現代電子技術工程設計與實踐-常用集成芯片及電路

2.2常用集成芯片及電路2.2.1集成電路的分類及封裝2.2.2穩壓電源電路及芯片2.2.3運算放大器及比較器應用電路2.2.4常用數字電路芯片2.2.5AD轉換芯片及電路2.2.6常用D/A轉換芯片現代電子技術工程設計與實踐2.2.1集成電路的分類及封裝1.按功能結構分類集成電路按其功能結構的不同，可以分為模擬集成電路、數字集成電路、模數混合電路三類。模擬集成電路包括集成運算放大器和各種專用模擬集成電路（如集成穩壓器和音響、電視集成電路等）。模擬集成電路習慣上也稱線性集成電路，但不是所有模擬集成電路在正常工作時的輸出信號與輸入信號都成線性關系。數字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上制成的數字邏輯電路或系統。模數混合電路主要指555電路、D/A轉換器和A/D轉換器，D/A轉換器實現將數字量轉換成模擬量，將數字系統的信號傳送給模擬系統，A/D轉換器將模擬量轉換為數字量傳遞給數字系統。現代電子技術工程設計與實踐2.2.1集成電路的分類及封裝

2.按制作工藝分類集成電路按制作工藝分類又分為薄膜電路、厚膜電路。薄膜電路以1μm以內的金屬、半導體、金屬氧化物、多種金屬混合相、合金或絕緣介質薄膜，并通過真空蒸發、濺射和電鍍等工藝制成的集成電路。特點為電阻、電容數值控制較精確，且數值范圍寬，但集成度不高。主要用于線性電路。厚膜電路用絲網印刷和燒結等厚膜工藝在同一基片上制作無源網絡，并在其上組裝分立的半導體器件芯片或單片集成電路或微型元件，再外加封裝而成的混合集成電路。厚膜工藝制成的集成電路能耐受較高的電壓、更大的功率和較大的電流。厚膜微波集成電路的工作頻率可以達到4吉赫以上。它適用于各種電路，特別是消費類和工業類電子產品用的模擬電路。現代電子技術工程設計與實踐2.2.1集成電路的分類及封裝3.按集成度分類集成電路按集成度高低的不同，可分為小規模集成電路，中規模集成電路，大規模集成電路，超大規模集成電路。現代電子技術工程設計與實踐2.2.1集成電路的分類及封裝4.按封裝形式分類集成電路的封裝形式有很多種，常見的有普通雙列直插封裝（DIP）、普通單列直插封裝（SIP）、鋸齒雙列直插封裝（ZIP）、小外型封裝（SOP)、帶散熱器的SOP封裝（HSOP）、小型SOP封裝（SSOP）、薄的縮小型SOP封裝（TSSOP）、表貼晶體管封裝（SOT）、J形引線小外形封裝（SOJ）、有引線塑料芯片栽體封裝（LCC）、四面扁平封裝（QFP）等封裝形式，各種封裝形式如圖2-41所示。現代電子技術工程設計與實踐2.2.1集成電路的分類及封裝圖2-41常見封裝形式現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片1.穩壓電源的組成小功率穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，如圖2-42所示。圖2-42穩壓電源的組成框圖及整流與穩壓過程現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片（1）電源變壓器

電源變壓器的作用是將來自電網的220V交流電壓U1變換為整流電路所需要的交流電壓U2。電源變壓器的效率為：，其中：是變壓器副邊功率，是原邊功率。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片

（2）整流和濾波電路在穩壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓U2變換成脈動的直流電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。U4與交流電壓U2(有效值)的關系為：U4≈(1.1~1.2)U2。在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓URM為：流過每只二極管的平均電流為：其中：R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數RC應滿足：，其中：T=20ms是50Hz交流電壓的周期。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片（3）穩壓電路由于輸入電壓U1發生波動、負載和溫度發生變化時，濾波電路輸出的直流電壓U4隨著變化。因此，為了維持輸出電壓U4穩定不變，還需加一級穩壓電路。穩壓電路的作用是當外界因素（電網電壓、負載、環境溫度）發生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩定的輸出。穩壓電路一般采用集成穩壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩壓器設計的穩壓電源具有性能穩定、結構簡單等優點。集成穩壓器的種類很多，在小功率穩壓電源中，普遍使用的是三端集成穩壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調式，此外又可分為正電壓輸出和負電壓輸出兩種類型。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片2.固定電壓輸出穩壓器常見的有CW78XX（LM78XX）系列三端固定式正電壓輸出集成穩壓器；CW79XX（LM79XX）系列三端固定式負電壓輸出集成穩壓器。三端是指穩壓電路只有輸入、輸出和接地三個接地端子。型號中最后兩位數字表示輸出電壓的穩定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩壓器使用時，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo的電壓差UI-Uo≥2V。