测控技术与仪器实践能力训练教程 第2版教学课件 林玉池 等主编 集成电路

1、在线教务辅导网： :/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：8/13/20221常用元器件集成电路 天津大学精仪学院实验中心8/13/20222集成电路 集成电路是继电子管、晶体管之后发展起来的又一类电子器件。它是用半导体工艺或薄、厚膜工艺（或这些工艺的结合），将晶体管、电阻及电容等元件，按照电路的要求，共同制作在一块硅或绝缘基体上，然后封装而成。集成电路是最能体现电子工业日新月异、飞速发展的一类电子器件。它不仅品种浩繁，而且新品种层出不穷，要熟悉各种集成电路几乎是不可能的，实际上也没有必要。但对常用的集成电路有所了解则是非常必要的。 8/1

2、3/20223集成电路一、集成电路的分类1按制造工艺和结构分类可分为半导体集成电路、膜集成电路、混合集成电路。 8/13/20224集成电路半导体集成电路是目前应用最广泛，品种繁多，发展迅速的一种集成电路。根据采用的晶体管不同，又可分为双极型和单极型两种。双极型集成电路又称TTL电路，其中的晶体管与常用的二极管、三极管性能一样。而单极型集成电路，是采用了MOS场效应管，因而又称MOS集成电路。MOS集成电路可分为N沟道MOS电路（简称NMOS集成电路）和P沟道MOS电路（简称PMOS集成电路）。由N沟道、P沟道MOS晶体管互补构成的互补MOS电路简称为CMOS。这种电路具有工艺简单、集成度高等

3、优点，因而发展迅速，应用范围极为广泛。8/13/20225集成电路膜集成电路可分为厚膜集成电路和薄膜集成电路两种。在绝缘基片上，由薄膜工艺形成有源元件、无源元件和互连线而构成的电路称为薄膜集成电路。在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制作厚膜无源网络，然后装接二极管、三极管或半导体集成电路芯片，构成有一定功能的电路就是厚膜集成电路。膜集成电路由于制作工艺烦琐，成本较高，因而它的应用范围远不如半导体集成电路。 8/13/20226集成电路混合集成电路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线，并在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装，再外加封装而成。与分立元件电路相比，混

4、合集成电路具有组装密度大、可靠性高、电性能好。8/13/20227集成电路2. 按集成度分类集成度指一个硅片上含有的元件数目。表1是早期对集成度的分类。表1 集成电路按集成度分类8/13/20228集成电路一般常用集成电路以中、大规模电路为主，超大规模电路主要用于存储器及计算机CPU等专用芯片中。由于微电子技术的飞速发展，上述分类已不足以反映集成度的规模。目前已经实现了在一个硅片上集成千万只晶体管，若干年内可达10 亿只以上。8/13/20229集成电路 3 按应用领域分类 同一功能的集成电路按应用领域规定不同的技术指标，可分为军用品、工业用品和民用品（又称商用）三大类。在军事、航空、航天等使

5、用环境条件恶 ，装置密度高的领域，对集成电路的可靠性要求极高，产品价格退居次要地位，这是军品的特点。民品则在保证一定可靠性和性能指标的前提下，性能价格比是产品能否成功的重要条件之一。显然，如果在普通电子产品中选用军品是达不到高性能价格比的。工业品则是介于二者之间的产品，但不是所有集成电路都有这三个品种的。8/13/202210集成电路4 按使用功能分类半导体集成电路还可以按使用功能的不同分类，如表2所示。8/13/202211集成电路表2 集成电路按使用功能分类 8/13/202212集成电路目前，已经成熟的集成逻辑技术主要有三种：TTL逻辑（晶体管-晶体管逻辑）、CMOS逻辑（互补金属-氧化

