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1、 了解集成电路与运算放大器的一般概况；熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数，掌握其常用的非线性应用。掌握集成功率放大电路知识。第第 3 章模拟集成电路章模拟集成电路3.1 集成电路基本知识 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星
2、、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。 集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路是工业的“食粮”和“原油”。集成电路集成电路: :它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容效应管、二极管、电阻、电容、以及以及它们之间的连线所组成的整个电路它们之间的连线所组成的整个电路集集成成在一块半导体基片上，封装在一个在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定管壳内，构
3、成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为功能的器件，也称为优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了轻、功耗小，实现了元件、电路和系元件、电路和系统统的三结合的三结合返回目录返回目录集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点1. 单个的精度不是很高单个的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致性能比较一致 元器件相互离得很近元器件相互离得很近, ,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都
4、不易制造都不易制造 4.4.电感难于制造电感难于制造, ,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造返回目录返回目录分立电路分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。是由各种单个元件连接起来的电子电路。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。价格低。集成电路分类集成电路分类集成电路集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按集成度按导电类
5、型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟 就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、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（即规模和超大规模（即SSI、MSI、LSI和和VLSI）之）之分。目前的超大规模集成电路，每块芯片上制有分。目前的超大规模集成电路，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）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，有模拟集成电路和和两者兼容的。就功
6、能而言，有模拟集成电路和数字集成电路，而前者又有集成运算放大器、集数字集成电路，而前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。 集成电路剖面结构示意图3.2 集成运算放大器的结构与指标 集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。常见集成电路的封装形式圆壳式圆壳式 双列双列直插式直插式 扁平式扁平式 单列单列直
7、插式直插式 直插式直插式 单列单列扁平式扁平式 各类型号集成芯片各类型号集成芯片 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。差分差分输入输入级级中间放大级中间放大级输出级输出级uiu0 集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但
8、它们的基本组成部分相同，如下图所示：运放的输入级。利运放的输入级。利用差分电路的对称用差分电路的对称特性可提高整个电特性可提高整个电路的共模抑制比和路的共模抑制比和电路性能。电路性能。中间级的主要作中间级的主要作用是提高电压增用是提高电压增益。一般由多级益。一般由多级放大电路组成。放大电路组成。输出级常用电压跟输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低随器组成，以降低输出电阻，提高带输出电阻，提高带负载能力。负载能力。 集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。集成运放的基本结构集成运放的基本结构-UEE+UCCuo u u反相
