1.4 模拟集成电路在实际应用中应注意的问题

模拟集成电路（尤其是运算放大器）在使用时，通常应注意以下问题。

1.4.1 参数应符合要求

模拟集成电器在使用时，应先确认其工作参数是否符合要求。可以采用简单测量方法或专用的参数测试仪器来测量。

1.4.2 应设置保护电路

根据实际工作的需要，对所使用的集成电路加装保护电路。例如：输入保护、输出保护、电源极性接错保护与电源启动瞬时过电压保护等。

1.4.3 要合理使用调零电路

对于运算放大器来说，由于失调电压和失调电流的存在，当输入信号为零时，输出一般不为零。为此，就需要有调零措施，以补偿因输入失调造成的影响，使放大器输入为零时，输出也为零。另外，通过调零，也可检查运算放大器工作是否正常。常用调零方式示意图如图1-13所示。

1. 外接调零电位器

外接调零电位器的方法如图1-13（a）、（b）所示。其中，图1-13（a）所示是采用调集成电路内输入级内接晶体管集电极电阻值的方式。图1-13（b）所示是采用改变集成电路内输入级有源负载的射极电阻值，以达到输出为零的目的。

2. 引入电压至输入级

图1-13（c）所示是利用电源电压+EC和-EC通过电位器RP引入一个电压到输入级，调节RP的大小即可补偿输入失调对输出的影响。

这种调零方式的缺点：当电源电压稳定性不好时，将会在输出端引起附加的漂移电压。

3. 外接闭环反馈电路

图1-13（d）所示由于调零补偿端（⑪脚内）是在集成电路的放大电路内部。当在该集成电路外部外接闭环反馈电路以后，即包括在外部的闭环回路内，产生的漂移可受到负反馈的削弱。由此，也可对调零进行适当的补偿。

4. 加接稳压电源

图1-13（e）所示是采用一个质量较好的稳压电源EA，通过RP给同相信号输入端加入一个补偿电压，使输出为零。

采用加接稳压电源的方式进行调零的缺点是需外接一只稳压电源。

1.4.4 自激的消除方法

对于运算放大器来说，为了保证运算精度，多采用深度负反馈。由于线性集成电路本身的增益又很高，这就使集成运算放大器很容易产生自激振荡，如果不消除自激振荡，集成运算放大器根本无法正常工作。

1. 自激的特征

在调试过程中，当输入为零时，输出总是处于饱和状态，或示波器的荧光屏上总是有一定幅值和频率的输出电压，这就是自激振荡现象。

2. 自激的鉴别

（1）自激具有周期性

大多数自激振荡都是周期性的，故可以在示波器的荧光屏上调出稳定的信号。一些复杂的电路，可能同时产生频率不同的振荡。如果电路中含有变压器、扼流圈等磁性元件，有时强大的自激振荡将迫使线圈产生机械振动，一个以上频率的电路振荡和机械振动搅在一起，很难在荧光屏上观察到稳定的波形。在这种情况下，不要轻易将自激振荡判断为随机噪声。

（2）寄生反馈会产生间歇自激

当电路中存在有很强的寄生反馈时，往往会产生间歇振荡。间歇振荡的包络频率通常较低，当包络内的高频振荡频率超出示波器的通频带时，在荧光屏上观察到的只是低频振荡。

鉴别其究竟是真正的低频寄生振荡，还是高频的间歇振荡，可以改变电路的接线或用手触摸电路的某些部位。如果是低频自激振荡，不会受微小的寄生电容量、电感量的影响。受到影响而使振荡的幅度发生明显变化的，则必定是高频间歇振荡。

（3）自激振荡回路Q值不高

在大多数情况下，产生自激振荡的振荡回路Q值不会很高。因此，低频寄生振荡的波形很少是纯度高的正弦波，幅度一般很大，几乎接近电源电压。而频率较高的自激振荡幅度往往较小，波形比较接近正弦波。例如，运算放大器中产生的高频振荡振幅会受到运算放大器速率的限制，谐波分量在很大程度上受到寄生分布电容量或示波器通频带的影响，在示波器荧光屏上显示出的幅度不太大，形状接近正弦波。

