Chapter4 模拟集成电路

Chapter4 模拟集成电路 4.1 集成运算放大器集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。集成运算放大器可分为如下几类。

1．通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。 2．高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid＞（109~1012）W，IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

4.1.1 集成运算放大器的使用要点 1．集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。（1）对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E）与负电源（-E）分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。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）单电源供电方式单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位，如图3.2.1所示。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于图3.2.1交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为VCC/2，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。

2．集成运放的调零问题 由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。下面以mA741为例，图3.2.2给出了常用调零电路。图3.2.2(a)所示的是内部调零电路；图（b）是外部调零电路。

3．集成运放的自激振荡问题 运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。图3.2.3是相位补偿的使用电路。

另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（10mF）和一高频滤波电容（0.01mF~0.1mF）。如图3.2.3所示。另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（10mF）和一高频滤波电容（0.01mF~0.1mF）。如图3.2.3所示。

4. 集成运放的四个重要参数： (1) 增益带宽积（GBW) 其中，Avd为中频开环增益，fH为开环上限截止频率。 GBW=Avd . fH 以uA741为例，Avd=100dB即100000倍。fH =10Hz , GBW=10×100000=1MHz 。即该运放的fT =1MHz 。 Avd (dB) Avo f fH fT

Avd (dB) Avo 若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上限频率fHF=GBW/AVF AVF f fH fHF fT (2) 压摆率（转换速率）SR 压摆率SR表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。

若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。则：若已知V0m，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率对于uA741，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为Vin=2V，f=100KHz的正弦信号，其输出波形如何？

- vo vin + vin vo 为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于0.8V。

(3) 共模抑制比CMRR 该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）的抑制能力。定义 Avd 为开环差模增益，Avc为开环共模增益。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。假设某一放大器的差模输入信号Vidm为10uV，而放大器的输入端存在着10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的共模抑制比呢？设该放大器的输出端的共模电压为Vocm ,则Vocm=Vicm . Avc

则将其折合到输入端的共模信号为：Vicm= Vocm/Avc 折合到输入端的误差电压为：在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：则运放的共模抑制比要求运算放大器的共模抑制比大于120dB

RF R1 RP 10k RW 4. 运算放大器的应用（1）反相比例运算电路该电路的电压放大倍数输入电阻：RiF=R1 输出电阻：R0F=0 平衡电阻：RP=RF//R1 运算放大器的共模输入电压：ViC=0 该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻RF一般小于1MΩ， RF过大会影响阻值的精度；但RF也不能太小，过小会从信号源或前级吸取较大的电流。

（2）同相比例放大器电路 V0 Vi 该电路的电压放大倍数 RF 输入电阻：RiF=∞ 输出电阻：R0F=0 平衡电阻：RP =R1//RF 由于运算放大器在该电路中不是“虚地”，其输入端存在着较大的共模信号，共模输入电压为：ViC=Vi 在应用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于Vi的最大值。

R RX E R R （3）由三运放组成的仪表放大器当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。例如用于对温度、流量、压力等物理量的测量，一般传感器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的变化，如图。输出

仪表放大器具有的特征是： • 具有高的输入阻抗，低的偏置电流。 • 平衡差动输入，高的共模抑制比。 • 单端输出，较低的输出电阻。 • 具有较小的失调电压与漂移。 • 改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。 • 满足以上要求的电路原理图如下。

R4=R5，R6=R7条件下，该电路的差模电压放大倍数为：R4=R5，R6=R7条件下，该电路的差模电压放大倍数为：为了提高仪用放大器的共模抑制比（CMRR），要求相差尽可能小，一般选用金属膜或线绕电阻。调节增益时，不要调节R4~R7这些电阻。如果希望调节增益，必须用改变电阻R2实现，这样对仪用放大器的CMRR影响不大。

一实际测量放大器电路:

（4）交流放大器 ①双电源供电的交流放大器若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器（也可用反相式）。

电容C1、C2、C3为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：电容C1、C2、C3为隔直电容。该电路的交流电压放大被数： AVF = 1+RF／R2 R1接地是为了保证运算放大器有一合适的静态工作点，即当信号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻： Ri = R1 R1不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出。但也不能太小，否则将影响前级信号源输出。一般选几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。一般取C1=C3=（3~10）1／(2πRLfL) 反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。注意电容在电路中的极性。

为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为1+RF／R2；但由于反馈电压VA与输入电压VB近似相等，故流过R1的电流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为1+RF／R2；但由于反馈电压VA与输入电压VB近似相等，故流过R1的电流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。

②单电源供电的交流电压放大器 对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：在下图的反相交流电压放大器中，R2、R3为偏置电阻。为了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态工作点 V+ = (R3／R3+R2)Vcc = Vcc/2 静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。