6、物-半导体逻辑）和ECL逻辑（发射极耦合逻辑）。TTL逻辑：TTL逻辑于1964年由美国德克萨斯仪器公司生产，其发展速度快、系列产品多。有速度及功耗折中的标准型；有改进型、高速的标准肖特基型；有改进型、高速及低功耗的低功耗肖特基型。所有TTL电路的输出、输入电平均是兼容的。该系列有两个常用的系列化产品，如表3所示。8/13/202213集成电路表3 常用TTL系列产品CMOS逻辑：COMS逻辑的特点是功耗低，工作电源电压范围较宽，速度快（可达7MHz）。CMOS逻辑的CC4000系列有两种类型产品，如表4所示。表4 CC4000系列产品参数8/13/202214集成电路ECL逻辑：ECL逻辑的

7、最大特点是工作速度高。因为在ECL电路中数字逻辑电路形式采用非饱和型，消除了三极管的存储时间，大大加快了工作速度。MECL I系列产品是由美国摩托罗拉公司于1962年生产的，后来又生产了改进型的MECL II，MECL III型及MECL 1000。以上几种逻辑电路的有关系 列 参 数 列 于表5中。8/13/202215集成电路表5 几种逻辑电路的参数比较 8/13/202216集成电路 二、集成电路的特点1. 集成电路的可靠性高、寿命长而且使用方便。由于集成电路将元件集成于芯片上，这样减少了电路中元器件连接焊点的数量及连线，使可靠性得到很大的提高。2. 集成电路的专用性强。由于集成电路在制

8、作前就按所需的电路进行了设计，一旦制作完毕，它的功能就固定下来了。因此在使用时，只需按照集成电路所具有的功能进行选用就可以了，使用非常方便。8/13/202217集成电路3. 集成电路不但体积小、重量轻而且功能多。由分立元件构成的电路因为元器件的体积大、重量也大，因而整机体积就不可能做得很小，电路也不可能设计得很复杂。而采用半导体工艺方法制作的集成电路，其芯片上可制作几十、几百以至上万个元器件。因而体积小、重量轻、电路的功能增多且更加完善。4. 集成电路需要外接一些元器件才能正常工作。由于在集成电路内不宜电感、电容以及可变电阻等元器件，所以这些元器件必须外接，只有当这些元器件正确接入电路后，才

9、能使电路正常工作，发挥其应有的作用。8/13/202218集成电路三、 集成电路命名与替换集成电路的命名与分立元件相比规律性较强，绝大部分国内外厂商生产的同一种集成电路采用基本相同的数字标号，而以不同的字头代表不同的厂商，例如NE555、LM555、SG555分别是由不同国家和厂商生产的定时器电路，它们的功能、性能和封装、引脚排列也都一致，可以互相替换。8/13/202219集成电路集成电路现行国际规定的命名法如下：（摘自电子工程手册系列丛书A15，中外集成电路简明速查手册TTL、CMOS电路）器件的型号由五部分组成，各部分符号及意义见表6。例1： C F 0741 C T （1）（2） （3

10、） （4） （5）组成产品型号的各部分字母和数字涵义说明：（1）符合国家标准（2）类型 F 线性放大器（3）系列品种代号 0741 通用III型运算放大器（4）工作温度范围 C 0 +70（5）封装形式 T 塑料封装8/13/202220集成电路8/13/202221集成电路注： 74：国际通用74系列（民用）； 54：国际通用54系列（军用）； H：高速 L：低速 LS：低功耗 C：只出现在74系列 M：只出现在54系列8/13/202222集成电路例2：国外主要公司TTL集成电路型号命名规则： SN 74 LS 20 J （1） （2） （3） （4） （5）组成产品型号的各部分字母和数字

11、涵义说明：（1）公司字头 SN 美国德克萨斯公司MC 美国摩托罗拉公司DM 美国国家半导体公司HD 日本日立公司（2）工作温度范围74：0 +70 54：-55 +1208/13/202223集成电路（3）系列S：肖特基系列 H：高速系列LS：低功耗肖特基系列 L：低功耗系列ALS：先进的低功耗肖特基系列空白：标准系列（4）品种代号20是双4输入与非门（5）封装形式J：陶瓷双列直插 N：塑料双列直插T：金属扁平 W：陶瓷扁平注：以上说明以美国德克萨斯公司的规则为准。有些公司（1）表示是电路类型或系列号；（2）工作温度范围与其不同；（5）封装形式字母表示的内容不同等等，具体使用集成电路芯片时需要

