直接耦合放大电路和集成运算放大器.

电路。
一、直接耦合放大电路的零点漂移问题 与阻容耦合的放大电路相比，直接耦合放大电路突出的问
题就是零点漂移问题。
从实验中可以发现，对于两级以上的耦合放大电路，即使 在输入端不加信号（即输入端短路），输出端也会出现大小变 级数越多，放大倍数越大，零漂现象越严重。
化的电压，如图 9-1 所示。这种现象称作零点漂移，简称零漂。
集成电路还可按单片上能集成的元器件数目（即集成度） 分成小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）和超大 规模（VLSI）集成电路。
这里应当指出，在模拟集成电路中，由于内部有源器件 工作状态复杂，制造难度大，所以一般能在单片上集成100个 以上的元器件，就称为大规模集成电路了。这点是与数字电 路的集成度数量有很大差别的。
3. 集成运放的外部引出端子 集成运放的外部引出端子有输入端子、输出端子、连接正
负电源的电源端子、失调调整端子、相位校正用的相位补偿端
子、公共接地端子和其他附加端子。图 9- 6 F007 的外引线图，图中包括输入端子、输出端子、电源端子和
失调调整端子。对于不同的产品，其外部引出端子的排列可以
从产品说明书上查阅。 本书的附录Ⅵ示出了常用的一些国产集 成运放的引线排列图，供使用时参考。
在差动电路中，如果两输入端同时加一对对地大小相等、 极性（或相位）相同的信号电压，这种信号叫共模信号，用uic 表示，uic=uic1=uic2。
共模信号是无用的干扰或噪声信号。零漂信号便是一种 共模信号。 差动 放大电 路 由于电 路 对称 ， 当 输入共 模 信号时 ， uic1=uic2，三极管V1和三极管V2各电量同时等量变化，输出端 uoc1=uoc2 ，所以共模输出 uoc=uoc1-uoc2=0 ，表明差动电路对 共模信号无放大能力，这反映了差动电路抑制共模信号的能 力。 为了表示一个电路放大有用的差模信号和抑制无用的共 模信号的能力，引用了一个叫抑制比的指标 KCMRR ，它定 义为 Ad KCMRR= (9 -3) Ac 其中, Ad为差模信号放大倍数，Ac为共模信号放大倍数 KCMRR对理想的差动放大电路为无穷大, 对实际差动电路， KCMRR愈大愈好。
9.1 直接耦合放大电路
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些变化缓慢的
低频信号（频率为几赫兹至几十赫兹，甚至接近于零）。采用
阻容耦合或变压器耦合的放大电路是不能放大这种信号的。 因为在阻容耦合电路中，电容对这些信号呈现的阻抗极大，
信号被电容隔断，无法传输到下一级。而在变压器耦合的电路
中, 信号将被变压器原边线圈的低阻所短路，也无法耦合到副 边去。因此，放大这类变化缓慢的信号，只能用直接耦合放大
放大电路。和分立电路相似，集成运放内部电路可分为输入级、
信号
输入级
中间级
输出级
输出
偏置电路
图 9 –5 集成运放结构方框图
输入级是具有恒流源的差动放大电路， 用于消除零漂。 中间级一般由一级共射极放大电路（或共源极放大电路） 或组合放大电路组成， 用以提供高的电压放大倍数。 输出级大多为互补推挽电路， 并附有安全保护电路。 偏置电路采用恒流源电路， 为各级电路设置稳定的直流 偏置。
9.2 集成电路基本知识
1959年美国德克萨斯仪器公司的仙童半导体公司成功地制 造了世界上第一块集成电路。40余年来，集成电路的制造技术 飞速发展。集成电路的发明，是电子技术发展史上的一个重要 里程碑。 一、什么是集成电路 前面讲述的放大电路均是由彼此相互分开的三极管、二极 管、电阻、电容等元件，借助导线或印刷电路连接成的一个完 整的电路系统，称之为分立元件电路。 利用半导体三极管常用的硅平面工艺技术，把组成电路的 电阻、电容、二极管、三极管及连接导线同时制造在一小块硅 片上，便成为一块集成电路，其对外部完成某一电路的功能。
要用来实现模拟运算功能，后来成为像三极管一样的通用器件，
“万用器件”、 “万能放大器件”等。
一、集成运放的结构特点
1. 作为一个电路元件，集成运放是一种理想的增益器件，它 的放大倍数可达 104 ～107。集成运放的输入电阻从几十千欧到 几十兆欧，而输出电阻很小，仅为几十欧姆，而且在静态工作 时有零输入、零输出的特点。 2. 集成运放内部的电路组成 集成运放品种很多，但它们内部都是一个直接耦合的多级 中间级、输出级和偏置电路四部分，如图 9 -5 所示。
(2) 大量使用三极管作为有源单元。