电容C1、C2为隔直电容，有关C1、C2的选择有放大器的下限频率fL决定。该放大器的电压放大被数AVF = RF／R1 下图是自举式同相交流放大器

当（正半周）时，D1导通，D2截止，输出电压: 当（负半周）时，D1截止，D2导通，输出电压: （5）精密整流电路 ①半波整流电路精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。

②精密全波整流电路（绝对值电路） 如果需要对小信号进行绝对值运算，可采用图3.2.13所示电路。在电路中，电阻元件选择R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。

当（正半周）时，二极管D2截止，D1导通， 故当（负半周）时，二极管D1截止，D2导通，故

可见输出形成全波整流。同理，若将D1、D2极性反接，可得到输出极性相反的全波整流。可见输出形成全波整流。同理，若将D1、D2极性反接，可得到输出极性相反的全波整流。（6）通用窗口比较器在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有用的。图3.2.14所示即是一典型的窗口比较器电路。其中UH为上限电压，UL为下限电压，Vi为输入电压；当Vi>UH或Vi<UL时，运算放大器A1或A2输出高电平，三极管T饱和导通，输出V0≈0V；当UL<Vi<UH时，运算放大器A1和A2均输出低电平，三极管T截止，。

输出V0=5V 。电路中A1、A2的输入端所加的双向嵌位二极管，其保护作用。图中R3是一电阻，如需要，它可以是一个继电器或指示灯（7）三角波—方波发生器虽然产生三角波的电路很多，但用运算放大器构成的三角波发生器却具有许多优点：产生波形的线性度好、稳定性好，且可以同时产生方波；输出频率范围极宽，其低频可达10-4Hz，高频方面约106Hz，且在十个数量级的频带范围内，可以连续地改变输出频率，同时可保证频率改变时，输出电压的幅度恒定不变。图3.2.15所示电路即是一典型的三角波—方波发生器。率。在给定的参数条件下，该电路的输出频率为45Hz~500Hz。

第4章模拟集成电路及应用 4.2 集成功率放大器 4.2.1 LM386集成功率放大器 1．LM386的特点

它是8脚DIP封装，消耗的静态电流约为4mA，是应用电池供电的理想器件。它是8脚DIP封装，消耗的静态电流约为4mA，是应用电池供电的理想器件。该集成功率放大器同时还提供电压增益放大，其电压增益通过外部连接的变化可在20～200范围内调节。其供电电源电压范围为4～15V，在8W负载下，最大输出功率为325mW，内部没有过载保护电路。功率放大器的输入阻抗为50k，频带宽度300kHz。 2．LM386的典型应用 LM386使用非常方便。它的电压增益近似等于2倍的1脚和5脚电阻值除以T1和T3发射极间的电阻（图3.3.1中为R4+R5）。所以图3.3.2是由LM386组成的最小增益功率放大器，总的电压增益为：

C2是交流耦合电容，将功率放大器的输出交流送到负载上，输入信号通过Rw接到LM386的同相端。C1电容是退耦电容，R1-C3网络起到消除高频自激振荡作用。C2是交流耦合电容，将功率放大器的输出交流送到负载上，输入信号通过Rw接到LM386的同相端。C1电容是退耦电容，R1-C3网络起到消除高频自激振荡作用。

若要得到最大增益的功率放大器电路，可采用图3.3.3电路。在该电路中，LM386的1脚和8脚之间接入一电解电容器，则该电路的电压增益将变的最大：

电路的其他元件的作用与图3.3.2作用一样。若要得到任意增益的功率放大器，可采用图3.3.4所示电路。该电路的电压增益为：电路的其他元件的作用与图3.3.2作用一样。若要得到任意增益的功率放大器，可采用图3.3.4所示电路。该电路的电压增益为：在给定参数下，该功率放大器的电压增益为50。

4.1.2 高功率集成功率放大器 TDA2006 TDA2006集成功率放大器是一种内部具有短路保护和过热保护功能的大功率音频功率放大器集成电路。它的电路结构紧凑，引出脚仅有5只，补偿电容全部在内部，外围元件少，使用方便。不仅在录音机、组合音响等家电设备中采用，而且在自动控制装置中也广泛使用. 1．TDA2006的性能参数音频功率放大器集成电路TDA2006 采用5脚单边双列直插式封装结构，图3.3.5是其外型和管脚排列图。1脚是信号输入端子；2脚是负反馈输入端子；3脚是整个集成电路的接地端子，在作双电源使用时，即是负电源（-VCC）端子；4脚是功率放大器的输出端子；5脚是整个集成电路的正电源（+VCC）端子。

