第6章半导体集成电路

第6章半导体集成电路内容摘要：

（ 6） CMOS型 555时基电路的驱动能力差，输出电流仅为 1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达 200mA。 555时基电路的应用 555时基电路大量应用于电子控制 、 电子检测 、 仪器仪表 、 家用电器 、 音响报警 、 电子玩具等诸多方面。 可用作振荡器 、 脉冲发生器 、 延时发生器 、 定时器 、 方波发生器 、 单稳态触发振荡器 、 双稳态多谐振荡器 、 自由多谐振荡器 、 锯齿波产生器 、 脉宽调制器 、 脉位调制器等许多资料都进行了详细介绍。 集成运算放大器 集成运算放大器的概念 1． 集成运算放大器的定义 集成运算放大器 （ 简称集成运放或运放 ） 是由制作在一块硅片上的 、 完整的 、 直接耦合的多级放大电路而组成的高增益放大器。 由于它在发展初期 ， 主要用于模拟运算 ， 如进行加法 、减法 、 积分和微分等各种数学运算 ， 故称为运算放大器。 目前 ， 运算放大器的应用已远远超出了数学运算的范围 ， 而渗透到了电子学的各个方面。 如信号处理 、 电源稳压 、 有源滤波 、信号产生 、 模数转换和数模转换等。 2． 集成运算放大器的组成 集成运算放大器一般由输入级 、 中间级 、输出级和偏置电路四部分组成。 输入级 中间级 输出级 偏置电路 输入级的作用要提供与输出级同相 、 反相关系的两个输入端 ， 同时能有效地抑制零点漂移 ， 有较高的输入电阻并具有一定的放大倍数。 因此 ， 大多采用带恒流源的差动放大电路。 中间级要有足够高的电压放大倍数 ， 是运算放大器开环增益的主要提供者。 大多采用多级带有源负载的共射级基本放大电路或复合管共射电路。 输出级要给负载提供一定的输出电压和输出电流。 为提供带载能力 ， 大多采用射极跟随器或互补对称输出电路。 偏置电路给各级提供偏置电流 ， 由电流源电路构成。 另外 ， 电路还包括一些其它的辅助环节。 如电平移动电路 、 过载保护电路等。 3． 集成运算放大器的符号 集成运算放大器的符号表示见图。 它由两个输入端和一个输出端。 两个输入端分别称为同相输入端和反向输入端。 + _ 集成运算放大器的分类 集成运算放大器的种类很多 ， 目前尚无统一的划分标准 ， 一般根据其用途的不同可以分为以几种。 1． 通用型集成运算放大器 –通用型集成运算放大器的性能指标适合于一般性的使用 ， 重点强调性能价格比 ， 各项技术参数较为均衡。 其产品数量大 ， 应用范围广 ， 价格便宜。 目前使用最多的是 LM741 系列 、RC4558 系列 、 LM324 系列 、 TL081 系列 、TL082系列以及 TL084系列等。 2． 低功耗型集成运算放大器 低功耗型集成运算放大器重点强调的是静态功耗要小。 其特点为： （ 1） 静态功耗通常比通用型集成运算放大器低1~2个数量级。 （ 2） 既可以在很低的电源电压下工作 ， 如电池供电场合 ， 也可以在标准电源范围内工作。 （ 3） 在很低的电源电压下工作时 ， 不仅其静态功耗低 ， 而且能保证具有良好的电性能 ， 克服了通用型集成运算放大器在低电源电压下性能变坏的缺点。 3． 高精度型集成运算放大器 高精度型集成运算放大器重点强调的是温度系数 、 噪声 、 电压增益和共模抑制比 ，要求输入失调电压和输入失调电流随温度 、时间 、 电源电压的变化漂移要很小 ， 而电压增益和共模抑制比要高。 故有时也将高精度集成运算放大器称为低漂移集成运算放大器和低噪声集成运算放大器。 4． 高速型集成运算放大器 高速型运算放大器的主要电参数是指交流电参数 ， 如单位增益带宽 、 开环带宽 、 转换速率 、 功率带宽以及建立时间等。 其转换速率都在几百伏 /微妙以上 ， 仅少数在50V/μs左右 ， 有的可达到 1000V/μs以上。 5． 宽带型集成运算放大器 宽带型集成运算放大器同高速集成运算放大器有相类似的电特性。 只不过是后者对速度要求较严 ， 前者对带宽要求较严。 6． 高压型集成运算放大器 高压型集成运算放大器重点强调的是高电源电压 、 大动态范围和功耗。 即高压型集成运算放大器是为解决高输出电压或高输出功率的要求而专门设计的。 其允许的供电电压一般在 177。 30V以上 ， 输出峰峰电压也在 177。 30V左右或以上。 采用场效应管作为输入级可将耐压提高到 150V、 240V， 甚至300V。 7． 高阻型集成运算放大器 高阻型集成运算放大器的输入电阻要求在10 12Ω左右。 它一般有两种结构。 一种是由结型场效应晶体管 （ JFET） 作为差分输入级的集成运算放大器 ， 另一种是由 MOS场效应晶体管 （ MOSFET） 和双极型晶体管（ BJT） 构成的单片相容的集成运算放大器。 此外也还有全集成运算放大器 （ 包含NMOS、 PMOS、 CMOS）。 