《常用半导体元件》-第3章

3.1概述集成电路是把整个电路所需的二极管、三极管或场效应管、电阻及连接导线等元器件制作在一块硅基片上，从而实现某种特定功能的电了电路。按功能不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路。集成运算放大器是模拟集成电路中发展最早、通用性最强的器件，其内部实际上是一个高放大倍数的直接耦合放大器。反馈技术在电路中应用十分广泛，反馈现象普遍存在于电路中。负反馈能够改善放大电路的性能。返回3.2

差分放大电路3.2.1直接耦合方式在直接耦合放大器中，由于级与级之间无隔直(流)电容，因此各级的静态工作点相互影响，从而要求在设计电路时，合理安排，使各级都有合适的静态工作点。若将直接祸合放大器的输入端短路(ui=0)，理论上讲，输出端应保持某个固定值不变。然而，实际情况并非如此，输出电压往往偏离初始静态值，出现了缓慢的、无规则的漂移，这种现象称为零点漂移。1.直接藕合放大器零点漂移问题(1)直接藕合放大器各级静态工作点之间相互影响，相互牵制。下一页返回3.2

差分放大电路(2)存在零点漂移①零点漂移的定义：在输入信号为零时，出现输出端的直流电位缓慢变化的现象。②产生零点漂移的原因：元器件参数的变化、电源电压的波动、环境温度的变化等，其中由温度变化导致半导体参数等变化(简称温漂)是零点漂移的最主要原因。③零点漂移在RC祸合电路中影响不大；但在直接耦合放大电路中会被后级电路逐级放大，目第一级的零漂影响最为严重。2.抑制零点漂移的措施①选用参数稳定性好、高质量的硅管。②采用负反馈，以减少零点漂移。③采用直流稳压电源，减少电源电压的波动引起的零点漂移。④采用另一个热敏元件去补偿放大器的零点漂移。⑤采用差动放大电路，它常用作集成运放的输入级，这是解决零点漂移问题的主要方法。上一页下一页返回3.2

差分放大电路3.2.2差分放大电路1.基本差动放大电路(1)电路组成图3-1所示是一个基本差动放大电路，它由两个特性相同的二极管VT1、VT2组成对称电路。(2)静态分析（3.1）（3.2）上一页下一页返回3.2

差分放大电路

（3.3）（3.4）上一页下一页返回3.2

差分放大电路(3)差模信号和共模信号①差模输入信号。大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号，用uid来表示，uid=ui，这种信号的输入方式称为差模输入，输入差模信号时的电压放大倍数称为差模电压放大倍数，用Aud来表示。如图3-1(b)所示。②共模输入信号。大小相等、极性相同的漂移信号，称为共模信号，用uic表示，这种输入方式称为共模输入，输入共模信号时的电压放大倍数为共模电压放大倍数，用Auc来表示。如图3-1(c)所示。(4)差模输入动态分析（3.5）上一页下一页返回3.2

差分放大电路(5)共模输入动态分析（3.6）差动放大器的输出电压为零，显然，差动放大器对共模信号有抑制作用，即能有效抑制零点漂移。2.具有电流源的差动放大电路如图3-2所示。3.差动放大电路的输入/输出方式差动放大器有两个输入端和两个输出端(均共地)，所以在信号输入和输出方式上，可以根据不同的情况加以选择。一般，差动放大器有四种连接方式，这四种连接方式的特点、有关计算公式及应用情况见表3-1。注意：采用单端输出的接法时，如果由VT1输出，则输出电压与输入电压反向；如果由VT2输出，则输出电压与输入电压相同。上一页下一页返回3.2

差分放大电路(1)单端输入方式单端输入电路如图3-3所示。单端输入，在REE足够大的条件下，与双端输入状态相同，其Aud、rid、ro分析结论相同。(2)单端输出方式单端输出电路如图3-4所示。差模增益：（3.8）其中共模增益：（3.9）上一页返回3.3

