电子器件4集成电路

1、*第四编 集成电路器件发展：离散集成编程第十三章 集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier，简称集成运放）§13.1 集成运放的基础知识一、集成运放的结构及原理*如：电脑图13-1 集成运放的内部结构（负反馈：x Cf(x) x）差分放大 偏置电路 中间放大 （甲乙类）互补放大及过流保护集成运放F006的内部电路图集成运算放大器的符号二、集成运放的主要参数1. 开环电压增益AVd、开环带宽fH（3dB）和单位增益带宽fT（0dB）2. 最大差模输入电压Vidmax（非线性）、共模抑制比 KCMR（即AVd/AVc）及最大共模输入电压Vicmax

2、（使AVd/AVc降半）3. 输入偏置电流IIB（均值）、输入失调电流II0（差值）、输入失调电压 VI0 及温漂开环放大与闭环放大 集成运放的输入偏置电路4. 开环输入电阻Rid 、开环输出电阻Rod 及静态功耗Pc 5. 输出峰峰电压VOPP（不失真）、最大输出电流IOM（VOPP时）及转换速率SR（0dB）三、集成运放的分类及选用1. 按性能指标分类（1）通用型（2）高速型（3）宽带型（4）低漂移型（5）高精度型（6）高阻型（7）低功耗型（8）高压大功率型也可按其他方式分类。2. 集成运放的选择（1）信号源的性质根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选

3、择运放的差模输入电阻rid、3dB带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数。（2）负载的性质根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。（3）精度要求对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往有精度要求；而作电压比较，往往有响应时间、灵敏度等要求。应根据这些要求选择运放的开环差模增益Avd、失调电压VIO、失调电流IIO及转换速率SR等指标参数。（4）环境条件比如，根据环境温度的变化范围，相应地选择运放的失调电压及失调电流的温漂dVIO/dT、dIIO/dT等参数。根据所能提供的电源（如干电池等）选择运放的电源电压。根据对

4、功耗有无限制，选择运放的功耗参数等等。（5）运放的综合性能优值系数：KSR/(IIB·VI0) 式中，SR为转换速率，其值越大，运放的交流特性越好。IIB为运放的输入偏置电流，VI0为输入失调电压。IIB和VI0越小,运放的直流特性越好。所以，对于放大音频、视频等交流信号,选SR大的运放比较合适；而对于处理微弱的直流信号，选用精度比较高的运放比较合适（即失调电流、失调电压及温飘均比较小）。四、集成运放的使用要点1.集成运放的供电（1）对称双电源供电集成运放大多采用这种方式供电。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。（2）单电源供电将运放

5、的-VEE引脚接地，VCC接电源正极。为保证运放内部具有合适的静态工作点，运放输入端一般要加一直流电位。运放的输出在直流电位基础上随输入信号变化。 反相端输入 同相端输入单电源供电方式2集成运放的调零外接元件调零 外加补偿电压调零3集成运放的消振(a) 补偿端补偿 (b) 输入端补偿 (c) 反馈补偿及电源端补偿集成运放的消振电路4集成运放的保护主要有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。(a) 电源反接保护 (b) 电压过冲保护集成运放的电源保护(a) 差模电压限制 (b) 共模电压限制集成运放的输入保护(a) 输出端限压  (b) 反馈限压集成运放的输出保护五、集成运放的应用基

6、础1. 理想运放理想的集成运放（简称理想运放）具有如下特性： 开环电压增益Avd。共模抑制比KCMR。 输入电阻Rid。输出电阻Rod0。 输入偏置电流IB1IB20 失调电压VIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂dVI0/dT、失调电流温漂dII0/dT均为零。 开环带宽 fH。 无内部干扰和噪声。（或等效输入噪声0。）理想运放符号2. 虚短和虚断理想运放工作在线性放大状态时，输出电压为VOAvd（VV），因为Avd，而VO总是有限值，所以VidVVVO/Avd0 ，或VV。此即虚短概念。由于输入电阻Rid，故其输入电流IIVid/Rid0。此即虚断概念。3. 负反馈放大反馈放大器组成框图

7、13.2 集成运放的基本应用一、集成运放的线性应用1.基本放大电路（1）反相放大 ， 反相放大器 T型反馈反相放大器反相放大器的主要特点是：共模影响小，但输入电阻低。（2）同相放大同相放大器 电压跟随器同相放大器的主要特点是：输入电阻大，但有共模干扰。（3）差分放大当满足R1R2，RfR3 时，可得：差分放大器 典型的仪用放大器2.求和运算反相求和电路 同相求和电路2.积分运算与微分运算（1）积分运算基本电路 实用电路积分电路积分电路只能用于交流信号输入，它是一个低通滤波器。（2）微分运算基本电路 改进电路微分电路微分电路只适用于交流信号输入，并且是一个高通滤波器。二、集成运放的非线性应用1.

