集成电路分类

WXHWXH12020年6月24日星期三第十七章集成运算放大器本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号处理方面的应用。§17-1集成运放的简单介绍一、集成电路的发展过程科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历了四次重大的变革。WXHWXH22020年6月24日星期三4、1974年，出现了大规模集成电路为第四次。1、1904年,电子三极管（真空三极管）为第一次。2、1948年，费来明发明了晶体三极管为第二次。3、1958年，集成电路[移相振荡器]为第三次。一、集成电路的发展过程（中国65年生产第一块TTL与非门）WXHWXH32020年6月24日星期三现在集成电路的规模，正在以平均1～2年翻一番的速度在增大。1948196619711980199019981999小规模中规模大规模超大规模超超大规模超亿规模SSIMSILSIVLSIULSIGSI理论集成度10-100100～10001000～10万10万～100万100万～1亿＞1亿商业集成度110100～10001000～2万2万～5万＞50万＞1000万触发器计数器单片机16位和32位图象SRAM加法器ROM微处理器处理器128位CPU（1）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线（2）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条）（生产环境：超净车间）（3）芯片面积增大，从1～5mm2到现在的1cm21967年在一块晶片上完成1000个晶体管的研制成功。集成电路集成度的提高主要依靠三个因素由于现在这三方面都有所突破，所以集成规模发展很快.这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？77年美国30mm2制作13万个晶体管，即64K位DRAM。WXHWXH42020年6月24日星期三目前使用的16兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.5微米，64兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.3微米，继续发展可望达到0.01微米，0.01微米的概念相当于30个原子排成一列的长度。这一尺寸在半导体集成电路中，已经成为极限，再小PN结的理论就不存在了，或者说作为电子学范畴的集成电路已达极限，就会从电子学跃变到量子工学的范畴，由量变到质变，随之而来的一门新的工程学——对量子现象加以工程应用的“量子工学”也就诞生了，由这一理论指导而将做成的量子器件，将延续集成电路的发展。现在美国和日本正投入大量的人力和物力进行这方面的研究，并且在“原子级加工”方面取得了一定的成果。集成电路的技术发展是否有极限？在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？如果“有”，它的极限是多少？还有没有新的方法以求得继续发展。WXHWXH52020年6月24日星期三二、集成电路的分类模拟集成电路：集成运算放大器，集成功放，集成稳压电源，集成模数A/D转换和数模D/A转换及各种专用的模拟集成电路。而集成运放只是模拟集成电路中的一种，但是应用最为广泛的一种。由于最初用于作运算用，所以称为集成运算放大器，而现在的功能已经远远超过了当时的功能，而得到了方泛的应用。大类分：模拟集成电路数字集成电路数字集成电路：门电路，触发器，计数器，存贮器，微处理器等电路。74系列，74LS××，74HC××，4000系列，CMOS等各种型号。WXHWXH62020年6月24日星期三三、集成运放的结构及特点结构上有圆壳式、扁平式和双列直插式三种，管脚引出线有8、10、12、14等多种。LM74112348765结构12345678LM74112348765WXHWXH72020年6月24日星期三特点：4、元件的精度低，但对称性好，温度特性好。1、制造容量大于2000PF的电容元件很困难，如需大电容必须外接，所以集成运放都采用直接耦合放大电路。2、制造太大和太小的电阻不经济，占用硅面积大。一般R的范围为100Ω～30KΩ，大电阻用恒流源代替。3、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。WXHWXH82020年6月24日星期三中间级输出级偏置电路输入级4、偏置电路给前三部分提供固定的和合适的偏置电流，一般由恒流源电路构成。四、电路的简单说明1、输入级要求：输入电阻高，零点漂移小，采用差放2、中间级一般采用共射放大电路3、输出级要求，输出电阻低，带载能力强，能输出较大的电压幅度及功率。一般都由互补对称电路构成WXHWXH92020年6月24日星期三运算放大器实际上就是一个直接耦合的多级放大电路，它有两个输入端一个输出端，一般电源都不画。单运放：LM741/A741双运放：LM747（双741）单电源四运放：LM124/224/324双电源四运放：LM148/248/348等等。四、电路的简单说明LM741123487652脚为反相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是反相的。3脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是同相的。各管脚的用途是：4脚为负电源端。7脚为正电源端。6脚为输出端。1和5脚为外接调零电位器（通常为10KΩ）的两个端子。8脚为空脚。其典型接法如下图所示WXHWXH102020年6月24日星期三uu0uuu0u154237610KΩ-15V+15V简化电路符号电路符号WXHWXH112020年6月24日星期三五、主要参数3、输入失调电压Uio：理想的运放，当输入电压ui1=ui2=0时，输出电压u0=0。但在实际运放中，由于制造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，输出电压不等于零。反过来说，如果要u0=0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。2、开环电压放大倍数Auo：在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。