集成运算放大器3.3.1集成运算放大器的组成及符号集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成，如图3-5(c)所示。输入级对集成运放的性能起着决定性的作用，是提高集成运放质量的关键。要求其输入电阻高，为了减少零点漂移和抑制共模十扰信号，所以通常采用恒流源的差动放大电路的形式，也称差动输入级。中间级主要任务是提供足够大的电压放大倍数，故也称电压放大级。中间级同时还应有较高的输入电阻，以减少对前级的影响，另外还应有较大电压和电流以推动输出级。输出级的主要作用是提供足够的输出电压和功率，以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻和较高的输入电阻，起到将放大级和负载隔离的作用。集成运放符号和组成框图如图3-5所示。下一页返回3.3

集成运算放大器3.3.2主要参数集成运放的参数是评价其性能优劣的主要标志，也是正确选择和使用的依据。为了正确选择和使用集成运放组件，必须熟悉其主要性能指标的含义和数值范围。1.输入失调电压UIO理想集成运放的要求是：当输入电压为零时，输出电压也为零。实际上运放电路不可能做到完全对称，特别是输入级影响大。因此通常输入电压为零时，输出电压不为零。称输入电压为零时的输出电压为输出失调电压，把输出失调电压折算到输入端，即输入失调电压UIO等于输出失调电压除以运放电路的开环放大倍数。上一页下一页返回3.3

集成运算放大器2.输入偏置电流I1B集成运放的两个输入端是输入级差分管的基极，因此两个输入端都需要一定的静态基极电流IBN和IBp。输入偏置电流IIB是输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流IBN和IBp的算术平均值，即IIB=1/2（IBN+IBp

），一般IIB在微安的数量级，其值应尽可能小。输入偏置电流的大小，主要取决于输入级差分管的集电极静态电流IC和品体管的Ai值，减小IC或Ai增大，都能使IIB减小。从使用的角度来看，输入偏置电流越小越好。因IB越小，信号源内阻变化所引起的输入电压变化就越小。上一页返回下一页3.3

集成运算放大器3.输入失调电流IIO输入失调电流是指当输入电压等于零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差，即IIO=IBN-IBP。由于信号源有内阻Rg存在，而A两输入端的输入电流IBN与IBP也不相等，这就会在输入端插入一个电压UB=IBNRg-IBPRg

，结果使集成运放的输出电压不等于零。这种现象是IIO引起的，因此称IIO为输入失调电流，显然IIO越小越好，通常为0.5~5mA。4.最大输出电压UO(max)指集成放大器工作在不失真的情况下能输出的最大电压。5.最大共模输入电压Uicmax定义：能安全地加在运放的两个输入端的短接点与运放地线之间的最大电压，称为最大共模输入电压。共模输入电压如果超过了这个电压，集成放大器的共模抑制性能将大大下降，甚至造成器件损坏。上一页下一页返回3.3

集成运算放大器6.最大差模输入电压Uidmax定义：能安全地加在运放的两输入端之间最大的差模电压，称为最大差模输入电压。输入差模电压超过Uidmax时，可能使输入级的管子反向击穿。7.共模抑制比KCMRKCMR是差模放大倍数与共模放大倍数之比，即KCMR=Ad/AC，其含义与差动放大器中所定义的KCMR相同，其值一般大于80dB。8.差模输入电阻ridrid是集成运放在开环时，输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻。上一页下一页返回3.3

集成运算放大器9.开环输出电阻Ro。Ro是集成运放开环时从输出端向单看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能力越强。10.开环放大倍数A集成放大器不外接反馈电路、输出端不接负载时，测出的差模电压放大倍数为开环放大倍数。此值越高，所构成的放大电路工作越稳定，精度也越高。上一页返回3.4

负反馈放大器3.4.1负反馈的基本概念1.反馈的定义将放大电路输出量(电压或电流)的一部分或全部通过某些元件或网络(称为反馈网络)，反向送回到输入端来影响原输入量(电压或电流)的过程，称为反馈。引入反馈后，整个系统构成了一个闭环系统。反馈放大电路的方框图如图3-6所示。图中，、、分别表示放大器的输入、输出和反馈信号。由图3-6可得到反馈放大电路的基本关系：（3.10）式中，为反馈深度。下一页返回3.4