12、查相应资料。8/13/202224集成电路四、集成电路外引线识别集成电路的外封装形式大致可分为四种。即圆形金属壳封装（晶体管式封装）、扁平型封装或塑料外壳封装、双列直插型陶瓷或塑料封装、单列直插式封装。它们的引出线分别有8根、10根、12根、14根、16根等多种，最多的可达100多根引线脚。其中单列直插、双列直插型为多见。如图1所示。8/13/202225集成电路 （a）扁平型和双列直插型 （b）圆型和单列直插型 图1 集成电路外引线识别8/13/202226集成电路集成电路引脚排列顺序的标志，一般有色点、凹槽、管键及封装时的圆形标志。使用集成电路前，必须认真查对识别集成电路的引脚，确认电源、

13、地、输入、输出、控制等端的引脚，以免因错接而损坏器件。8/13/202227集成电路对于扁平型或双列直插型集成电路引脚的识别方法是：将文字符号标记正放（一般集成电路芯片上有一圆点或有一缺口，将缺口或圆点置于左方），由顶部俯视，从芯片的左下脚起，按逆时针方向数，依次为1，2，3，4，如图1（a）所示。对于圆形集成电路识别方法是：面向引脚正视，从定位销顺时针方向依次为1，2，3，4，如图1（b）所示。8/13/202228集成电路 五、集成运算放大器基本应用 在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。集成运放适用于放大、滤波、整形、波形产生，非线性校正，横流、稳压、调制

14、与解调，相敏整流，限幅、锁相等各种单元电路。到目前为止，已经生产了许多积木单元电路，供在各种复杂的电子线路中使用。8/13/202229集成电路运算放大器的种类繁多，国内外编号也极为复杂。为了合理地使用运算放大器，除了掌握运算放大器内部参数特性和闭环运算电路的理论知识以外，还必须了解和掌握各种类型和编号的运算放大器特点，频率特性及应用范围等。8/13/202230集成电路1. 集成运放的内部结构集成运放是一种高增益的多级直接耦合放大器，其内部结构如图2所示。它主要由差动输入极、中间放大级、输出级及偏置电路等四部分组成，各部分的作用如下：8/13/202231集成电路差动输入级 使运算放大器具有

15、尽可能提高的输入电阻及尽可能高的共模抑制比。因此输入级电路一般为差动放大器。中间放大级 该级电路由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。输出级 使运算放大器具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。输出过载时有自动保护作用以免损坏集成电路。输出级电路一般为互补对称推挽电路。偏置电路 为各级电路提供合适的工作点。为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。8/13/202232集成电路8/13/202233集成电路8/13/202234集成电路图3为A741（美国仙童公司产）的内部电路图，这是一种价廉的、应用广泛的通用型集成运算放大器。VT1、VT3与VT2、VT4组成运算放大

16、器的差动输入级电路，VT5、VT6、VT7组成差动放大器的恒流源电路，VT8、VT9是差动放大器的有源负载电路。VT14与VT15组成中间电压放大级，其中VT14接成射极跟随器，在输入级与中间级之间起缓冲隔离作用，VT15是电压放大器，其集电极负载是VT12与VT13构成的恒流源电路，故电压放大倍数很高，VT14与VT17组成互补对称推挽输出电路，VT18构成推挽电路的静态偏置电路并消除交越失真。VT19、VT20起过流保护作用。8/13/202235集成电路2 主要性能参数的测试方法表征运算放大器性能的主要参数有： 输入失调电压运算放大器的两个输入端加相同的电压或直接接地时，输出电压不为零，

17、为使输出电压为零而在输入端引入的补偿电压UIO称为失调电压。失调电压的测试电路如图4所示。用万用表（最好是数字电压表）测量其输出电压UO则输入失调电压UIO可由下式计算8/13/202236集成电路 图4 输入失调电压测试电路 8/13/202237集成电路输入失调电压主要是由于构成差动输入级的差动放大器的两个三极管的特性不一致等原因造成的。UIO一般为：5mV其值越小越好。 输入失调电流输入失调电流IIO是指当输入信号为零时，运算放大器两个输入端的基极偏置电流的差，即 IIO = IB+ - IB-其中IB+为同相输入端基极电流，IB-为反相输入端基极电流。 8/13/202238集成电路失