當Uo=5~18V時，UI的最大值UImax=35V；當Uo=18~24V時，UI的最大值UImax=40V。在78XX、79XX系列三端穩壓器中最常應用的是TO-220和TO-202兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如圖2-43所示，組成的典型穩壓電路如圖2-44所示。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片能圖2-43LM78、79系列穩壓芯片引腳功現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片圖中的引腳號標注方法是按照引腳電位從高到底的順序標注的，這樣標注便于記憶。引腳1為最高電位，3腳為最低電位，2腳居中。從圖中可以看出，不論正壓還是負壓，2腳均為輸出端。對于78XX正壓系列，輸入是最高電位，自然是1腳，地端為最低電位，即3腳。對于79XX負壓系列，輸入為最低電位，自然是3腳，而地端為最高電位，即1腳。此外，還應注意，散熱片總是和最低電位的第3腳相連。這樣在78XX系列中，散熱片和地相連接，而在79XX系列中，散熱片卻和輸入端相連接。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片圖2-4478XX，79XX構成雙端電壓輸出電路現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片3.可調式三端集成穩壓器可調式三端集成穩壓器是指輸出電壓可以連續調節的穩壓器，三端可調式穩壓器品種很多，如正壓輸出的117（217/317）系列、123系列、138系列、140系列、150系列。負壓輸出的337系列等，這里僅介紹正壓輸出的LM317。圖2-45(a)為LM317的引線排列圖。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片圖2-45LM317引腳及應用電路現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片圖2-45(b)為LM317的基本應用電路，圖中輸出電壓Uo為：。可見調節R2的阻值，可調節輸出電壓Uo的大小。LM317的最大輸入電壓為40V，輸出電壓調節范圍1.2V~37V。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片4.ASM1117系列穩壓芯片ASM1117系列是一個有不同輸出電壓的低壓差三端正向調節器，有1A的最大負載輸出電流。芯片內置有過熱過流保護。有著非常低的靜態電流和在滿載輸出電流下最大為1.2V的壓差，并隨著輸出電流的下降，壓降會更低。ASM1117系列有可調式和固定式1.8V、2.5V、3.3V、5V輸出等幾個系列，滿載輸出1A時的壓差最大為1.2V。可調式或固定式輸出1.8V、2.5V、3.3V、5V。內部電路有過流過熱保護，最大線性調整率為0.45％，最大負載調整率為0.4％，調節端電流<90μA，圖2-46(a)為ASM1117的引腳圖，圖2-46(b)為ASM1117-3.3的經典電路，其實現將5V轉化為3.3V輸出。現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片圖2-46ASM1117引腳及應用電路現代電子技術工程設計與實踐2.2.2穩壓電源電路及芯片5.集成穩壓器的使用要點一般穩壓器的輸入電壓是由未經穩壓的整流器供給，存在交流脈動成分，所以穩壓器要求的輸入、輸出電壓差不能小于2V，實際上應是輸入電壓的谷值與輸出電壓額定值之差不能小于2V，而不是直流平均值之差。為了防止集成穩壓器在輸入端短路或電感性負載情況下被反向電壓擊穿，應在輸出端反向并聯一個二極管和在輸入、輸出間加一個反向隔離二極管。實際應用電路中，集成穩壓器輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小電容（0.1μF~10μF）。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路運算放大器簡稱運放，是具有高放大倍數的集成電路。它的內部是直接耦合的多級放大器，整個電路可分為輸入級、中間級、輸出級三部分。輸入級采用差分放大電路以消除零點漂移和抑制干擾；中間級一般采用共發射極電路，以獲得足夠高的電壓增益；輸出級一般采用互補對稱功放電路，以輸出足夠大的電壓和電流，其輸出電阻小，帶負載能力強。運放的型號很多，性能各異，所以要根據需要選取合適的型號。以下僅對常用的運放和比較器進行介紹。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路1.μA741/LM741運算放大器741型運算放大器具有廣泛的模擬應用，其在積分器、加法器和一般反饋應用中性能優良。此外，它還具有如下特點：無頻率補償要求、短路保護、失調電壓可調零、低功耗等。741型運放雙列直插封裝的俯視圖如圖2-47(a)所示。緊靠缺口（有時也用小圓點標記）下方的管腳編號為1，按逆時針方向，管腳編號依次為2，3，…，8。其中，管腳2為運放反相輸入端，管腳3為同相輸入端，管腳6為輸出端，管腳7為正電源端，管腳4為負電源端，管腳8為空端，管腳1和5為調零端。通常，在運放的兩個調零端之間接一個幾十千歐的電位器，電位器滑動端接負電源，如圖2-47(b)所示。調整電位器，可使失調電壓為零，741運算放大器的典型性能參數如表2-11所示。