9、端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级输出级输出级中间级中间级返回返回目录返回目录图示为常用A741集成运放芯片产品实物图A741集成运放的8个管脚排列图如下：12438765调零端调零端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 负电源端负电源端 调零端调零端 输出端输出端 正电源端正电源端 空脚空脚 反相输入端A741集成运放图形符号U0U+U-A741集成运放外部接线图同相输入端12V12V输出端子调零电位器调零电位器 管脚管脚1和和5分别与调零电位分别与调零电位器的两个固定端相连器的两个固定端相连 调零电位器的可调调零电位器的可调端与管脚端与管脚4相连相连65137
10、24运算放大器的符号运算放大器的符号反相反相输入端输入端uO+uu +同相同相输入端输入端信号传信号传输方向输方向输出端输出端+Auo理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数运算放大器的其他符号运算放大器的其他符号 15VI3430PfR815VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2741运放的内部电路图运放的内部电路图 (1)开环电压放大倍数Au0 其数值很高，一般约为1041
11、07。该值反映了输出电压U0与输入电压U和U之间的关系。(2)差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(4)最大共模输入电压Uicmax3.2. 2 集成运放的主要技术指标3.2.2 主要参数主要参数 2. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 1. 开环
12、差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB(7)差模输入电阻ri运放的差动输入电
13、阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(8)闭环输出电阻r0 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。运算放大器传输特性运算放大器传输特性实际运放电压传输特性实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为线称为传输特性传输特性。uO uuOUo(sat)Uo(sat)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 若若Auo = 106 Uo(sat) = 15 V则则 UIM = 0.015 mV运放要工作在线性运放要工作在线性区必须有负反馈。区必须有负反馈。uOu+uuO
14、 = Auo(u+ u )理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据uO uuOUo(sat)Uo(sat)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 因为理想运放因为理想运放Auo 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 所以，当所以，当 u+ u 时，时，uO = +Uo(sat)u+ u 时，时， uO = +Uo(sat)u+ 0 ui = Ui u 时，时， uo = + Uo (sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作，动作，切断电源。切断电源。 温度未超过
15、规定值，温度未超过规定值，Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 *为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得更时信号衰减得更快些，常将两节快些，常将两节RC滤波环滤波环节串接起来，节串接起来，组成二阶有组成二阶有源低通滤波器。源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O
16、3.5.2 1电压电流变换电路电压电流变换电路 2电压电压变换电路电压电压变换电路 利用集成运算放大器具有高输入阻抗、高增益、低温漂的特点，可以较容易地实现电压电流间的相互转换。 在一些基准电压源的应用中，如标准稳压管2CW7C，它的输出电压都是固定的，其值与实际要求的基准电压常常不符。这时便可用集成运放进行变换，以满足实际要求的基准电压值。 3.6 集成功率放大器1. 功率放大器的分类 功率放大电路与电压放大电路没有本质上的区别。它们都是利用放大器件的控制作用，把直流电源的能量转化为按输入信号规律变化的交变能量输出送给负载。所不同的是：电压放大电路的主要任务是不失真地放大信号电压；功率放大电
17、路的主要任务则是使负载得到尽可能不失真的信号功率。功放电路中的晶体管称为功率放大管，简称“功放管”。广泛用于各种电子设备、音响设备、通信及自控系统中。(1)功率放大器按工作状态一般可分为：甲类放大器：这种功放的工作原理是输出器件晶体管始终工作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动，这种功放失真小，但效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用在家庭的高档机较多。乙类放大器：两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号的半个周期内导通，另半个周期内截止。该类功放效率较高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真。甲乙类放大器：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点，被广