18、调电流的测试电路与图4相同。用万用表分别测量同相端3对地的电压U3及反相端2对地的电压U2，则输入失调电流IIO可由下式计算输入失调电流主要是由于构成差动输入级的差动放大器的两个三极管的值不一致引起的。IIO 一般为1nA 10A ，其值越小越好。输入失调电压UIO与输入失调电流IIO称为运算放大器的静态性能参数。 8/13/202239集成电路 开环电压增益开环电压增益AVO是指运放没有反馈时的差模电压增益，即运算放大器的输出电压Uo与差模输入电压Uid之比值。开环电压增益通常很高，要求输入电压很小（几百微伏）才能保证输出波形不失真。但在小信号输入条件下测试时，易引入各种干扰，所以采用闭环测

19、量方法较好，其测试电路如图5 所示。选择电阻R1+R2R3，则开环电压增益AVO为:8/13/202240集成电路 图5 测开环电压增益用交流电压表分别测量UO及Ui，由上式可以计算开环增益AVO。测量时，交流信号源的输出频率尽量选低（小于100Hz），并用示波器监视输出波形，若有自激振荡，应进行相位补偿、消除振荡后才能进行测量。Ui的幅度不能太大，一般取几十毫伏。 8/13/202241集成电路 增益带宽积运算放大器可以工作在零频率(即直流)，因此它的截止频率fc处的电压增益比直流时的电压增益低3db，故运算放大器的带宽BW就等于截止频率fc。增益越高，带宽越窄，增益带宽积为常数，即 AVB

20、W = 常数8/13/202242集成电路放大倍数等于1时的带宽称为单位增益带宽。增益带宽积的测试电路如图6所示。其中信号源的输出为电压Ui=100mV的正弦波，示波器用来同时观测放大器的输入输出波形。首先取表7中的第1组阻值RF=R1=10K，测量放大器的单位增益带宽。当信号源的输出频率由低逐渐增高时，电压增益AV =UO/Ui=1应保持不变。继续增高频率直到 AV时所对应的频率就是运算放大器放大倍数等于1时的带宽，即单位增益带宽。再取表中第2、第3组数据，分别测出不同电压增益AV时的带宽BW，通过计算求出增益带宽积AVBW。实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量

21、误差）。因此运算放大器在给定电压增益下，其最高工作频率受到增益带宽积的限制限制，应用时要特别注意这一点。8/13/202243集成电路图6 测增益带宽积 8/13/202244集成电路 输入电阻输入电阻Rid是指在差模信号输入时，运算放大器的两个输入端视入的等效电阻。输入电阻的测试电路如图7所示。其中信号源的输出电压为Ui=1V，频率fi=100Hz的正弦波。调节电位器RP直到Ui=1/2Ui时为止。关电源，取下电位器（注意不要碰电位器的滑动端），测量其阻值R，则输入电阻Rid=R。希望输入电阻Rid越大越好，这样运算放大器从信号源吸取的电流就越小。8/13/202245集成电路图7 测输入电

22、阻 8/13/202246集成电路 转换速率（摆动率）运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能达到的最大变化率称为转换速率或摆动率，用SR表示，其单位为V/S。转换速率的测试电路如图8（a）所示。其中信号源输出为10KHz的方波，电压Ui的峰-峰值为5V。双踪示波器观测到的输入输出波形如图8（b）所示。转换速率U/t可由示波器测量，其中t为输出电压Uo从最小值上升到最大值所需的时间。转换速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好。影响运算放大器转换速率的主要因素是运放的高频特性和相位补偿电容。8/13/202247集成电路图8 测转换速率8/13/202248集成电路 共模抑制