8、比较电路（1）基本比较器基本比较器（3）迟滞比较器迟滞比较器这种电路，即使输入信号中叠加有噪声，只要噪声电平在回差范围以内，输出就不会发生因噪声所引起的“多重触发”的误动作，当然其响应略有回差延迟。2.有源滤波有源低通滤波器及其频率响应特性有源高通滤波器及其频率响应特性3、振荡电路 文氏电桥正弦振荡电路 张弛振荡电路13.2.3 集成运放实用电路举例VO(R2/R1)VI线性刻度欧姆表温度传感器双限温控器三分频有源滤波器习题七1、请分别推导图13-18电路的放大倍数和图13-31电路的回差电压。2、简述图13-38电路振荡原理和图13-43电路的温控原理。第十四章 集成时基电路（555 Tim

9、er，定时器：精度高、温漂小、功能多、速度快。用途广泛）§14.1 时基电路555的基础知识555是模拟与逻辑组合电路。世界各大器件公司或厂家都在生产，其功能及内部电路大同小异，都具有相同的引脚。 时基电路555的引脚一、时基电路555的组成及原理 双极型555电路的典型内部结构如下图。包括两个电压比较器、一个基本R-S触发器、一个输出级、一个放电管和一个分压器等几个组成部分。双极型555电路常见的型号如NE555、LM555、CA555、CB555等。 （湖满放水） 分压器 比较器 R-S触发器 输出级双极型555电路的典型结构（要点：2置6清、中保持）各种双极型555电路的内部电

10、路大同小异，在此以CA555为例分析其内部电路和工作原理。时基电路CA555的电路原理图时基电路CA555的真值表引脚阈值端TH（6脚）触发端（2脚）复位端（4脚）RS输出端VO（3脚）放电端DIS（7脚）电平任意VCC3高（1.4V）X1高（置位）悬空电平2VCC3VCC3高（1.4V）10低（复位）低电平2VCC3VCC3高（1.4V）00保持原电平保持原电平电平任意任意低（0.3V）XX低（强制复位）低CMOS型555电路的功能结构CMOS型555电路的整体结构与双极型555电路基本相同，但稍有区别。比如，三个分压电阻均为100k，而非5k，以适应CMOS电路高输入阻抗的需要。其R-S触

11、发器的电路组成与双极型电路也有所不同。CMOS型555与双极型555电路的特性参数有些差异。比如， CMOS型的输入阻抗很高（可达1010），静态功耗很小，但负载电流及放电电流也较小等。二、时基电路555的主要参数双极型和CMOS型555时基电路的特性参数是有差别的。而双时基电路和单时基电路，除了静态电流相差一倍之外，其余参数完全相同。（1）电源电压和静态电流双极型555电路的电源电压一般为Vcc+4.5V+16V，而CMOS型555电路的工作电压一般为VDD+3V+18V。静态电流也称电源电流，是555电路空载时的消耗电流，用I0表示。在电源电压15V时，双极型555电路如CB555的静态电

12、流典型值为10rnA，而CMOS型555电路如CB7555的静态电流为0.12mA。电源电压和静态电流的乘积为静态功耗。可见CMOS型555时基电路的静态功耗远比双极型555时基电路的小。（2）阈值电压和阈值电流阈值电压是指加在555电路的阈值端TH上并能使电路发生翻转的电压值，用VTH表示，其数值与所用的电源电压有关。在VC端悬空的情况下，VTH2VCC3（或2VDD3）。阈值电流是指在阈值电压下使555电路发生翻转时所需的电流，用ITH表示。双极型CB555的阈值电流为0.1A，而CMOS型CB7555的阈值电流只要50pA。（3）触发电压和触发电流触发电压是指加在555电路的触发端上并能

13、使电路发生翻转的电压值，用VTR表示，其数值与所用的电源电压有关。在VC端悬空的情况下，VTRVCC3（或VDD3）。触发电流是指在触发电压下使电路发生翻转时所需的电流，用ITR表示。双极型CB555的触发电流为0.5A，而CMOS型CB7555的触发电流只需50pA。（4）复位电压和复位电流复位电压是指加在555电路的复位端上并能使电路发生复位的电压值，用VMR表示。一般555电路的VMR值小于1V。复位电流是指在复位电压下使电路复位时复位端所需的电流，用IMR表示。例如CB555的IMR约为400A；而CB7555的IMR仅为0.1A。（5）负载电流负载电流是指555电路能向负载提供的电流