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-47741運算放大器的封裝圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路表2-11741運放典型性能參數如表(T=25oC，U+=+15V，U-=-15V)參數名稱測試條件最小典型最大單位輸入失調電壓Rs≤10kΩ1.05.0mV輸入失調電流20200nA輸入偏置電流80500nA輸入電阻0.32.0MΩ輸入電容1.4pF大信號電壓增益RL≥2KΩUO≥±10V50K200K輸出電阻75Ω輸出短路電流25mA電源電流1.72.8mA功耗5085mW轉換速率RL≥2KΩ0.5V/s共模抑制比Rs≤10kΩUCM=±12V7090dB增益帶寬乘積1MHz現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路2.高精度運算放大器OP07OP07是低輸入失調電壓的集成運放，具有低噪聲，溫漂小等特點。它的主要技術指標如下：輸入失調電壓小，只有10μV；輸入失調電流為0.7nA；輸入失調電壓溫度系數為0.2μV/℃；電源電壓范圍為；靜態電流為500μA。OP07的符號如圖2-48(a)所示，其中引腳1和8是調零端，引腳4是負電源，7是正電源。通常，在電位器的兩個調零端之間接一個可調電位器，電位器的滑動端接負電源，如圖2-48(b)所示。調整電位器，可使失調電壓為零，現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-48OP07運算放大器的封裝圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路3.NE5532運放NE5532是一種高性能、低噪聲的雙運放芯片。相比較大多數通用運算放大器，它有更好的噪聲性能，更高的驅動能力和相當高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在高品質和專業音響設備，儀器和控制電路和電話通道放大器，引腳如圖2-49所示。NE5532參數特點：小信號帶寬為10MHz；輸出驅動能力為600Ω，10V有效值；輸入噪聲電壓典型值為；直流電壓增益為50000；交流電壓增益為2200(10KHz)；功率帶寬為140KHz；轉換速率為9V/μs；電源電壓范圍為±3V~±20V。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-49NE5532封裝引腳圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路4.LM358單電源運放LM358內部有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358特性：內部頻率補償、直流電壓增益高(約100dB)、單位增益頻帶寬(約1MHz)，電源電壓范圍寬：單電源(3V~30V)、雙電源(±1.5V~±15V)，低功耗電流，適合于電池供電；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；輸出電壓擺幅大(0~Vcc－1.5V)。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-50LM358封裝引腳圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路5.四運放LM324LM324在同一基片上集成了四個性能相同的運放，每個運放的內部都有一個補償電容，它在振蕩器、多路放大器、比較器等應用場合中使用較廣。LM324在雙電源工作時，最大電源電壓為±16V，它也可在單電源條件下工作，此時，11端接地，最大電源電壓為32V。LM324為14引線雙列直插式封裝，如圖2-51所示。其特性見表2-12。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-51LM324運放封裝圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路表2-12U+=5～30VT=25℃參數名稱測試條件最小典型最大單位輸入失調電壓2.07.0mV輸入失調電流5.050nA輸入偏置電流45250nA大信號電壓增益U+=15V，RL=5KΩ88k100k電源電流U+=30V，Uo=0，RL=∞1.53.0mA共模抑制比Rs≤10kΩ6570dB現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路6.高精度儀表運放AD620AD620是一種只用一個外部電阻就能設置最大放大倍數為1000的低價格、低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3V~±18V;最大供電電流僅為1.3mA。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-52AD620引腳圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調電壓為50mV，最大輸入失調電壓漂移為1mV/℃，最大輸入偏置電流為2mA。G=10時，其共模抑制比大于93dB。AD620的增益范圍由Rg決定，如圖2-52(b)所示，計算公式為：。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路7.電壓比較器電壓比較器可以看作是放大倍數接近“無窮大”的運算放大器。常見的運算放大器如LM324、LM358、μA741、TL081、OP07、OP27，這些都可以做成電壓比較器（不加負反饋）。LM339、LM393是專業的電壓比較器，切換速度快，延遲時間小，可用在專門的電壓比較場合，其實它們也是一種運算放大器。