23、比运算放大器的差模电压放大倍数Avd与共模电压放大倍数Avc之比称为共模抑制比KCMR表示，单位一般用dB（分贝）。图9 测共模抑制比 8/13/202249集成电路共模抑制比的测试电路如图9所示。其中信号源的输出电压Ui=2V（有效值）频率为100Hz的正弦波。用交流电压表测量输出电压UO，放大器的差模电压增益为:Avd=RF/R1共模电压增益为Avc=UO/Ui将Avd、Avc的值带入上式可算出共模抑制比KCMR。KCMR愈大，表示放大器对共模信号（温度漂移，零点漂移等）的抑制能力愈强。以上开环电压增益AVO、增益带宽积AVBW、输入电阻Rid、摆动率SR及共模抑制比KCMR称为运算放大器

24、的动态性能参数。 8/13/202250集成电路8/13/202251集成电路3使用运放时的注意事项 调零消除失调误差“调零”技术是使用运放时必须掌握的。特别是在作直流放大器用时，由于输入失调电压和失调电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运算放大器的精度，严重时使运算放大器不能正常工作。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，使输出为零，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零，如A741或OP07均有调零引出端，其调零电路如图10(a)、(b)所示。调节电位器，可使运放输出为零。调零时必须细心，切忌不要使电

25、位器的滑动端与地线或电源线相碰，否则会损坏运算放大器。对于没有调零端的运算放大器，可以参考图10(c)、(d)所示的调零电路。8/13/202252集成电路图10(a) 运算放大器的调零电路 8/13/202253集成电路图10(b) 运算放大器的调零电路8/13/202254集成电路图10(c) 运算放大器的调零电路8/13/202255集成电路图10(d) 运算放大器的调零电路8/13/202256集成电路 相位补偿消除高频自激由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以

26、消除高频自激。相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在内部进行了补偿，如A741。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路。 8/13/202257集成电路 过载保护措施使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如电源电压范围，最大输入电压范围等。为防止超过极限值或使用疏忽等原因损坏运算放大器，可以采用保护措施，如图11所示。8/13/202258集成电路（a）防止电源反接 （b）防止共模输入电压过大 （c）防止差模输入电压过大图11 过载保护电路8/13/202259集成电路4基本应用电路集成运算

27、放大器可作为一个器件构成各种基本功能电路。这些基本电路又可作为单元电路组成电子应用电路。（1）反相放大器反相放大器是最基本的电路，如图12所示。其闭环电压增益AVF为:输入电阻 Rid = R1输出电阻 Rod0平衡电阻 RP=R1 / RF反馈电阻RF的值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。8/13/202260集成电路若RF=R1，则为倒相器，可作为信号的极性转换电路。图12 反相放大器 8/13/202261集成电路（2）同相放大器同相放大器也是最基本的电路，如图13所示。其闭环电压增益AVF为:输入电阻 Rid = ricR

28、ic为运放本身同相端对地的共模输入电阻，一般为10。输出电阻 Rod0平衡电阻 RP=R1 / RF8/13/202262集成电路图13 同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。若RF0，R1=（开路），则为电压跟随器。与晶体管电压跟随器（射极输出器）相比，集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高，几乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更小，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器。8/13/202263集成电路（3）差动放大器当运算放大器的反相端和同相端分别输入信号U1和U2时，输出电压Uo可表示为：电路如图14所示。当R1=R2，RF=R3时为差动放大器，其差模增益

29、为：8/13/202264集成电路图14 差动放大器 8/13/202265集成电路输入电阻 Rid = R1+R2=2R1当R1=R2=RF=R3时，为减法器，输出电压为： Uo=U2-U1由于差动放大器具有双端输入，单端输出，共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感器或测量仪器的前端放大器。8/13/202266集成电路（4）加法器基本加法器电路如图15所示。其输出电压可表示为：式中负号表示反相加法器。若取R1=R2=RF，并使其中一个输入信号U1经过一级反相放大器，则加法器可以变为减法器，其输出电压为Uo（U2U1）。8/13/202267集成电路图15 加法器 8/13/202268集成电路（5）积分器积分器的基本应用电路如图16所示。输出电压