集成电路的种类繁多,按集成度高低可分为小规模、中规模、大规模、超大规模、特大规模和超特大规模集成电路。
集成电路按封装形式可分为金属壳封装、单列直插式封装、双列直插式封装、扁平封装、插针网格阵列封装、球栅阵列封装、无引线塑料封装、超小型芯片级封装、多芯片模块封装集成电路等。
集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路。半导体集成电路是采用半导体工艺技术,在硅基片上制作的集成电路;膜集成电路是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上,以膜的形式制作电阻、电容的集成电路;在实际应用中,大多数是在无源膜电路上外加半导体集成电路或二极管、三极管等有源器件,这就是混合集成电路。
集成电路按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路,下面介绍几种常用的集成电路。
一、数字集成电路
用来产生、放大和处理各种数字电信号(在时间上和幅度上离散取值的信号)的集成电路称为数字集成电路,主要有TTL集成电路和CMOS集成电路两大系列。
1.TTL(Transistor-Transistor Logic)集成电路
双极型三极管-三极管集成电路,简称TTL电路,是一种性能优良的集成门电路,其开关速度快、抗干扰能力强、负载能力强,应用非常广泛。
TTL电路的基本组成单元是具有与非功能的逻辑电路,基本的TTL与非门通过组合可以构成触发器、计数器、译码器等各种单元电路,随着集成度的不断提高,TTL目前已经能够实现各种复杂逻辑功能。
TTL集成电路为正逻辑系统,一般采用5V电源,高电平约3.6V,低电平0.2~0.35V,主要有54系列和74系列(如图3.8-2所示)。54系列为军用产品,工作温度范围-55~125℃;74系列为民用产品,工作温度范围0~70℃。
图3.8-2 TTL集成电路
在54/74后不加字母表示标准TTL电路,是TTL电路的早期版本,现在已经很少使用;加H表示高速TTL集成电路;加S表示肖特基TTL集成电路,是目前应用较多的产品之一,其特点是速度较高,但功耗比LS系列大得多;在54/74后加LS表示低功耗肖特基TTL集成电路,这是现在TTL类型的主要产品系列,也是逻辑集成电路的重要产品之一,其主要特点是功耗低、价格便宜;加ALS表示更先进的低功耗肖特基TTL集成电路,其速度比LS系列提高了1倍以上,但功耗只有74LS系列的一半。
54/74系列只要尾数相同,其逻辑功能和引脚排列一般也相同,比如74S86和7486的逻辑功能和引脚排列完全相同。
2.CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)集成电路
CMOS集成电路是一种单极型晶体管集成电路,由N沟道MOS场效应管和P沟道MOS场效应管互补组成。CMOS集成电路主要有4000系列、54/74HC系列(如图3.8-3所 示)、54/74HCT系 列、54/74HCU系 列 等,具有以下优点。
(1)静态功耗低。CMOS集成电路是两个场效应管互补的结构,工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态,电路静态功耗理论上为零。实际上,由于存在漏电流,CMOS电路尚有微量静态功耗。
(2)输入阻抗高。CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络,比一般场效应管的输入电阻稍小,但在正常工作电压范围内,这些保护二极管均处于反向偏置状态,等效输入阻抗一般都大于100MΩ。
(3)温度稳定性好。由于CMOS集成电路的功耗很低,内部发热量少,而且CMOS电路的结构和电气参数都具有对称性,在温度环境发生变化时,某些参数能起到自动补偿作用,因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般塑料封装的CMOS集成电路的工作温度范围为-45~85℃,金属封装CMOS集成电路的工作温度范围为-55~125℃。
(4)工作电压范围宽。CMOS集成电路供电简单,供电电源体积小,基本上不需稳压,一般在3~18V电压下都可以正常工作。
(5)抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%,随着电源电压的增加,噪声容限电压的绝对值将成比例增加。
(6)扇出能力强。扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示。CMOS集成电路的扇出能力较强,一般可以驱动50个以上的输入端。
(7)抗辐射能力强。CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管,属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响有限,因而特别适用于制作航天及核实验设备。
二、模拟集成电路
用来产生、放大和处理各种模拟电信号(幅度随时间连续变化的电信号)的集成电路称为模拟集成电路。
根据输出与输入信号之间的响应关系,模拟集成电路可分为线性和非线性两大类。线性模拟集成电路的输出与输入信号之间的响应呈线性关系,其输出信号的形状与输入信号是相似的,只是按固定的系数进行放大;非线性模拟集成电路的输出信号对输入信号的响应呈现非线性关系,比如二次方关系、对数关系等。
图3.8-3 CMOS集成电路
最基本的模拟集成电路包括电流源、反馈电路、滤波器、单级放大器等,由它们可以组成运算放大器、比较器、开关电容电路、锁相环、A/D和D/A转换器等更复杂的模拟集成电路。
1.集成运算放大器
集成运算放大器简称集成运放,是一种高增益的直接耦合放大器,是具有很高放大系数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于计算机中用以实现数学运算,故称为运算放大器。
集成运算放大器的内部电路比较复杂,一般由偏置电路、输入级电路、中间级电路和输出级电路组成。
集成运算放大器可分为以下几类。
(1)通用型运算放大器。通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉,其性能指标能适合于一般性使用。通用型运算放大器的失调电压一般在2m V左右,开环增益一般大于80dB,常用的型号有μA741、LM358(如图3.8-4所示)、LM324、LF356等,它们是应用最为广泛的集成运算放大器。(www.xing528.com)
