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 集成运放的应用基础 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 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. 电路组成和抑制零漂原理 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 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. 差模信号和差模放大倍数 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， 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 （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。
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 (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 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. 集成运放的特点 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 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 给出了集成运放 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 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。