表3-5 TDA2006的性能参数

2．TDA2006音频集成功率放大器的典型应用 图3.3.6电路是TDA2006集成电路组成的双电源供电的音频功率放大器，该电路应用于具有正、负双电源供电的音响设备。音频信号经输入耦合电容C1送到TDA2006的同相输入端（1脚），功率放大后的音频信号由TDA2006的4脚输出。由于采用了正、负对称的双电源供电，故输出端子（4脚）的电位等于零，因此电路中省掉了大容量的输出电容。电阻R1、R2和电容器C2构成负反馈网络，其闭环电压增益：

电阻R4和电容器C5是校正网络，用来改善音响效果。两只二极管是TDA2006内大功率输出管的外接保护二极管。电阻R4和电容器C5是校正网络，用来改善音响效果。两只二极管是TDA2006内大功率输出管的外接保护二极管。 3. 单电源供电在中、小型收、录音机等音响设备中的电源设置往往仅有一组电源，这时可采用图3.3.7所示的TDA2006工作在单电源下的典型应用电路。音频信号经输入耦合电容C1输入TDA2006的输入端，功率放大后的音频信号经输出电容C5送到负载RL扬声器。电阻R1、R2和电容C2构成负反馈网络，其电路的闭环电压放大倍数：电阻R6和电容C6同样是用以改善音响效果的校正网络。电阻R4、R5、R3和电容C7用来为 TDA2006设置合适的静态工作点的，使1脚在静态时获得电位近似为1/2VCC。

5.2 线性集成稳压器 5.2.1 三端固定集成稳压器 1．三端固定集成稳压器的特点三端固定集成稳压器包含7800和7900两大系列，7800系列是三端固定正输出稳压器，7900系列是三端固定负输出稳压器。它们的最大特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品。7800系列按输出电压分有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等品种；按输出电流大小分有0.1A、0.5A、1.5A、3A、5A、10A等产品；具体型号及电流大小见表3-6。例如型号为7805的三端集成稳压器，表示输出电压为5V，输出电流可达1.5A。注意所标注的输出电流是要求稳压器在加入足够大的散热器条件下得到的。同理7900系列的三端稳压器也有-5V～-24V七种输出电压，输出电流有0.1A、0.5A、1.5A三种规格，具体型号见表3-7。

7800系列属于正压输出，即输出端对公共端的电压为正。根据集成稳压器本身功耗的大小，其封装形式分为TO-220塑料封装和TO-3金属壳封装，二者的最大功耗分别为10W和20W（加散热器）。管脚排列如图3.4.1(a)所示。UI为输入端，UO为输出端，GND是公共端（地）。三者的电位分布如下：UI＞UO＞UGND(0V)。最小输入—输出电压差为2V，为可靠起见，一般应选4～6V。最高输入电压为35V。7800系列属于正压输出，即输出端对公共端的电压为正。根据集成稳压器本身功耗的大小，其封装形式分为TO-220塑料封装和TO-3金属壳封装，二者的最大功耗分别为10W和20W（加散热器）。管脚排列如图3.4.1(a)所示。UI为输入端，UO为输出端，GND是公共端（地）。三者的电位分布如下：UI＞UO＞UGND(0V)。最小输入—输出电压差为2V，为可靠起见，一般应选4～6V。最高输入电压为35V。

7900系列属于负电压输出，输出端对公共端呈负电压。7900与7800的外形相同，但管脚排列顺序不同，如图3.4.1(b)所示。7900的电位分布为：UGND(0V)＞-UO＞-UI。另外在使用7800与7900时要注意，采用TO-3封装的7800系列集成电路，其金属外壳为地端；而同样封装的7900系列的稳压器，金属外壳是负电压输入端。因此，在由二者构成多路稳压电源时若将7800的外壳接印刷电路板的公共地，7900的外壳及散热器就必须与印刷电路板的公共地绝缘，否则会造成电源短路。7900系列属于负电压输出，输出端对公共端呈负电压。7900与7800的外形相同，但管脚排列顺序不同，如图3.4.1(b)所示。7900的电位分布为：UGND(0V)＞-UO＞-UI。另外在使用7800与7900时要注意，采用TO-3封装的7800系列集成电路，其金属外壳为地端；而同样封装的7900系列的稳压器，金属外壳是负电压输入端。因此，在由二者构成多路稳压电源时若将7800的外壳接印刷电路板的公共地，7900的外壳及散热器就必须与印刷电路板的公共地绝缘，否则会造成电源短路。 2．应用中的几个注意问题（1）改善稳压器工作稳定性和瞬变响应的措施三端固定集成稳压器的典型应用电路如图3.4.2所示。图3.4.2（a）适合7800系列，UI、UO均是正值；图3.4.2（b）适合7900系列，UI、UO均是负值；其中UI是整流滤波电路的输出电压。在靠近三端集成稳压器输入、输出端处，一般要接入C1=0.33mF和C2=0.1mF电容，其目的是使稳压器在整个输入电压和输出电流变化范围内，提高其工作稳定性和改善瞬变响应。为了获得最佳的效果，电容器应选用频率特性好的陶瓷电容或胆电容为宜。另外为了进一步减小输出电压的纹波，一般在集成稳压器的输出端并入一几百mF的电解电容。