三极管占据单元面积小且成本低廉，所以在集成电路内部 用量最多。三极管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或 作为二极管、稳压管使用，如图 9- 3 中的二极管V1和V2 。
PN 结隔离槽 (元件间绝 缘) N＋扩散层 (发射区)
二氧化硅绝缘 层
铝电极(引线 点)
严重的零点漂移将使放大电路不能工作。 以图 9 -1 电路
为例，放大电路的总放大倍数为300。当输入端短路时，观察 其输出电压， 在半小时内出现了0.5V的漂移。
uo1 O V1 ui＝ 0 t V2 O
uo2 t uo2
图 9 –1 零点漂移现象
若 用 这 个 放 大 电 路 放 大 一 个 2mV 的 信 号 ， 则 应 有 Uo=2×10-3×300 =0.6V的输出。但是，由于零漂的存在，输出 端实际输出可达 1.1V，而不是0.6 V。因此无法区分信号电压 与漂移电压。 引起零漂的原因很多，如电源电压波动、温度变化等， 其中以温度变化的影响最为严重。当环境温度发生变化时，
Uod=Uo1-Uo2=A1·Uid 差动放大电路的电压放大倍数为
UOd RC Ad Ai U id Rb rbe
（注意：Uo1、Uo2、Uid、Uo均为电压有效值。 ）
式（9 -2）说明：差动式放大电路（两管）的电压放大倍 数和单管放大电路的放大倍数相同。差动电路的特点是多用一 个放大管来换取对零漂的抑制。 3. 共模信号和共模抑制比KCMRR
＋UCC Rc1 uod ＋ ＋ ui1 uid － ＋ ui2 － － Rb1 V1 uo1 uo2 V2 Rb2 Rc2
Re －U EE
图 9 –2 差动放大电路
由于三极管V1和三极管V2参数完全相同且电路对称，因而 实现了零输入、零输出的要求。 如果温度升高，Ic1和Ic2同时增大，Uc1和Uc2同时下降， 两 管集电极电压变化量相等。所以 ΔUo=ΔUc1-ΔUc2=0 ，输出电压 仍然为零，这就说明，零点漂移因为电路对称而抵消了。 2.
差模信号就是待放大的有用信号。在它的作用下，一只 三极管内电流上升，另一只管内电流下降，于是输出端将有 电压输出。所以差动放大电路对差模信号能进行放大。 设差 动放大电路单侧的放大倍数为A1，由于电路对称，
1 1 U O1 A1 U id ,U O 2 A1 ( )U id 2 2
所以输出电压
集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路 两大类。数字集成电路用于产生、变换和处理各种数字信号 （所谓数字信号，是指幅度随时间作不连续变化，只有高、 低两种电位的信号）。模拟集成电路用于放大变换和处理模 拟信号（所谓模拟信号，是指幅度随时间作连续变化的信 号）。 模拟集成电路又称线性集成电路。
图（d）为超大规模集成电路的一种封装形式，外壳多为 塑料，四面都有引出线。 五、集成电路的分类 集成电路的品种很多， 按其产品大致可分为： TTL ， HTL，ECL，PMOS， NMOS， CMOS，集成运算放大器，集 成稳压电源，时基电路，功放、宽带放大、射频放大等其它 线性电路，接口电路，电视机、音响、收录机等专用电路以 及敏感型集成电路等13种。
在静态时，Ui=0，三极管集电极电压 Uc1 = Uc2，Uo=Uc1-Uc2=0，
在图9- 2中，输入信号uid分成幅度相同的两个部分：ui1和
ui2，它们分别加到两只三极管的基极。由图看出：ui1和ui2极性 （或相位）相反。
这种对地大小相等、极性（或相位）相反的电压信号叫 差模信号， 用uid表示为 uid=ui1-ui2 (9 -1)
第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路
9.2 集成电路基本知识
9.3 集成运算放大器的结构和指标
9.4
9.5 集成运放在信号运算方面的应用
9.6 信号转换电路
9.7 集成运放的非线性应用——电压比较器
9.8 专用集成电路
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第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运 算放大器
减小零漂常用的一种方法，是利用两只特性相同的三极管， 接成差动式电路。这种电路在模拟集成电路中作为基本单元而 被广泛采用。 二、差动放大电路
差动放大电路又称差动电路，它能比较完善地抑制零点漂 移，常用于要求较高的直流放大电路中。差动电路又是当今集 成电路的主要单元结构。 1.
