电工电子技术任万强第8章课件

模拟电子技术模拟电子技术返回章目录8.1 集成电路基本知识集成电路基本知识8.2 集成运算放大器的结构和指标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集成运放的非线性应用模拟电子技术模拟电子技术 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。其他应用电路。知识点和学习要求8.1 集成电路基本知识集成电路基本知识 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。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。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、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。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、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。），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、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。国防科技及仪器仪表、通讯、广播电视等领域广泛使用。图图8.1 集成运算放大器实物图集成运算放大器实物图 模拟电子技术模拟电子技术2集成电路的结构特点 图图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。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：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。）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。）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）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。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、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，如图稳压管使用，如图8.2中的二极管。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（即规模（即SSI、MSI、LSI和和VLSI）之分。目前的超大规模集成电）之分。目前的超大规模集成电模拟电子技术模拟电子技术图图8.2 集成电路剖面结构示意图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。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。转换器等等。3集成电路的外形封装模拟电子技术模拟电子技术图图8.3中为半导体集成电路的几种封装形式。图（中为半导体集成电路的几种封装形式。图（a）是双列直插）是双列直插式封装，它的用途最广；图（式封装，它的用途最广；图（b）是单列直插式封装；图（）是单列直插式封装；图（c）超）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。线。此外，还有金属圆壳式封装，采用金属圆筒外壳，类似于一此外，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，有个多管脚的普通晶体管，但引线较多，有8、12、14根引出线。根引出线。图图8.3 半导体集成电路外形图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）。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。线性集成电路。集成电路的品种很多，按其产品大致可分为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，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等13种。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。量有很大差别的。8.2 集成运算放大器的结构和指标集成运算放大器的结构和指标模拟电子技术模拟电子技术 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。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，被称为展成为像三极管一样的通用器件，被称为“万能放大器件万能放大器件”。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。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，它的放大倍数可达放大倍数可达104107。集成运放的输入电阻从几十千欧到几十。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。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，如图间级、输出级和偏置电路四部分，如图8.4所示。所示。图图8.4 集成运放结构方框图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。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。中间级通常用用12级直接耦合放大电路组成。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。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