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1、电子设计技术基础电工电子实验教学中心梁 伟电阻电容电感二极管三极管及MOS管常用数字逻辑芯片常用模拟器件芯片 电子设计的具体对象建立在基础的电子元件上，电子系统就是电子元件的组合。这些元器件包括：电阻、电容、电感、半导体器件、线路板、接插件等等。 以电阻为例，它在线路原理图上就是一个矩形框加上两个引脚，但是真实的电阻器件却是五花八门，种类繁多。 半导体器件则更是随着集成电路技术的发展，出现了多种门类，功能各异的功能器件。 做好电子设计这门功课，必须从基础的起点出发，世界上不存在空中楼阁。要想做好电子设计工作，必须养成细心、耐心的习惯，必须养成细致工作的习惯，凡事从细微处出发，多做事情，多积累理
2、论基础，多接触各类项目及器件，逐渐积累经验。1. 电阻1.1 电阻的种类 根据加工工艺，电阻分为：线绕电阻，薄膜电阻；根据支根据加工工艺，电阻分为：线绕电阻，薄膜电阻；根据支撑材料细节，电阻分为：陶瓷电阻、水泥电阻；根据电阻材料撑材料细节，电阻分为：陶瓷电阻、水泥电阻；根据电阻材料细节，多组分为：碳膜电阻、金属膜电阻；根据焊接工艺，多细节，多组分为：碳膜电阻、金属膜电阻；根据焊接工艺，多组分为：轴向引线电阻、标贴电阻。特殊应用场合又有压敏电组分为：轴向引线电阻、标贴电阻。特殊应用场合又有压敏电阻、热敏电阻及光敏电阻等等。阻、热敏电阻及光敏电阻等等。 这些划分方法，无非都是因为电阻的使用场合不同
3、而已。这些划分方法，无非都是因为电阻的使用场合不同而已。例如，大功率场合一般要用线绕电阻或者水泥电阻；民用电气例如，大功率场合一般要用线绕电阻或者水泥电阻；民用电气在小功率场合一般用碳膜电阻，因为便宜，大概一分钱两个；在小功率场合一般用碳膜电阻，因为便宜，大概一分钱两个；工业场合一般小功率使用金属膜电阻，因为精度高，稳定性好，工业场合一般小功率使用金属膜电阻，因为精度高，稳定性好，一般的一般的1/4W，0.1%精度，精度，25ppm的金属膜电阻价格为五毛钱的金属膜电阻价格为五毛钱一个；部要求体积的设备大多使用轴向引线电阻，精密仪器，一个；部要求体积的设备大多使用轴向引线电阻，精密仪器，小尺寸电
4、路板一般使用表帖电阻。小尺寸电路板一般使用表帖电阻。常见的线绕电阻及电位器，电阻一般使用陶瓷骨架，一般用于功率场合，例如电力设备中的分压电阻。水泥外壳及金属铝外壳线绕电阻，一般用于大功率场合，如串联稳压电源的限流采样电阻。 四环碳膜电阻和五环金属膜电阻一般为1%精度，碳膜电阻一般用于廉价民品，如收音机，金属膜用于工业品，如汽车电子。老式精密线绕电阻，精度0.050.01%，温度系数小于5ppm。用于精密仪器的模拟电路,如精密温控仪器。EE型超精密电阻，精度0.050.01%，温度系数小于5ppm。用于精密仪器。各种尺寸精密表贴电阻，用于小型精密仪器。多尺寸普通贴片电阻，缩小设备体积。贴片电阻的
5、包装形式，带装，每盘5000只，尺寸为1206，功率为1/16W常见两种NTC负温度系数热敏电阻，一般用于引用测温或者电路的温度补偿。自恢复保险丝（PTC正温度系数热敏电阻）压敏电阻，用于瞬间释放电源尖峰能量，过压保护。1.2 电阻的阻值标示方法1.2.1 直接数字表示 一般用于功率电阻、线绕精密电阻等，直接印刷阻值及精度。 例如：一个电阻上印刷有：8W 1K J，则表示这个电阻的最大容许功率为8瓦，阻值是1000欧姆，具体的精度是5%。1.2.2 间接数字表示 采用一组数字串标志阻值，一般为3个阿拉伯数字，前两位是绝对值，后一位是10的幂次，单位是欧姆。电容也常用此方法表示，单位为皮法。 例