图 9 -2 所示电路为典型的差动放大电路。两侧的三极管电 路完全对称。即：Rc1= Rc2，Rb1=Rb2，三极管V1和V2的参数相 同， 两管的射极相连并接有公共的射极电阻Re ，由两组电源 +UCC和 -UEE供电。
子。 因此，集成电路又叫固体电路。
从图 9 -3 集成电路剖面结构图来看， 集成电路在结构上有 以下三个特点。
(1) 使用电容较少， 不用电感和高阻值电阻。
在硅片上制成一个元件的成本与它在硅片上占据的面积成 正比。电感元件、较大阻值的电阻和高值电容都会占用较大面 积的硅片，因此，在集成电路中尽量较少使用电容元件，不用 电感和高阻值电阻。
集成电路出现后， 以其体积小、重量轻、可靠性高、组
装和调试工作量小等一系列优异性能，在科学技术各个部门 得到了普遍的推广使用。目前，各类集成电路已在计算机、
国防科技及仪器仪表、通讯、广播电视等领域广泛使用。
二、集成电路的结构特点
图 9 -3 是半导体硅片集成电路放大了的剖面结构示意图。 集成电路把小硅片电路及其引线封装在金属或塑料外壳内， 只露出外引线。 集成电路看上去是个器件，实际上又是个电路系统，它 把元器件和电路一体化了，单片计算机系统就是一个典型例
图（c）是双列直插式封装，它的用途最广。
14 15 9
8
1 2 3 4 5 6 7
(a)
(b)
(c)
(d )
图9-4 半导体集成电路外形图
其外壳用陶瓷或塑料，通常设计成2.5 mm的引线间距， 以便与印刷电路板上的标准件插孔配合。 对于集成功率放大 器和集成稳压电源等，还带有金属散热片及安装孔。封装引 线有14、18、24根等。
晶体管的β、ICBO 、UBE随温度而变。这些参数变化造成的影响， 相当于在输入端加入信号，使输出电压发生变化。
在阻容耦合电路中，各级的零漂被限制在本级内，所以影 响较小。而在直接耦合电路中，前一级的零漂电压将毫无阻拦 地传递到下一级，并逐级放大，所以第一级的零漂影响最为严 重。抑制零漂，应着重在第一级解决。
9.3 集成运算放大器的结构和指标
集成运算放大器（简称集成运放）是模拟集成电路中品种 最多、应用最广泛的一类组件，它几乎可以实现以往各种由分 立元器件组成的模拟电子电路的功能。集成运放在发展初期主 因其高增益（高放大倍数）、高可靠性、低成本和小尺寸等优 越的性能而被广泛地应用在电路与系统的各个领域中，被称为
三极管 V1
二极管 V2
二极管 V3
电阻 R
电容 C1
电容 C2
N型外延 层(集电 区)
P P扩散层(基区) N＋埋层
P
P型硅片衬底 N型外延层 P扩散层 (接最低电位) (结电容一极) (半导体电阻)
图 9 –3 集成电路剖面结构ຫໍສະໝຸດ Baidu意图
(3) 电路元件间的绝缘采用反偏的PN结隔离槽或二氧化硅 绝缘层。 在图 9 -3 中，P型衬底往往接在电路的最低电位，元件间 的 P 型隔离槽也接向这个低电位。这样无形中构成了许多反偏 的PN结，呈现出高达几十兆欧姆的电阻，巧妙地把各元件隔离 起来。此外，也可用二氧化硅薄层作为绝缘层。 三 、集成电路的外形封装 图 9 -4 中为半导体集成电路的几种封装形式。 图(a)为金属圆壳式封装，采用金属圆筒外壳，类似于一个 多管脚的普通晶体管，但引线较多，有8、12、14根引出线。 图（b）是扁平式塑料封装，用于要求尺寸微小的场合， 一般有14、18、24根引出线。