18、泛应用于家庭、专业、汽车音响系统中。甲乙类放大器乙类放大器甲类放大器合并式放大器：将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用范围较广。2. 功率放大器的特点及技术指标(1)功率放大器的特点由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因而输出电压和电流的幅度足够大；由于要求输出信号幅度大，通常使三极管工作在极限应用状态，即三极管工作在接近饱和区与截止区的工作状态，因此输出信号存在一定程度的失真。功率放大电路在输出功率的同时，三极管消耗的能量也较大，因此三极管的管耗不能忽视。功率放大电路工作在大信号运用状态，因此只能采用图解法进近估算。(2)功率
19、放大器的技术要求 由于功放的上述特点，因此实用中对功率放大器有一定的技术要求。（1）效率尽可能高 （2）具有足够大的输出功率（3）非线性失真尽可能小 （4）散热条件要好 功放通常工作在大信号情况下，所以输出功率和功耗都较大，效率问题突显。我们期望在允许的失真范围内尽量减小损耗。 为获得最大的功率输出，要求功放管工作在接近“极限运用”状态。选用时应考虑管子的三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO。 处于大信号工况下的管子不可避免地存在非线性失真。但应考虑在获得尽可能大的功率输出下将失真限制在允许范围内。 功放管工作在“极限运用”状态，因而造成相当大的结温和管壳温升。散热问题应充分重视，应采
20、取措施使功放管有效地散热。动画，点击，确定动画，点击，确定 电子课动画集41功放效率.swfOCL原理电路与波形3.6.2 3.6.2 乙类互补对称功率放大器乙类互补对称功率放大器 3.2.1 3.2.1 基本电路结构与工作原理基本电路结构与工作原理 1.电路结构。2.工作原理 由图可知，由图可知，静态时，由于基极没有偏置静态时，由于基极没有偏置I IBQBQ=0=0，I ICQCQ=0=0，VTVT1 1、VTVT2 2处于截止状态。处于截止状态。 动态时，动态时，u ui i为正半周，为正半周，VTVT1 1管导通，管导通，VTVT2 2管截止，产管截止，产生电流生电流i ic1c1自上而
21、下流经负载自上而下流经负载R RL L，形成输出电压，形成输出电压u uo o的正半的正半周。周。 u ui i为负半周时，为负半周时，VTVT1 1管截止，管截止，VTVT2 2管导通，产生电流管导通，产生电流i ic2c2自下而上流经负载自下而上流经负载R RL L，形成输出电压，形成输出电压u uo o的负半周。所的负半周。所以当以当u ui i变化一个周期时，变化一个周期时，VTVT1 1、VTVT2 2管轮流导通，在输出管轮流导通，在输出端获得完整的输出电压波形。端获得完整的输出电压波形。 1.功率计算 Po等于负载RL上的电压有效值Uo与电流有效值Io的乘积。设Uom为输出电压幅值
22、，Iom为输出电流幅值。设Uomax为输出最大电压幅值，则输出功率的一般表示式为， 222omaxCCCESCCLLLLomaxomaxomo o()=22222UUUUUUPU IRRRR 2.效率计算 推导忽略，电源提供的最大功率电源提供的最大功率经分析知：2E(max)L2CCUPR2omLLomomoo o=222UUUPU IRR输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。在理想情况下，电路的最大效率为：在理想情况下，电路的最大效率为： 3. 大功率三极管的极限参数选取大功率三极管的极限参数选取 理论分析表明，乙类互补对称放大电路中功率三极
23、管的极限参数可按以下公式选取：CMom0.2PP(BR)CEO2CCUUCCCMLUIR%5 .78%1004%100EomPP最大效率实际上达不到。有管子压降等原因。最大效率实际上达不到。有管子压降等原因。 3.6.2 3.6.2 实用实用OCLOCL电路电路 电路如图所示。图3.42 OCL互补对称电路 为了消除乙类互补对称电路的交越失真，通常给两个互补管的发射结设置一个略大于死区电压的直流正向偏压，使两管在静态时处于微导通。图3-42所示的电路就是利用二极管VD1，VD2的直流导通压降作为功放管VT2，VT3的基极偏压来克服交越失真，这种工作方式称为甲乙类放大。VT1组成前置放大级，给输
24、出功放级提供足够大的驱动电压电流。二极管VD上的交流压降很小可以忽略。甲乙类功放技术指标的计算方法和乙类功放相同。动画 电子课动画集47交越失真.swf 【例3-7】在上页图3-42所示电路中，已知，VT2和VT3管的饱和管压降，输入电压足够大。试问：（1）最大输出功率和功放效率各为多少？ （2）功放晶体管的最大功耗至少应为多少？ 解：解：（1）要考虑题目给出的饱和压降，实际最大输出功率 ; 效率 （2）忽略饱和管压降。 2CCCESomL()24.5W2UUPRCCCESCC69.8%4UUU2CCCMomL0.20.26.4W2UPPR 互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本互补对称电