（2）确保不毁坏器件的措施 三端固定集成稳压器内部具有完善的保护电路，一旦输出发生过载或短路，可自动限制器件内部的结温不超过额定值。但若器件使用条件超出其规定的最大限制范围或应用电路设计处理不当，也是要损坏器件的。例如当输出端接比较大电容时（CO＞25mF），一旦稳压器的输入端出现短路，输出端电容器上储存的电荷将通过集成稳压器内部调整管的发射极—基极PN结泄放电荷，因大容量电容器释放能量比较大，故也可能造成集成稳压器坏。为防止这一点，一般在稳压器的输入和输出之间跨接一个二极管（见图3.4.2），稳压器正常工作时，该二极管处于截止状态，当输入端突然短路时，二极管为输出电容器CO提供泄放通路。

（3）稳压器输入电压值的确定 集成稳压器的输入电压虽然受到最大输入电压的限制，但为了使稳压器工作在最佳状态及获得理想的稳压指标，该输入电压也有最小值的要求。输入电压UI的确定，应考虑如下因素：稳压器输出电压UO；稳压器输入和输出之间的最小压差(UI－UO)min；稳压器输入电压的纹波电压URIP，一般取UO、(UI－UO)min之和的10%；电网电压的波动引起的输入电压的变化，一般取UO、(UI－UO)min、URIP之和的10%。对于集成三端稳压器，具有较好的稳压输出特性。例如对于输出为5V的集成稳压器，其最小输出电压UI为：

4.2.2 三端可调集成稳压器 它分为CW317(正电压输出)和CW337(负电压输出)两大系列，每个系列又有100mA、0.5A、1.5A、3A…等品种，应用十分方便。就CW317系列与CW7800系列产品相比，在同样的使用条件下，静态工作电流IQ从几十mA下降到50mA，电压调整率SV由0.1%/V达到0.02%/V，电流调整率SI从0.8%提高到0.1%。三端可调集成稳压器的产品分类见表3-8所示。

CW317、CW337系列三端可调稳压器使用非常方便，只要在输出端上外接两个电阻，即可获得所要求的输出电压值。它们的标准应用电路如图3.4.4所示，其中图3.4.4(a)是CW317系列正电压输出的标准电路；图3.4.4(b)是CW337系列负电压输出的标准电路。CW317、CW337系列三端可调稳压器使用非常方便，只要在输出端上外接两个电阻，即可获得所要求的输出电压值。它们的标准应用电路如图3.4.4所示，其中图3.4.4(a)是CW317系列正电压输出的标准电路；图3.4.4(b)是CW337系列负电压输出的标准电路。在空载情况下，为了给CW317的内部电路提供回路，并保证输出电压的稳定，电阻R1不能选的过大，一般选择R1=100～120W。调整端上对地的电容器C2用于旁路电阻R2上的纹波电压，改善稳压器输出的纹波抑制特性。一般C2的取值在10mF左右。

4.2.3 集成稳压器典型应用实例 1．正、负对称固定输出的稳压电源利用CW7815和CW7915集成稳压器，可以非常方便地组成±15V输出、电流1.5A的稳压电源，其电路如图3.4.5所示。该电源仅用了一组整流电路，节约了成本。

2．从零伏开始连续可调的稳压电源 由于CW317集成稳压器的基准电压是1.25V，且该电压在输出端和调整端之间，使得图3.4.4所示的稳压电源输出只能从1.25V向上调起。如果实现从0V起调的稳压电源，可采用图3.4.6所示的电路。电路中的R2不是直接接到0V上，而是接在稳压管DZ的阳极上，若稳压管的稳压值取1.25V，则调节R2，该电路的输出电压可从0V起调。稳压管DZ也可用两只串联二极管代替。电阻R3起限流作用。

3．跟踪式稳压电源 在有些情况下，有时要求某一电源能自动跟踪另一电源电压的变化而变化。利用两只CW317集成稳压器组成的跟踪式稳压电源如图3.4.7所示。第一级集成稳压器IC1的调整端通过电阻R2接到第二只集成稳压器IC2的输出端，这就限定了IC2集成稳压器的输入—输出电压差。该电压差为：

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