负反馈放大器2.反馈的类型反馈网络可以向输入端反馈输出电压，也可以反馈输出电流。电压反馈时，要把反馈网络并接在输出电压两端，如图3-7(a)所示。此时，反馈网络中每一个元件两端的电压都随放大器输出端负载两端电压的变化而变化，其中一部分元件上的电压能对放大器输入端产生作用，形成反馈。这些元件上的电压称为取样电压。在电压反馈中，信号源、基本放大器和反馈网络二者互相并联。图中，将基本放大器和反馈网络分别用A和F表示。电流反馈时，要把反馈网络串接在输出电流流通的途径中，如图3-7(b)所示。这时，流过反馈网络中每一个元件上的电流都随流过负载的输出电流的变化而变化，其中一部分元件上的电流能对放大器输入端产生作用，形成反馈。这些元件上的电流称为取样电流。在电流反馈中，信号源、基本放大器和反馈网络二者串联。上一页下一页返回3.4

负反馈放大器3.反馈的性质若反馈信号削弱原来的输入信号，使净输入信号减小，则为负反馈；反之为正反馈。3.4.2负反馈对放大电路性能的影响1.减小非线性失真可以通过一个具体的电路演示来说明此问题。(1)演示电路演习、电路如图3-8所示。(2)演示内容①由信号发生器输入一频率为1kHz、峰-峰值为1V的正弦波。上一页下一页返回3.4

负反馈放大器②将开关S断开，用示波器观察输出波形，可看到输出波形明显地失真，如图3-8(a)所示的输出波形。③将开关S闭合，观察输出波形，可看到失真波形明显地改善，如图3-8(b)所示的波形。(3)演示现象分析在开环放大器中，由于开环增益很大，使放大器工作在非线性区，输出波形为双向失真波形。开关闭合后，电路引入了负反馈，电路增益减小，放大器工作在线性区，输出波形为标准的正弦波。即负反馈能减小非线性失真。2.提高放大倍数的稳定性影响放大器的放大倍数发生变化的因素有很多，如品体管及电路元件的参数、元件老化或更换、电源信号波动、负载发生变化以及环境条件变化等。通常要在放大器中加入负反馈以提高放大倍数的稳定性。上一页下一页返回3.4

负反馈放大器根据闭环增益方程求Af对A的导数，得即微分闭环增益的相对变化量为上一页下一页返回3.4

负反馈放大器3.扩展通频带频带宽度是放大电路中一个重要的技术指标。在阻容祸合放大器，中频段放大倍数较大，而高频段或低频段低放大倍数都下降，放大器的通频带窄，如图3-9所示。由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度。此外输入信号本身固有的失真，是不能用引入负反馈来改善的。4.改变输入电阻负反馈对输入电阻的影响取决于反馈网络在输入端的连接方式。上一页下一页返回3.4

负反馈放大器(1)串联负反馈图3-10(a)是串联负反馈电路的方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为引入负反馈后，闭环输入电阻rif为（3.12）(2)并联负反馈图3-10(b)是并联负反馈电路的方框图。由图可知，开环放大器的输入电阻为。引入负反馈后闭环输入电阻rif为（3.13）上一页下一页返回3.4

负反馈放大器5.改变输出电阻负反馈对输出电阻的影响取决于反馈网络在输出端的取样量。(1)电压负反馈图3-11(a)是电压负反馈的方框图。对于负载RL来说，从输出端看进去，等效的输出电阻相当于原开环放大电路输出电阻与反馈网络的电阻并联，其结果必然使输出电阻减小。经分析，两者的关系为（3.14）(2)电流负反馈图3-11(b)是电流负反馈的方框图。两者关系是（3.15）上一页下一页返回3.4

负反馈放大器3.4.3深度负反馈的分析1.深度负反馈的特点在负反馈放大电路中，当反馈深度1+AF>>1时的反馈，称为深度负反馈。一般在1+AF10时，就可以认为是深度负反馈。此时，由于1+AFAF，因此有（3.16）由上式得出(1)深度负反馈的闭环增益Af只由反馈系数F来决定，而与开环增益几乎无关。(2)外加输入信号近似等于反馈信号，可知上一页下一页返回3.4

负反馈放大器2.深度负反馈放大电路的参数估算(1)电压串联负反馈电路(图3-14)即在深度负反馈条件下，已知F值则可估算出Auf值（3.17）上一页下一页返回3.4