6、如：一个电阻上，等行为贴片电阻印刷电阻值为104，则这个电阻为10K1.2.3 色环表示 在小型轴向出线电阻上，印刷字体比较困难，一般采用色环来标志阻值，碳膜常用4环，金属膜常用5环。常用颜色：棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑、银、金这12中颜色。色环中1环表示精度，其它表示阻值。1.识别顺序色环电阻是应用于各种电子设备的最多的电阻类型，无论怎样安装，维修者都能方便的读出其阻值，便于检测和更换。但在实践中发现，有些色环电阻的排列顺序不甚分明，往往容易读错，在识别时，可运用如下技巧加以判断： 技巧1：先找标志误差的色环，从而排定色环顺序。最常用的表示电阻误差的颜色是：金、银、棕，尤其是金环
7、和银环，一般绝少用做电阻色环的第一环，所以在电阻上只要有金环和银环，就可以基本认定这是色环电阻的最末一环。 技巧2：棕色环是否是误差标志的判别。棕色环既常用做误差环，又常作为有效数字环，且常常在第一环和最末一环中同时出现，使人很难识别谁是第一环。在实践中，可以按照色环之间的间隔加以判别：比如对于一个五道色环的电阻而言，第五环和第四环之间的间隔比第一环和第二环之间的间隔要宽一些，据此可判定色环的排列顺序。 技巧3：在仅靠色环间距还无法判定色环顺序的情况下，还可以利用电阻的生产序列值来加以判别。比如有一个电阻的色环读序是：棕、黑、黑、黄、棕，其值为：10010000=1M误差为1，属于正常的电阻系
8、列值，若是反顺序读：棕、黄、黑、黑、棕，其值为140100=14k，误差为1。显然按照后一种排序所读出的电阻值，在电阻的生产系列中是没有的，故后一种色环顺序是不对的。环颜色银金黑 棕 红 橙 黄 绿兰紫灰 白有效数字0123456789数量级10-210-110010 110210310410510610710810 9允许偏差（）10512 0.5 0.250.1色环含义：四色环电阻： 第一色环是十位数，第二色环是个位数，第三色环是应乘颜色次幂颜色次，第四色环是误差率。五色环电阻： 最后一环为误差，前三环数值乘以第四环的10颜色次幂颜色次，第一色环是百位数，第二色环是十位数，第三色环是个位数
9、，第四色环是应乘颜色次幂颜色次， 第五色环是误差率 。4环电阻为碳膜，阻值为22欧姆，精度为5%五环电阻的阻值为27欧姆，精度为1%。排阻，上图是7个电阻，公用一个公共端子。一般用于上拉，公共驱动。有4、5、6、7、8等组合电阻主要特性参数总结： 1、标称阻值：电阻器上面所标示的阻值。 2、允许误差：标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差，它表示电阻器的精度。 允许误差与精度等级对应关系如下：0.5%-0.05、1%-0.1(或00）、2%-0.2(或0）、5%-级、10%-级、20%-级 3、额定功率：在正常的大气压力90-106.6KPa及环境温度为5570的条件下，电阻
10、器长期工作所允许耗散的最大功率。 线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、10、16、25、40、50、75、100、150、250、500。 非线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、5、10、25、50、100 4、额定电压：由阻值和额定功率换算出的电压。 5、最高工作电压：允许的最大连续工作电压。在低气压工作时，最高工作电压较低。 6、温度系数：温度每变化1所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的为正温度系数，反之为负温度系数。 7、老化系数：电阻器在额定功率长期负荷下，阻
11、值相对变化的百分数，它是表示电阻器寿命长短的参数。 8、电压系数：在规定的电压范围内，电压每变化1伏，电阻器的相对变化量。 9、噪声：产生于电阻器中的一种不规则的电压起伏，包括热噪声和电流噪声两部分，热噪声是由于导体内部不规则的电子自由运动，使导体任意两点的电压不规则变化。2. 电容 常用电容有无极性与有极性两大类，后者可以做到比较大的容量，比如当前的所谓超级电容。2.1 电容的主要特性参数2.1.1 容量与误差 实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。一般分为3级：I级5%，II级10%，III级20%。在有些情况下，还有0级，误差为20%。 精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较
