压为
Uo=U××
2
1
2 )1( RI
R
R
d
式中,U×× 为所选集成片的固定输出电压； Id为所选集成片的静态电流,＞ 5 ID 。
图 9- 27（ c） 电路在需要对稳压器实现电流扩展时使用 。
三极管 V2和 R0组成限流保护电路 。 这时稳压器总的输出电流为芯片的固定输出电流与扩展管的集电极电流之和 。
图 9- 27（ d）电路用于需要同时输出正、负两组电压时。
1R
U
2,
三端可调集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的。由于电路设计及结构等原因，和三端固定输出集成稳压器相比，它可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压器或稳流器电路。
典型的三端可调式正电压输出的集成芯片有 CW117、
CW217,CW317；典型的三端可调式负电压输出的集成芯片有
CW137,CW237,CW337。
它们的外部引脚功能排列如图 9 -28 所示，应用电路见图 9 -29。
图 9 -28 CW117／ 217／ 317(CW137/237/337)
外部引脚功能排列图
12
3
1 2 3 1 2 3
3
1
2
2 31
( a ) ( b )
( c ) ( d )
图 9- 29 可调式三端稳压器应用电路
C W 1 1 7U
i
＋ U
o
R
1
R
2
( a )
＋
R
1
U
o
( b )
C W 1 3 7
－
U
i
R
2
CW117/217/317 CW137/237/337
(a) 1-公共端
2-输入端
3-输出端
1-
2-
3-输入端
(b) 1-公共端
2-输出端
3-输入端
1-公共端
2-输入端
3-输出端
(c) 1-输入端
2-公共端
3-输出端
1-公共端
2-输出端
3-输入端
(d) 1-
2-输出端
3-输入端同左图 9- 30 单片集成功率晶体管 LM195原理电路二,集成功率晶体管在 8.8 节功率放大器一节中介绍过的 LM195是单片集成功率晶体管的典型产品,其简化原理图如图 9 -30 所示 。
保护电路
b
5 0 0?
5 0 0?
0,1?
e
c
该组件电流放大倍数可达 106,要求基极驱动电流为 3μA，
最大输出电流 1.8 A。 另外,该组件内还采用了能检测芯片温度的热限流电路 。 当芯片温度达 165℃ 时,通过限流来限制器件的耗散功率 。 当三极管的 UCE＜ 13 V时,三极管的最大限定电流为 1.8 A；随着 UCE增加,相应的最大限定电流值减小 。 所以,
热限流电路提供了保护组件的安全工作区 。
和分立的功率三极管相比,集成功率三极管有更好的性能。
三,AM收音机系统集成电路
LM3820是收音机系统的一块典型集成电路,
AM收音机系统中射频和中频信号的处理电路全部集成在一起 。
这样一来,只要外接必要的外围元件及音频电路,就可以组成一个很简单的 AM收音机 。
该芯片上主要的电路部分有射频,本振,混频,中频放大器 （ AGC） 等电子电路,如图 9 -31 虚线框内包括的部分 。
如果用 LM396音频功率放大器与其相接，或采用其他音频功率放大的集成电路，就可以构成一个完整的收音机。这样一台 AM收音机只要两块集成芯片，再加上适当的外围元件可以了，系统大为简化，可靠性进一步提高。这种系统向集成化方向发展的例子，正是目前集成电路发展的一个重要方向。
LM3820 芯片组成的收音机电路实例见图 9 31。
图 9- 31 AM收音机方框图射频放大器混频器中频放大器本地振荡器自动增益检波器音频放大器
L M 38 2
0