25、路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器于省去了变压器而被称为无输出变压器()电路，简称电路，简称OTL电路。若互补对称电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容输出电容(电路，简称电路，简称OCL电电路。路。 OTL电路采用单电源供电，电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源电路采用双电源供电。供电。T1、T2的特性一致；的特性一致；一个一个NPN型、一个型、一个PNP型型两管均接成射极输出器；两管均接成射极
26、输出器；输出端有大电容；输出端有大电容；单电源供电。单电源供电。ui= 02 CCCUu 2CCAUV , IC1 0， IC2 0OTL原理电路原理电路RLuiT1T2+UCCCAuO+ +- -+ +- -RLuiT1T2Auo+ +- -+ +- - 设输入端在设输入端在UCC/2 直流直流基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。 若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。则负载上得到的交流信号正负半周对称。ic1ic2交流通路交流通路uo动画动画-OTL 电子课动画集49-otl功放.swf实用实用(OTL)互补
27、对称放大电路互补对称放大电路OtuiR1iC2RLR3R2D1D2B1B2T1T2+UCCCLAC+ui +uo OtuoiC1OTL电路电路图中两个晶体管图中两个晶体管 T1( (NPN 型型) )和和 T2( (PNP 型型) )的特性基的特性基本相同。本相同。静态时，调节静态时，调节 R3，使，使 A 点的电位点的电位为。为。 CC21U输出耦合电容输出耦合电容 CL 上上的电压也为。的电压也为。CC21UR1 和和 D1 、D2 上的压上的压降使两管获得合适的偏压，降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。工作在甲乙类状态。 对对OTLOTL功放功放，静态时，由于两管静态电流大静态时，
28、由于两管静态电流大小相等、方向相反，所以流过负载的静态电流小相等、方向相反，所以流过负载的静态电流为零。为零。 动态时，由于二极管的动态电阻很小，可动态时，由于二极管的动态电阻很小，可以忽略不计，以忽略不计，其工作原理与其工作原理与OCLOCL基本电路类同，基本电路类同，输出功率、效率、管耗近似相同输出功率、效率、管耗近似相同。 该电路工作在甲乙类状态，为了提高效率，该电路工作在甲乙类状态，为了提高效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类状态。在设置偏压时，应尽可能接近乙类状态。 在输出功率较大时常采用复合管在输出功率较大时常采用复合管复合管的构成复合管的构成ic1= 1 ib1 ,ic2= 2
29、ib2 = 2 (1+ 1 ) ib1,ic = ic1+ ic2 = 1+ 2 (1+ 1 ) ib1 1 2 ib1 方式方式 1ib2= ie1=(1+ 1 ) ib1 ,ib= ib1 ,T1NPNT2NPNibicieBECib bic cieNPN 复合管的电流放大系数复合管的电流放大系数 1 2复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同EBCT2NPNibicieBCEib bic ciePNP 各种复合管是由两个或两个以上的晶体管按照图各种复合管是由两个或两个以上的晶体管按照图3-44所示的方所示的方法构成的一个三端子器件，又称达林顿管
30、。连接时，在串接点应保法构成的一个三端子器件，又称达林顿管。连接时，在串接点应保证电流的连续；在并接点应保证总电流为两管电流的算术和。证电流的连续；在并接点应保证总电流为两管电流的算术和。 4. 功放电路应用实例功放电路应用实例 图3-45为采用复合管组成的由集成运放前置驱动的OTL功率放大器，它又称为准互补对称功率放大器。工作于甲乙类状态。静态时，由VD、R4、R5提供的偏置电压使VT1VT4微导通，输出和负载之间是一个电容C，中点电位为UCC/2，uO0V。R11对运放构成深度负反馈使其工作在放大区。 3.6.4 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器是一种单片集成电路，即把集成功率
31、放大器是一种单片集成电路，即把大部分电路及包括功放管在内的元器件集成制作大部分电路及包括功放管在内的元器件集成制作在一块芯片上。为了保证器件在大功率状态下安在一块芯片上。为了保证器件在大功率状态下安全可靠地工作，通常设有过流、过压以及过热保全可靠地工作，通常设有过流、过压以及过热保护等电路。护等电路。 目前集成功率放大器的型号很多，它们都具目前集成功率放大器的型号很多，它们都具有外接元件少，工作稳定，易于安装和调试等优有外接元件少，工作稳定，易于安装和调试等优点。我们只需了解其外部特性和正确的连接方法，点。我们只需了解其外部特性和正确的连接方法，以下举例简介。以下举例简介。 图3.29 TDA
32、2030外形及管脚排列 1. 集成功放集成功放TDA2030及应用电路及应用电路 图3.29所示的是集成功率放大器TDA2030的外形及管脚排列。其电源电压UCC=618V，输出峰值电流为3.5A。当负载阻抗为4时，输出功率为14W。TDA2030可双电源供电，接成OCL电路，也可单电源供电，接成OTL电路。图3.30所示的应用电路是OCL电路的接法。图3.30 TDA2030应用电路 功放实物解题拓展解题拓展 题3-9 设图3-49中各集成运放均为理想， =0.04 V, = 1 V，问经过多少时间输出电压 将产生跳变，并画出 、 、 的波形图(设 =0 V)。本题练习分析计算多级运放并画出各级输出电压波形。