12、大，它们采用不同的误差等级。 常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D005级0.5%；F01级1%；G02级2%；JI级5%；KII级10%；MIII级20%。2.1.2 额定工作电压 电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。2.1.3 温度系数 在一定温度范围内，温度每变化1，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。2.1.4 绝缘电阻 用来表明漏电大小的。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。2.1.5
13、损耗 在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。2.1.6 频率特性 电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。 不同品种的电容器，最高使用频率不同。小型云母电容器在250MHZ以内；圆片型瓷介电容器为300MHZ；圆管型瓷介电容器为200MHZ；圆盘型瓷介可达3000
14、MHZ；小型纸介电容器为80MHZ；中型纸介电容器只有8MHZ。2.2 无极性电容 这类电容就是两个箔型极板加上电介质材料。常见的卷起来的圆筒，或者方筒。单绕的可能有电感效应，双绕的没有电感效应，电容还有电阻效应。衡量一个无极性电容的指标很多。 薄膜电容，一般具有比较好的特性，多数用来做积分电容、EMI电磁兼容滤波电容。标记方法同电阻，单位默认为pf，后缀加n则为nf。1nf=1000pf直插式独石电容与贴片式独石电容，注意贴片式电容一般无任何标记！一般用于高频信号、高频滤波，价格中等。最廉价的是瓷片电容，用于民用电器。2.3 电解电容直插及表帖的铝电解电容。 直插及表贴的钽电解电容。特点是耐
15、储存，稳定性远优于铝电解电容。缺点是成本高，一般不做大容量。一般用于精密工业设备。 超级电容，特点是容量大，放电快，放电大电流。某些时候可以部分替代电池的功能。3. 电感3.1 电感的种类电感普遍是线圈类型，小的容量采用空心，一般用于高频电路。其它一律使用磁芯材料做骨架，极少会使用铁芯做骨架。3.2 电感器的主要参数 电感器的主要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分布电容及额定电流等。3.2.1 电感量 电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。 电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量
16、就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。 电感量的基本单位是亨利（简称亨），用字母“H”表示。常用的单位还有毫亨（mH）和微亨（H），它们之间的关系是：1H=1000mH；1mH=1000H。3.2.2 允许偏差 允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高，允许偏差为0.2%0.5%；而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高；允许偏差为10%15%。3.2.3 品质因数 品质因数也称Q值或优值，是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比