负反馈放大器(2)电压并联负反馈电路(图3-15)

（3.18）(3)电流串联负反馈电路图3-16是电流串联负反馈电路，从图中可得因此，电压放大倍数为（3.19）上一页下一页返回3.4

负反馈放大器(4)电流并联负反馈电路图3-17是电流并联负反馈电路，由于因而有因此（3.20）上一页下一页返回3.5

基本运算电路3.5.1概述集成运算放大器(简称集成运放)加上一定形式的外接电路，可以构成各种功能的电路，例如能对信号进行加、减、微分和积分的运算电路，有源整流和滤波电路，波形产生的变换电路等。已经了解到集成运放实际上是一种各项性能指标都比较理想的放大器件。一般情况下，把在应用电路中的集成运放看作理想集成运放。利用理想运放分析电路时，由于集成运放接近于理想运放，所以造成的误差很小，本章若无特别说明，均按理想运放对待。返回下一页3.5

基本运算电路3.5.2基本运算电路1.反相输入式放大电路图3-18所示为反相输入式放大电路，输入信号经R1加入反相输入端，Rf为反馈电阻，把输出信号电压Uo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。(1)“虚地”的概念由于集成运放工作在线性区，u+=u-；ii+=ii-0，即流过R2的电流为零。则u+=0，u+=u-=0，说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是“虚假接地”，简称为“虚地”。“虚地”是反相输入式放大电路的重要特点。下一页返回上一页3.5

基本运算电路(2)电压放大倍数在上图中，有由于，则。即（3.21）式中Auf为反相输入的放大倍数。上一页下一页返回3.5

基本运算电路2.同相输入式放大电路图3-19所示电路为同相输入式放大电路，为反馈电阻，Rf为平衡电阻(R2=R1//Rf)。(1)虚短的概念对同相输入式放大电路，u-和u+相等，相当于短路，称为“虚短”。且(2)电压放大倍数由图3-19可见，R1和Rf组成分压器，反馈电压上一页下一页返回3.5

基本运算电路由于ui=uf

，则由上式可得电压放大倍数（3.22）上一页下一页返回3.5

基本运算电路3.集成运放的线性应用(1)电压跟随器电压跟随器如图3-20所示。(2)加法运算反相加法电路如图3-21所示。(3)减法运算反相减法电路如图3-22所示。(4)积分运算积分电路如图3-23所示。(5)微分运算微分电路如图3-24所示。上一页返回3.6运算放大器的选用及使用注意事项3.6.1集成运算放大器的识读常见的集成运算放大器有圆形、扁平形、双列直插式等，有8管脚、14管脚等，其外形如图3-26所示。其引线脚号排列顺序的标记，一般有色点、凹槽、管键及封装时压出点圆形标记等。对于双列直插式集成块引线脚号等识别方法是：将集成块水平放置，管脚向下，从缺口或标记开始，按逆时针方向数，依次为1脚、2脚、3脚等。对于圆形管以管键为参考标记，管脚向下，以键为起点，逆时针数1、2、3等。下一页返回3.6运算放大器的选用及使用注意事项3.6.2集成运算放大器的分类1.按用途分类集成运算放大器按其用途分为通用型及专用型两大类。2.按供电电源分类集成运算放大器按其供电电源分类，可分为两类。(1)双电源集成运算放大器绝大部分运算放大器在设计中都是正负对称的双电源供电，(2)单电源集成运算放大器这类运放采用特殊设计，在单电源下能实现零输入、零输出。以保证运放的优良性能交流放大时，失真较小。上一页下一页返回3.6运算放大器的选用及使用注意事项3.按制作工艺分类集成运算放大器按其制作工艺分类，可分为三类。(1)双极型集成运算放大器。(2)单极型集成运算放大器。(3)双极一单极兼容型集成运算放大器。4.按运放级数分类按单片封装中的运放级数分类，集成运放可分为四类。(1)单运放。(2)双运放。(3)三运放。(4)四运放。上一页下一页返回3.6运算放大器的选用及使用注意事项3.6.3集成运算放大器的命名方法1.国标命名方式我国半导体集成电