8． 功率型集成运算放大器 功率型集成运算放大器的允许供电电压较高 ， 输出电流较大。 9． 跨导型集成运算放大器 跨导型集成运算放大器的主要功能是将输入电压转换为电流输出 ， 并通过外加偏置电压控制集成运算放大器的工作电流 ， 从而可以使其工作电流可以在较大的范围内变化。 10． 程控型集成运算放大器 程控型集成运算放大器大多属于低功耗集成运算放大器 ， 即可在低电源电压下工作 ，也可在标准电源电压下工作 ， 其电源电压的变化范围为 177。 ~177。 22V左右。 通过外接程控偏置电阻可实现电压增益 、 增益带宽乘积 、 转换速率 、 电源电流 、 输入偏置电流 、 输入失调电压和输入失调电流的程控 ，以适应具体电路环境的要求。 11． 电流型集成运算放大器 电流型集成运算放大器也称为诺顿放大器 ，其主要特点是电流差动输入 ， 而不象大多数集成运算放大器那样 ， 采用电压差动输入。 电流型集成运算放大器电源电压变化范围宽 ， 且单电源和双电源均可稳定工作 ，比一般的通用型集成运算放大器输入偏置电流要小 ， 频带要宽 ， 输出幅度要大。 其应用也较广泛 ， 可用于视频放大 ， 有源滤波 、 波形生成等场合。 此外，集成运算放大器还有程控型、电压跟随型等多种。 集成运算放大器的主要参数 为了表征集成运算放大器在各个方面的性能指标 ， 常用以下几种参数。 1． 开环电压增益 Aod – 在标称电源电压和规定负载电阻下 ， （ 通常规定负载电阻为 2k） ， 集成运算放大器在开环（ 无外加反馈回路 ） 状态下 ， 输出电压变化与输入差模电压变化之比 （ 称为差模电压放大倍数 ） ， 称为开环电压增益。 它反映了集成运算放大器的放大能力。 性能较好的集成运放的 Aod可达 140dB, 理想集成运放为无穷。 2． 静态功耗 Po – 集成运算放大器在标称电源电压下 ， 输入信号为零且不接负载电阻时的功耗值 ， 称为静态功耗。 3． 共模抑制比 KCMR – 集成运算放大器差模电压增益与共模电压增益之比 ，称为共模抑制比 ， 常用分贝数表示。 性能好的运放其共模抑制比可达到 120 dB以上 ， 理想运放趋于无穷大。 4． 差模输入电阻 rid – 集成运算放大器开环时 ， 差模输入电压的变化与对应的输入电流的变化之比 ， 称为差模输入电阻。 性能好的运放 rid在 1MΩ 以上 ， 理想的 rid 为无穷大。 5． 输入失调电压 UIo – 在标称电源电压下 ， 为使集成运算放大器输出电压为零 ， 需要在输入端加一直流补偿电压。 此外加的补偿电压称为输入失调电压。 它是反映差分放大器对称程度的一个参数。 6． 输入失调电压的温漂 dUIo/dT – 在规定的环境温度范围内 ， 单位温度变换所引起的输入失调电压的变化量 ， 称为输入失调电压的温漂（ 或称为输入失调电压的温度系数 ）。 其数值越小 ，表示运放的温漂越小。 7． 输入失调电流 IIo – 在标称电源电压下 ， 以理想恒流源驱动集成运算放大器的两个输入端 ， 使输出电压为零的两个输入电流之差称为输入失调电流。 它是衡量差分放大输入对管输入电流对称性的参数。 IIo越小 ， 表明差分对管 β的对称性越好。 8． 输入失调电流的温漂 dIIo/dT – 在规定的温度范围内 ， 单位温度变化所引起的输入失调电流的变化率 ， 称为输入失调电流的温漂 （ 或称为输入失调电流的温度系数 ）。 其数值越小愈好。 9． 输入偏置电流 Io – 在标称电源电压下 ， 以理想恒流源驱动集成运算放大器的两个输入端 ， 使输出电压为零的两个输入电流的平均值称为输入偏置电流。 10． 输入偏置电流的温漂 dIo/dT – 在规定的温度范围内 ， 单位温度变化所引起的输入偏置电流的变化率 ， 称为输入偏置电流的温漂 （ 或称为输入偏置电流的温度系数 ）。 其数值越小愈好。 11． 最大差模输入电压 UIDM – 集成运算放大器两输入端所能承受的最大反向电压 ，称为最大差模输入电压。 12． 开环输出电阻 ros – 集成运算放大器在开环工作时 ， 外加输出电压变化与对应的输出电流变化之比 ， 称为开环输出电阻。 即其输出级的输出电阻。 13． 最大输出电流 Iom – 在最大输出峰 —峰电压下 ， 集成运算放大器所能提供的最大输出电流。 14． 输出短路电流 Ios – 同相输入端在施加规定的直流电压下 ， 输出端对地短路时的直流输出电流。 15． 输出峰 —峰电压 Uopp – 在不出现削波或明显的非线性畸变条件下 ， 在额定输出电流及标称电源电压下的最大峰 —峰输出电压。 16． 开环带宽 fBW – 在开环幅频特性上 ， 开环电压增益下降 3dB所对应的频率。 17． 单位增益带宽 – 在开环幅频特性上 ， 开环电压增益下降到 1（ 0dB）所对应的频率。 18． 最大共模输入电压 UICM – 集成运。