17、。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。3.2.4 分布电容 分布电容是指线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感器的分布电容越小，其稳定性越好。3.2.5 额定电流 额定电流是指电感器有正常工作时反允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流，则电感器就会因发热而使性能参数发生改变，甚至还会因过流而烧毁。4. 二极管 二极管在结构上就是一个PN结。因为制造材料和用途的不同，又可能分为整流管、高速开关二极管、LED等等。 常见的普通交流整流二极管IN4007，6A10。主要用于中小功率整流，
18、一般用于400Hz以下的频率。使用中主要考虑耐压和最大电流两个指标。 大功率整流二极管，螺栓结构。一般电流可以达到200A以上。主要用于工业应用，例如电镀系统的整流。电镀系统使用几万安培的电流时很普通的事情。 高速开关二极管，上图1N4148高速开关管（100mA/100V），主要用于信号处理及小功率整流应用，例如甲流信号精密整流电路。 高速肖特基整流二极管，上图为1N5822（2A，50V）。主要用于开关电源输出整流或者DC/DC系统中作为续流使用。 整流桥，本图均为4个二极管的全桥结构。 三相整流桥，用于电力电子系统整流。同时使用三相电，保证用户负载平衡。表面贴装二极管，各种二极管均有此种
19、封装形式。 目前常用的二极管均为硅材料为主导的产品。 一般的整流管、高速开关管、高速二极管的PN结正向压降均为典型的0.60.8V。 高速肖特基二极管的管压降则比较低，典型的为0.10.3V。这个特点是它在低压整流电路中能够具有比较高的工作效率。 所有半导体二三极管均不支持长时间过流，容易造成永久损坏。一般使用中必须考虑它的耐压参数及电流参数，建议使用中留有一半的余量。同时尽管二极管允许瞬间10100倍的过流，但是必须参照手册规范来使用。 包括电阻、电容、电感、二极管等器件，手册中常给出最大极限工作参数。但是务必注意，在极限工作参数下，不保证长期正常工作，不保证使用寿命！ 还有一类特殊的二极管
20、，就是发光二极管，即LED。 红、黄、黄绿为常规类型，历史较长，管压降1.82.2V；纯绿、纯蓝、白（篮管+荧光粉），管2.83.2V；红外发光LED的管压降为0.81.2V。一般均不支持较大的反相电压，反相加电压容易损坏。 目前比较时髦的一个行业就是LED照明，实际大量使用白光LED。相关的LED、驱动电路等产业比较热门。多种LED产品5. 三极管及MOS管 三极管为电流控制器件，有PNP，NPN两种结构；前者需要拉电流（向外流）的基极控制，后者为灌电流控制。如果集电极电阻负载固定，当基极电流足够大时，管子进入饱和状态，VCE接近于零，但是这个电压一定存在。使用它一般必须配置基极限流电阻！I
21、E=*IB。 常见的中频小功率硅管S8050，结构为NPN，VCE耐压50V，IC最大300mA。主要用于信号处理，小功率驱动，如继电器驱动等场合。类似的产品还有S9013。各种封装中等功率三家管。主要用于中功率开关驱动，例如开关较大的电机负载，DC/DC开关电路，音频功率放大器等。 MOS管为电压控制器件，主要划分为结型，绝缘栅型。 场效应管的类型包括结型和绝缘栅型。 在一块N型(或P型)半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P型区(或N型区)，就形成两个不对称的PN结。把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅极(g)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极(s