14、，也叫驱动电流，用IL表示。根据555电路的输出状态和负载的连接方式，负载电流可分为“输出电流”和“吸入电流”两种。当555电路输出端是高电平，而负载接在输出端和地之间时，电流从555电路内部流出经过负载入地，这种流向的负载电流称为“输出电流”或“拉出电流”。当555电路输出端是低电平，而负载接在输出端与电源正极之间时，电流从电源正极通过负载流入555电路内部后入地，这种流向的负载电流称为“吸入电流”或“灌入电流”。就CB555来说，这两种电流的最大值均为200mA。而CB7555的输出电流约为15mA，吸入电流约为520mA。负载电流的数值会随电源电压的升高而增大。（6）放电电流在用作单稳态

15、电路或多谐振荡器使用时，555电路的外接电容要随时进行充放电，在放电阶段，电容可通过555电路内部的放电管形成放电通路，所谓放电电流即指电容放电时流过放电管的电流，用IDIS表示。显然，其大小受放电管的额定电流限制。CB555的放电电流不得超过200mA。而CB7555的放电电流约在10 50mA之间。放电电流与电源电压有关，电源电压越高，放电电流越大。（7）最高工作频率最高工作频率是指555电路用作振荡器使用时，输出振荡脉冲所能达到的最高频率，用fmax表示。双极型555电路的最高工作频率一般为300kHz，而CMOS型555电路的最高工作频率约为500kHz。（8）定时精度定时精度是指55

16、5电路用作定时器使用时所能达到的最高定时精确度。双极型555电路的定时精度一般为1%;，而CMOS型555电路的定时精度约为2%。三、时基电路555的使用注意事项1负载的接法555电路的输出有高电平和低电平两种状态，因此负载的接法有两种。第一种接法，把负载接在555电路输出端VO和地之间，这是最常用的接法。当输出是高电平（VO1）时，电流从电源正端经过555输出内阻R01流过负载RL后入地，为输出电流。第二种接法，把负载接在555电路输出端Vo与电源正端之间。当输出是低电平（VO0）时，负载中才流过较大的电流。这时电流从电源正端经负载RL和555输出内阻R02后入地，是从外面流进555电路的，

17、为吸入电流。实际应用中，应根据555电路的输出状态和负载的要求来决定负载的连接方法。比如，在使用CB7555时，为了获得较大的负载电流，可选择第二种接法。2负载能力的扩大双极型CB555的驱动能力较大，可以直接带动小型继电器、微电机等；CMOS型CB7555的驱动能力则相对较小，只能驱动LED指示灯、压电陶瓷蜂鸣器等负载。要想扩大驱动能力，可在555电路输出端加一级驱动放大器。3性能比较与类型选用双极型CB555的突出优点是驱动能力强，而CMOS型CB7555的突出优点是电源电压宽、输入阻抗高和功耗低。因此，负载轻、电源电压低及要求功耗低和定时长的场合，应选用CMOS型。负载较重的场合，应选用

18、双极型。4. 特殊型号和特殊封装应查阅资料，弄清其功能、引脚以及电特性等，才可使用。如日本三菱的M51841等。§14.2 时基电路555的基本应用一、有稳型电路指由555时基电路构成的单稳态电路和双稳态电路等。1. 开关触发型单稳态电路 (a) 电路图 (b) 波形图开关触发型单稳态电路（C在下）（2置6清、中保持）Td的推导：根据欧姆定律，RC充电电路满足如下方程：IRVCVCC， IIcI6I2，其中I、Ic、I6和I2分别为流过R、C、6脚和2脚的电流。若I6I2<< Ic（一般I6I2在1A以下，而Ic相对较大），则IIcC dVCdt，于是RC dVCdtVCVCC其通解为：VCVCCA e-tRC将t0时，VC0带入，解得AVCC。于是充电过程中VC的表达式为VCVCC（1e-tRC）将tTd时，VC2 VCC3带入得：2 VCC3VCC（1e-TdRC）解得：TdRC ln3=1.0986 RC1.1 RC2. 脉冲触发型单稳态电路(a) 电路图 (b) 波形图脉冲触发型单稳态电路（直接输入）（2置6清、中保清通）3. R-S触发器型双稳态电路 (a) 电路图 (b) 波形图双端输入型双稳态电路4. 斯密特触发器型双稳态电路 (a) 电路图 (b) 波形图基本斯密特触发器二、无稳型电路即多谐振荡电路，是555电路应用最广的一类。电路的变化