(2)高阻型运算放大器。这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级,不仅输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点。常用的型号有CA3130、CA3140、LF355、LF347、TL082等。
(3)低温漂型运算放大器。在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的,常用的型号有OP-07、OP-27、AD508、ICL7650等。
(4)高速型运算放大器。在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率一定要高,单位增益带宽一定要大,这就促使了高转换速率、宽频率响应的高速型运算放大器的出现,常用的型号有LM318、μA715等。
(5)低功耗型运算放大器。低功耗型运算放大器的功耗一般比通用型低1~2个数量级,要求的电源电压很低,功耗仅为微瓦级,可用电池供电,多用于便携设备中,常用的型号有TL-022C、TL-060C等。
图3.8-4 LM358集成运算放大器
(6)高压大功率型运算放大器。运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般几十伏,输出电流几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运算放大器外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流,常用的型号有D41、μA791等。
集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器组成的各种系统中,由于应用要求不一样,对运算放大器的性能要求也不一样。
在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运算放大器,这样既可降低成本,又容易保证货源。当一个系统中使用多个运算放大器时,尽可能选用多运算放大器集成电路。实际选择集成运算放大器时,还应考虑精度、输入信号性质、负载情况、工作环境等其他因素。
2.集成稳压器
集成稳压器又称集成稳压电源,是将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路。集成稳压器与分立元件稳压器相比具有体积小、性能高、使用简单、价格低、可靠性好等优点。
根据结构形式,集成稳压器可分为串联型、并联型和开关型;根据输出电压类型,集成稳压器可分为固定式、可调式、正负电压输出式等。
(1)三端固定集成稳压器。如图3.8-5所示,三端固定集成稳压器就是有3个引脚的集成稳压器,三个引脚分别为输入端、输出端和公共接地端。常用的三端固定集成稳压器有正电压输出的78XX系列和负电压输出的79XX系列,这两种系列的输出电压(单位为V)有5、6、9、12、15、18、24,以78/79后面的两位数字表示。以78/79与表示输出电压的两位数字间加L表示最大输出电流为0.1A、加M表示最大输出电流为0.5A、什么都不加表示最大输出电流为1.5A。
不同生产商生产的78/79XX系列三端稳压器的后缀数字均相同,只是前缀字母不同,不同厂商生产的同型号的集成电路均可直接代换。
如图3.8-5所示,型号中LM为生产商代号,79说明其为负电压输出,79后的05表示其输出电压为5V,79与05间没有字母符号表示其最大输出电流为1.5A。
中、大功率三端集成稳压器的发热量较大,随着温度升高稳压性能将下降,甚至导致稳压器过热损坏,所以在电路设计与安装中,应在中、大功率三端集成稳压器上安装合适的散热器。
(2)三端可调集成稳压器。如图3.8-6所示,三端可调集成稳压器是输出电压连续可调的稳压器,它只需少量的外围元器件就可以组成精密可调的稳压电路。
图3.8-5 三端固定集成稳压器
三端可调集成稳压器也有3个接线端,分别是输入端、输出端和电压调节端。在调节端外接两个电阻器即可对输出电压进行连续调节。三端可调集成稳压器不仅保留了固定输出稳压器的优点,而且在性能指标上有了很大程度的提高,可分为三端可调正电压集成稳压器和三端可调负电压集成稳压器。
常见型号的数字编号有117、217、317、137、237、337系列。数字编号前的英文字母是前缀,代表不同的生产商。117、217、317系列稳压器可输出连续可调的正电压,137、237、337系列稳压器可输出连续可调的负电压,可调范围为1.2~37V,最大输出电流为1.5A。
三端可调集成稳压器表示最大输出电流的方法和三端固定集成稳压器一样,X117L、X217M、X317的最大输出电流分别为0.1A、0.5A和1.5A,它们具有相同的引出端、基准电压和相似的内部电路。
图3.8-6 三端可调集成稳压器
图3.8-7 开关稳压器
(3)开关稳压器。如图3.8-7所示,开关稳压器也叫开关稳压电源,是通过控制晶体管在开、关状态之间切换使输出电压保持稳定的器件。串联型集成稳压器的调整管通常工作于线性放大区,自身功耗较大,效率仅为30%~60%;开关稳压器的晶体管工作于开、关状态,自身功耗小,效率高达70%~85%,且体积小、重量轻、使用方便。
开关稳压器可分为脉宽调制型(PWM)、频率调整型(PFM)、混合调制型,其中最常用的是脉宽调制型开关稳压器。
开关稳压器的工作频率较高,其脉冲波含有的高次谐波较多,会对其他电路造成高频尖峰干扰,其结构比线性稳压器更复杂,对负载变化的响应也较慢。常用的型号有1842、4960等。
3.集成音频功率放大器
如图3.8-8所示,集成音频功率放大器简称集成功放。集成功放的作用是将前级电路送来的微弱电信号进行功率放大,产生足够大的电流推动扬声器,完成电声转换。集成功放由于外围电路简单、调试方便,所以被广泛应用在各类音频功率放大电路中。
图3.8-8 集成音频功率放大器
按输出功率的大小,集成音频功率放大器分为小功率、中功率和大功率集成功放;根据内部放大器的个数,集成音频功率放大器可分为单声道、立体声、多声道集成功放。常用的集成音频功率放大器有LM386、TDA2822、TDA2030、LM3886等。
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