22、)和漏极(d)。夹在两个PN结中间的N区(或P区)是电流的通道，称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道(或P沟道)结型场效应管。分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管两种。绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）； 所谓的“耗尽型场效应管”就是当Ugs=0或者栅极悬空时，漏、源极饱和导通，当Ugs小于零变负时，漏、源极逐渐趋于截止，最典型的就是结型管如3DJ6等，如果有的话您可以自己测测，栅极悬空，用指针表测漏、源极电阻时很小，当Ug低于U
23、s时，漏源极间的电阻增大. 利用这个特性，在源极接个电阻，再把栅极接在这个电阻的尾端就组成了简单的恒流源。 增强型一般有N，P沟道两种，分别使用高电平和低电平控制开启。当电平足够足够高时完全导通。表现特征为RSD电阻为管子设计的固定值，可以小到几个毫欧姆。通过的电流可以达到几十或者上百安培。目前使用较多，主要用于开关功率器件、DC/DC及同步整流等场合。6. 常用数字逻辑芯片 随着数字集成电路在电子产品中的大量应用，它们不断被标准化，最终形成了标准的系列产品。对于正逻辑数字集成电路，有两大系列产品，即TTL和CMOS标准数字集成电路，它们都属于中小规模集成电路，这些产品几乎涵盖了所有的数字逻辑
24、功能，因此获得了非常广泛的应用。 6.1 TTL系列 TTL系列集成电路是经典的标准逻辑电路，它经常被笼统地称为74系列集成电路，军品则称为54系列。实际上，TTL电路经过几十年的发展，已经形成了多个不同性能的系列产品。最早的TTL电路是双极型器件，如：7400，是一片包含四个二输入端与非门的标准数字电路。随着集成电路工艺的发展，稍后出现了74LS系列产品，称为低功耗肖特基电路，如：74LS00，它与7400的功能完全相同，只是速度得到提高，功耗反而降低。随着CMOS工艺的发展，又出现了CMOS工艺制造的74HC系列、74AHC系列等产品，见下表，以TI公司的产品为例，以7400为基准，罗列出
25、了目前所有种类74系列电路的基本指标。在实际的设计和应用中，设计者已经越来越多地选择使用CMOS工艺的74系列逻辑电路产品了。电路型号产品系列工作电压（V）生产工艺典型传输速度（ns）最大驱动电流（-IOH/IOL，mA）工作温度范围（）备注SN74005双极20IOL：24070标准TT器件SN74LS00低功耗肖特基5双极10-15/24070与TTL器件完全兼容SN74ALS00先进的低功耗5双极10-15/24070与TTL器件完全兼容SN74F00高速逻辑5CMOS65-15/64070与TTL器件完全兼容SN74HC00高速CMOS逻辑27CMOS25-8/8-4085SN74HC
26、T00高速CMOS逻辑5CMOS25-8/8-4085输入与TTL电平兼容SN74AHC00先进高速CMOS逻辑25CMOS85-8/8-4085SN74AHCT00先进高速CMOS逻辑5CMOS85-8/8-4085输入与TTL电平兼容SN74AHC1G00先进高速CMOS逻辑5CMOS85-8/8-4085输入与TTL电平兼容，单门。6.2 CMOS系列 CMOS系列数字集成电路包含CD4000系列和CD4500系列电路，它是随着CMOS工艺的不断成熟而发展起来的。CMOS电路具有电源范围宽和功耗低等许多特点，因此发展速度很快，尤其在便携式电子产品中获得了广泛应用。其实在上表中已经能够看到