1、最大能输出电压UOPP：能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大能输出电压。WXHWXH122020年6月24日星期三5、输入偏置电流IiB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。4、输入失调电流Iio：输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。6、最大共模输入电压UiCM运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的范围内才具备。WXHWXH132020年6月24日星期三六、理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器条件uu0u0uA实际运放上述指标接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。uu0uridu0r0u-u+u0Au0开环放大倍数Auo→∞差模输入电阻rid→∞开环输出电阻ro→0uo=Auo(u+-u-)共模抑制比KCMRR→∞uo=∞(u+-u-)WXHWXH142020年6月24日星期三o+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际特性与理想特性很接近。实际特性理想特性2、分析依据：分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线性区还是非线性区（饱和区）uu0uWXHWXH152020年6月24日星期三o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分析方法不同：线性区：uo=Auo(u+-u-)因为uo为有限值，Auo为无限大，所以(u+-u-)≈0。即u+≈u-我们称为“虚短”因为rid→∞，故两输入端的输入电流为零。我们称为“虚断”ridu0r0U-U+u0Au0WXHWXH162020年6月24日星期三o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区uu0u饱和区：uo≠Auo(u+-u-)当u+u-时,uo=+Uo(sat)当u+u-时,uo=-Uo(sat)但两输入端的输入电流仍为零。WXHWXH172020年6月24日星期三§17-2运算放大器在信号运算方面的应用理想运放应满足的条件：由此得出了两个重要结论ridu0r0U-U+u0Au0(1)“虚短”(2)“虚断”但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。我们已经知道：Auo→∞，则当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。4、共模抑制比KCMRR3、开环输出电阻ro2、差模输入电阻rid1、开环放大倍数Auo→∞→∞→∞→0WXHWXH182020年6月24日星期三下面我们就分别讨论之。uou-u+∞++-但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，所以——接下来的问题是负反馈从输出端引到同相端还是反相端。解决的方法是：在电路中引入深度负反馈。R——反相输入端。WXHWXH192020年6月24日星期三17.2.1、比例运算①电路结构虚短QR2R1RFuiu0iFi1②闭环放大倍数1、反相比例iufuuA0∴u-=u+又∵虚断∴u-=u+=0则电流i1等于电流iFFiRuRu0100即：10RRuuAFiufWXHWXH202020年6月24日星期三当实际运放接近于理想运放的条件时，其精度主要取决于电阻，这是因为电路中采用了极深度的负反馈而获得的重要优点。对于反相比例运算还有“虚地”的概念。反相端为虚地的现象是反相输入运算放大器的重要特点，应当指出“虚地”并非真正的地。反相器时当,1,1ufFARRR2R1RFuiu0iFi1WXHWXH212020年6月24日星期三闭环输入电阻和输出电阻0rRiuro11iif电压并联负反馈③特点：R2R1RFuiu0iFi1a.共模输入电压为0b.ro=0带负载能力强c.ri小对输入电流有一定的要求WXHWXH222020年6月24日星期三R2为平衡电阻，其目的是消除静态时的不对称对输出电压的影响，它不影响放大倍数。对双极型三极管组成的电路有要求。R2=R1//RF特别说明：R2R1RFuiu0iFi1P112例17.2.1请同学自学。WXHWXH232020年6月24日星期三R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R5)RRRR1(RRuuA453513i0uWXHWXH242020年6月24日星期三R2R1RFuiu0iFi111RRAFuf②闭环放大倍数因为虚短u+=u-=ui因为虚断iF=i1(u0-ui)/RF=ui/R1①电路结构2、同相比例跟随器,1ufAR2RFuiu0时或当10RRFFRRR//12WXHWXH252020年6月24日星期三闭环输入电阻和输出电阻0rroifR2R1RFuiu0iFi1③特点：A共模u+=u-=uI对KCMRR要求高Bro=0带负载能力强CrI高电压串联负反馈WXHWXH262020年6月24日星期三接有分压电阻R3时，Auf的求法为：uRRuF)1(100rRRro32ifR1//RF=R2//R3平衡电阻：电压串联负反馈R2R1RFuiu0iFi1R33231FufRRR)RR1(AiFuRRRRR3231)1(WXHWXH272020年6月24日星期三17.2.2、加法运算1、反相加法运算)(3132121110iFiFiFuRRuRRuRRu因为i1+i2+i3=iF所以ui1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(0-u0)/RF特点：放大倍数互不影响。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i3WXHWXH282020年6月24日星期三R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui22、同相加法运算uRRuF)1(10)////////(2222321232112123222322iiuRRRRRuRRRRRu)////////)(1(222232123211212322232210ii