電壓比較器能比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)：當“＋”輸入端電壓高于“－”輸入端電壓時，電壓比較器輸出為高電平；當“＋”輸入端電壓低于“－”輸入端電壓時，電壓比較器輸出為低電平。電壓比較器可用作模擬電路和數字電路的接口，還可以用作波形產生和變換電路等。利用簡單電壓比較器可將正弦波變為同頻率的方波或矩形波。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路雙集成比較器LM393為集電極開路輸出，兩個比較器的輸出可直接并聯，共用外接電阻，它可以雙電源供電，也可以單電源供電。比較器的電源電壓是2~36V或±18V，輸出電流大，可直接驅動TTL和LED。四電壓比較器LM319、LM139、LM239和LM339與LM119的功能基本相同。LM393的符號如圖2-53(a)所示。其中8腳為正電源，4腳為電源地。圖2-53(b)所示為LM393實現一個小車軌跡檢測電路。現代電子技術工程設計與實踐2.2.3運算放大器及比較器應用電路圖2-53LM393封裝及應用電路現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片數字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。常用的數字集成電路從制造工藝上可分為雙極型（如TTL型）和單極型（CMOS型）兩類。TTL數字集成電路是雙極型數字電路，參與導電的是電子和空穴兩種載流子。TTL集成電路有54/74系列國際通用的標準集成電路。74系列數字集成電路從最初的74XX（標準型）到現在已發展成74LSXX（低功耗肖特基型）、74SXX（肖特基型）、74ALSXX（先進低功耗肖特基型）、74ASXX（先進肖特基型）、74FXX（高速型）等系列。CMOS電路是將NMOS管和PMOS管連接成互補形式而組成的集成電路。國際上通用的CMOS數字邏輯電路，主要有美國無線電（RCA）公司的CD400O系列產品和美國摩托羅拉（Motorola）公司開發的MC14000系列產品。

現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片1.數字集成電路的分類數字集成電路按其實現的功能可分為組合電路和時序電路。（1）組合電路組合電路由最基本的邏輯門電路組合而成，是沒有存儲功能的數字集成電路，其輸出狀態僅與當前的輸入狀態有關。其特點為輸出值只與當時的輸入值有關，即輸出唯一地由當時的輸入值決定。（2）時序電路在組合電路的基礎上再加上存儲單元，便構成了時序電路。時序邏輯電路是指任意時刻的輸出狀態不僅與該時刻的輸入信號狀態有關，而且還與信號作用前電路的狀態有關。現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片2.常用的數字電路元件常用的數字集成電路及引腳如圖2-54所示。現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片圖2-54常用的數字電路元件引腳圖現代電子技術工程設計與實踐2.2.4常用數字電路芯片3.數字集成電路使用注意事項（1）不允許在超過極限參數的條件下工作。（2）電源電壓的極性千萬不能接反。（3）CMOS電路要求輸入信號的幅度不能超過Vcc～Vss。（4）對多余輸入端的處理，CMOS電路不能懸空，TTL電路懸空為高電平。（5）注意設計工藝，增強抗干擾措施。現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路要實現模擬量到數字量的轉換，AD采集是現代電子系統設計中必不可少的前向通道，芯片種類很多，主要的關鍵參數有兩個：轉換速度(采集頻率)和位數（分辨率，采集精度）。選取時要根據項目選取合適的芯片，但上述兩個參數也決定了AD芯片的價格。下面僅對常用的兩種AD芯片作一介紹。現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路1.A/D轉換芯片ADC0809ADC0809是CMOS工藝，采用逐次逼近型的8位A/D轉換芯片，28腳雙列直插式封裝，片內除A/D轉換部分外還有多路模擬開關部分。多路開關有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換。（1）ADC0809引腳說明現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路圖2-55ADC0809引腳說明現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路（2）ADC0809與單片機的接口電路設計ADC0809與單片機的連接可以采用查詢方式，也可采用中斷方式。圖2-56為中斷方式連接的電路圖，由于ADC0809片內有三態輸出鎖存器，因此可直接與單片機接口。現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路圖2-56ADC0809與單片機的接口電路設計現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路2.A/D轉換芯片TLC5510TLC5510是美國德州儀器(TI)公司生產的8位半閃速結構(Semi-FlashArchitecture)模數轉換器，并采用CMOS工藝制造，大大減少了器件中比較器的數量。TLC5510可以提供最大20Msps的采樣率，廣泛用于高速數據轉換、數字TV、醫學圖像、視頻會議以及QAM解調器等方面。TLC5510引腳說明見圖2-57。現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路圖2-57TLC5510引腳說明現代電子技術工程設計與實踐2.2.5AD轉換芯片及電路（2）圖2-58是TLC5510與單片機的接口電