27、，即使是TTL电路，也已经逐步CMOS化了。CMOS电路的产量早已经超过TTL电路，CMOS工艺集成电路主要具有以下优点。1、功耗低、功耗低 CMOS电路为电压控制器件集成，因此静态功耗极低，对于CD4069这样的六反相器门电路，VDD=5V时，功耗小于5W。2、工作电源电压范围宽、工作电源电压范围宽 CD4000系列和CD4500系列电路的供电电源范围为318V，74HC系列电路电源为26V。由于电源范围极宽，因此选择供电电源非常方便，对供电电路要求低，甚至可以使用未加稳压的电源。采用CMOS道路的逻辑系统可以大大简化电源设计，有利于降低系统成本。加之CMOS电路的低功耗特性，目前许多电池供
28、电的设备普遍采用CMOS器件。3、抗干扰能力强、抗干扰能力强 CMOS集成电路的电压噪声容限典型值可以达到电源电压的45%；保证值也可以达到30%，而且随着电源电压的增加，噪声容限电压绝对值增加，高低电平的噪声容限完全相等，而TTL电路的噪声容限只有0.8V。4、输入阻抗高、输入阻抗高 CMOS电路的输入端一般是由保护二极管和串联电阻组成的保护网络，正常电压范围内，它们都处于反相偏置状态，而CMOS的输入都是电压控制器件，阻抗都大于100M。因此驱动CMOS电路所需功耗甚微，与单片机、其它集成电路或分立元件接口连接十分方便。5、温度范围大、温度范围大 由于CMOS电路功耗低，内部发热小，同时电
29、路具有互补作用，电路在很宽的温度范围内都可以正常工作，塑料封装的芯片可以在汽车级的范围工作，即-40+85。而陶瓷金属封装的电路则可以在军品温度范围工作，即-55+125。 6、抗辐射能力强、抗辐射能力强 MOS晶体管是一种多数载流子受控的器件，射线辐射对载流子的浓度影响不大，同时因为CMOS器件还具有使用温度范围宽的特点，因此CMOS器件特别适用于设计军工、航天和核试验条件下的设备。 对于不同的应用场合，设计者可以根据实际情况和自身的设计习惯选择使用74系列或者CD4000和CD4500系列器件，也可以不同系列器件混合使用，以组合出单芯片不具备的功能。74系、CD4000和CD4500系列器
30、件涵盖了几乎所有的数字逻辑功能。 尽管目前已经大量使用可编程逻辑器件（PLD、CPLD、FPGA），但是在低成本，简单逻辑场合，仍旧大量使用这些常规电路。CMOS逻辑的器件使用机会越来越大。7. 常用模拟芯片7.1 常用运算放大器 运算放大器是智能测控电子产品不可缺少的基本电路。根据实际仪器设备的功能与要求的不同，对放大器也有不同的要求，如增益的高低，失调的大小，频带的宽窄，输入阻抗的高低，供电范围的大小等等。而实际上，放大器的参数远不止这些，要选择合适的运算放大器，应该对它的主要指标有所了解。放大器的参数虽然有很多，但是放大器类型的选择取决于最关键指标。例如，如果为交流应用而选择一种高输入阻
31、抗的放大器，那么它的失调电压及温漂指标可能就比偏置电流的重要性小的多，而它们与带宽相比则可能都不主要了；再如，如要测量一个高源内阻的微弱直流信号，则失调电压及其温漂与输入阻抗是最重要的指标。真实世界的运算放大器永远也达不到理想放大器的指标，因此对于不同的应用，人们设计出了很多种类的放大器芯片，我们可以根据实际需要来选择。7.1.1 双极型放大器1、OP07 高水平的双极型放大器，典型代表就是OP-07。它使用正电源控制通过1、5脚调零。OP-07管脚封装见图1-4，它的性能指标比741有很大幅度的提高，具体为：输入失调电压：典型为60V，最大150V输入失调电压温漂：最大2.5V/C输入偏置电
32、流：典型2nA，最大9 nA输入阻抗：典型30 M，最小7M共模输入电压：14V共模抑制比：110db转换速率：0.3V/s稳定时间：0.5s电源电压范围：3V18V2、LM358 在一个芯片里封装有有多个放大器的产品，典型的双运放就是LM358。如图，它在一个8脚芯片里封装了两个放大器，没有引出调零端。它的特点是单电源工作，输入和输出都可以接近到地电位，同时它具有微功耗的特点。具体性能指标如下：输入失调电压：典型为3mV，最大6mV输入失调电压温漂：最大7V/C输入偏置电流：典型50nA，最大150 nA共模输入电压：0VCC-1.5V共模抑制比：80db转换速率：0.3V/s稳定时间：0.
33、3s电源电压范围：3V32V，可双电源供电电源电流：双运放典型1mA，最大2mALM358实际由三个系列产品组成，即：LM158、LM258和LM358，它们分别是军品级、工业品级和民品级别的产品。主要区别在于使用的温度范围上，军品为-55125；工业品为-4085；民品为070。图1-3 LM324芯片顶视图由于358放大器的低功耗、单电源供电和廉价的特点，使它获得了广泛的应用，尤其在民用电子产品中至今仍有大量的应用。7.1.2 JFET型放大器1、LF356 双极型放大器由于使用电流发达器件做输入端，因此它的输入阻抗必然不会太大，在一些高阻信号源的应用中受到限制，例如检测压电器件的电荷量或
34、者检测PH计的玻璃电极信号。这时，使用场效应管输入端的放大器就能够解决问题。 早期典型的场效应管输入端的放大器是LF356，它管脚与741完全兼容，但使用正电源调零。输入失调电压：典型为3mV，最大7mV输入失调电压温漂：最大5V/C输入偏置电流：典型20 pA，最大100 pA输入阻抗：1012 M共模输入电压：12V共模抑制比：100db转换速率：12V/s电源电压范围：5V22V电源电流：典型5mA，最大7mA7.1.3 精密放大器 对于很多小信号的放大，OP-07运放也显得不够精密，这时可以选用OP-27A这类高精密的运算放大器。OP-27A也是标准8脚封装的，管脚OP-07兼容，都使
35、用正电源调零，具体性能指标如下：输入失调电压：典型为10V，最大25V输入失调电压温漂：最大1V/C输入偏置电流：典型10nA，最大40 nA输入阻抗：典型6 M，最小1.3M共模输入电压：12V共模抑制比：120db转换速率：2.8V/s电源电压范围：3V18V OP-27的显著特点就是极低的输入失调电压及失调电压温漂，类似的精密高性能放大器还有OP37、OP-177、AD707等。7.1.4 轨到轨放大器 Rail to Rail 的中文含义是轨到轨输出的意思。普通的运算放大器的输出是达不到电源值附近的，一般要低于电源1.5V左右，对于目前低压电池供电的系统而言，需要运算放大器具有低压单电
36、源工作的能力，同时还要求它在有限的电源范围内具有尽可能大的输出摆幅。需求促进了半导体工艺的发展，目前已经有大量的运算放大器具有Rail to Rail 的能力。上面已经提到TLC4501的就具有Rail to Rail输出能力，常用的此种放大器有许多，典型的如：TLC2252和TLC2254，它们分别是单运放和四运放，管脚与LM358及LM324兼容。 TLC2252是德州仪器公司先进的LinCMOSTM工艺制造的双路运算放大器，它具有满电源电压幅度输出特性，即Rail to Rail 输出能力。同时，它具有比现有的CMOS运算放大器更好的失调电压指标及功耗指标，TLC2252的性能指标如下：
37、输入失调电压：典型200V，最大1500V输入失调电压温漂：最大0.5V/C输入偏置电流：典型1pA输入阻抗：1012共模输入电压：04V7.1.5 仪表放大器 由于现场存在各种干扰，尤其是共模干扰比较严重，所以普通单端运算放大器无法对信号进行准确的放大。设计者经常采用典型的三运放结构来设计高输入阻抗和高共模抑制比的差动输入放大器，这样做电路比较复杂，目前已经有许多成品的差动输入放大器，它们的内部结构就是典型的三运放结构，可以直接使用。具体的芯片型号有INA118、AD623和AD627等。它们作为精度高、频带宽、共模抑制比高的新型仪表放大器很适合用来完成信号放大的任务，以下以INA118为例
38、说明它们的芯片引脚和功能。首先介绍管脚功能：1脚：反馈电阻连接端2脚：反相输入端3脚：同相输入端4脚：负电源或者地5脚：输出基准端6脚：输出7脚：正电源8脚：反馈电阻连接端 使用时，在1、8脚之间接入一只反馈电阻Rg来调整增益，具体Rg=50k/(G1)。REF端可以接入一个参考电位，能够使输出平移，在单电源的应用中非常有用，如果输出以地为基准，则此脚接地。具体性能指标如下：最大偏移电压：50V最大温漂：0.5V/图1-9 LOG102顶视图最大输入基极电流：5nA最小共模抑制比：110dB输入过压保护电压：40V电源电压：1.35V18V，可以单电源工作电源电流：350A带宽：单位增益时为8
39、00kHz增益设置范围：11000稳定时间：单位增益时为25s过载恢复时间：20s工作温度范围：4085封装形式：8脚DIP或SO。 7.1.6 高速放大器 在视频应用、移动通讯、图像采集、超声波处理及雷达信号处理领域，必须使用高速放大器来放大和处理信号。一般的高速放大器都采用电流反馈形式，AD8099就是ADI新推出的一款高速放大器，具有较高的性能指标，具体应用请参见ADI网站上的应用笔记。主要性能指标如下：失调电压：最大0.5mV典型失调温漂：2.5V/典型输入电流：-6A输入阻抗：4K失真：-90 dB，在10 MHz基频条件下-3db带宽：700MHz（增益G=2）转换速率：700 V
40、/s（增益G=2）电源电压：5V6V电源电流：15mA工作温度范围：401257.1.7 可控增益放大器 对于许多智能仪器，经常要面对多种量程的信号输入，因此需要前置放大器具有可变增益的功能。目前有两类芯片支持这种功能，既软件程控方式和模拟电压压控方式。 AD603是一款ADI公司的压控可变增益高速放大器，使用模拟电压进行线性的对数增益控制。广泛应用于RF/IF的AGC（自动增益控制）放大器、视频增益控制、A/D转换器量程扩展及信号测量等领域。主要特点有： 在90 MHz带宽下，在11 dB +31 dB 范围可控增益；在9 MHz带宽下，在1dB +31 dB 范围可控增益；在30 MHz带
41、宽下，在1 dB +41 dB 范围可控增益。控制电压为差动方式。常用运算放大器简单总结 失调电压、失调电压温漂、输入阻抗、单位增益带宽、共模抑制比等指标是衡量运放的主要指标，但是在低功耗系统中，单个运算放大器的静态电流也是一个重要指标。 例如：常用的单电源双运放芯片LM358，它的典型功耗是0.7mA，而MCP6002芯片的典型功耗仅为0.1mA。同时，后者还是目前流行的轨到轨输出形式，唯一的不同是324支持336V的供电范围，6002仅支持1.85.5V，而这个范围恰好是微功耗系统的常用电源范围。6002还具有324没有的高阻抗输入特点，输入电流仅1pA。实际上，我们也可以购买象MCP60
42、01这样的单个运放，它的静态功耗是6002的一半，同时采用SOT-23-5小型封装，占用空间极小！ 必须熟练使用：反相放大器（包含加法用法）、同相放大器、差动放大器（包含多组信号加减法）。必须了解仪用差动三运放原理，熟悉地形集成仪用放大器AD620之类产品特性。必须理解单端信号与差动信号的概念；必须理解串模与共模干扰的特性与区别；必须理解单端放大与差动放大的使用对象！7.2 基准源芯片 在高精度的数字测量及输出电路中，A/D或D/A转换器的精度都依赖于它的基准参考电压，基准源是一类专用的芯片。选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指
43、标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪音等指标。 早期的稳压期间是齐纳二极管，尽管它在电路中可以作为稳压器件使用，但是要作为系统的基准源还是不可以的，原因是它的温度系数过大，达到2mV/，同时它的负载调整率也很差。通过一些补偿的方法，早期的设计人员还是设计出了一些齐纳式基准，比如国产的2DW7就是采用了双齐纳管反相串联的补偿方法，用硅二极管的正向-2mV/的温漂和齐纳击穿的正温漂进行补偿。还有NSC的LM399，是采用了90温度稳定的方法来设计基准源，能够获得1ppm/的稳定性，但是缺点是功耗太大，尤其是在现代的便携式设备中根本
44、不可能使用。 目前常用的基准源都属于带隙原理，依据半导体物理学理论，具体是设计的两个配对晶体管T1和T2，利用T1的基极发射极电压Vbe1和晶体管T2的基极发射极电压Vbe2的互补作用，其中一个电压的温度系数是正的，另一个的负温度系数是负的，两者之和的温度系数接近于零。实际上输出电压的温度系数不可能为零。IC设计、封装和制造测试都会影响输出电压的温度系数，通常温度系数可以达到5到100ppm/，目前高水准的带隙基准能够达到1 ppm/。下面对几种常用的带隙基准源做一下简单介绍。 例如，2.5V的基准芯片就有MC1403、LM336-25、LM385-25、ISL60002-25等。 温度系数指标均为20ppm/的LM336-25静态电流0.4mA，而ISL60002-25静态电流仅需要0.4A。