（4）高频自激易受分布参数影响

较高频率的自激振荡容易受电路分布参数的影响，其振荡幅度、波形及频率往往因测试仪器接入点不同、测试线的长短、人体的接近与触摸而变化。

对于这类自激振荡，可在最敏感的部位对地接一个数十或几百皮法的电容器，一般可以消除。

（5）大信号自激有时会与有用信号叠加

工作于大信号情况下的模拟电路，有时寄生振荡会与有用信号的某一部分进行叠加，如图1-14（a）所示。这是因为器件的工作状态随有用信号大幅度改变，寄生反馈的环路增益也随之改变，叠加有自激振荡的那一部分波形，相当于器件工作状态进入满足自激振荡启振条件的区域。当自激振荡的频率超出示波器的通频带而被滤波时，观察到的有用信号波形会出现失真。图1-14（b）所示是一种典型情况，波形出现了一个缺口。

3. 用实验法确定消振电容器

为了消除自激振荡，通常都采用加接消振电容器的方法。对于消振电容器的容量值，可以根据振荡频率f0来选择消振元件R、C的数值。可先用示波器或频率计等仪器测出振荡频率f0，然后根据以下公式选取R与C的值。

1/RC≤2πf0

这样做是为了在振荡频率附近降低放大器的开环增益，破坏自激振荡条件。

也可以先选定一个电容器C，再用一个电位器代替R0用实验法确定消振电容器的电路，如图1-15所示。然后调电位器使输出振荡消除为止。如果不起作用，可换一个容量值大一些的电容器C再试，直到振荡消除为止。当然，也可以通过调整电容器C的容量值来消除自激振荡。

1.4.5 参数不符模拟集成电路的处理

如果使用的模拟集成电路参数不符，可在一定限度内采取改善性能的措施。例如：加辅助调零以改善失调电压、减小失调电流、提高输入电阻值、提高负载能力、适当降低工作电源电压，加大散热片改善散热条件等。

总之，对参数不符的集成电路的处理，是要以模拟集成电路能够稳定、可靠、安全和高性能地工作为基本原则而采取的一种相应措施。

1.4.6 噪声干扰的消除

要消除噪声干扰就要知道噪声的种类及来源，以便于采取正确的方法来减小或消除噪声干扰。

1. 噪声的种类及来源

噪声干扰是模拟电子电路中不需要的信号，应对其进行准确的鉴别，使用模拟集成电路时应采取有效的措施进行消除。

（1）市电干扰

市电干扰的频率为50Hz或其整数倍，如果模拟电子电路中出现了不需要的、频率为50Hz或其整数倍的信号，还不能完全断定是来自市电的干扰。

区分是市电干扰还是寄生振荡，可以将示波器的扫描同步信号置于市电挡，如能同步，则是市电干扰，因为寄生振荡的频率很难与市电频率（或其整数倍）丝毫不差。

（2）外部非市电干扰

外部非市电干扰与寄生振荡均是周期性信号。由于外部非市电干扰一般随时间和空间而变化，例如离干扰源较近时干扰就大，离干扰源较远时干扰就小。因此，可通过移动被测电路（有条件时，最好移至屏蔽室内），或调查附近有无频率相同的干扰源存在而确定。

另外，干扰信号往往不是一天24小时都存在。例如，高增益的放大器，在其输出端可能输出广播电台的信号，广播电台的信号在电台停播时消失，对于调幅广播信号，还可以在示波器的荧光屏上观察到音频范围的幅度包络变化。

（3）元器件噪声干扰

元器件的噪声干扰具有随机的性质，显示在示波器的荧光屏上是杂乱无章的信号波形，无论怎样调节示波器的扫描同步信号，改变扫描速度，都不能在示波器上观察到稳定的信号波形。

2. 减小噪声干扰的方法

模拟电路中的集成运算放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，故噪声干扰信号可通过多种渠道（如电源线等）进入高增益的集成运算放大电路。

因此，在要求严格，由集成运算放大电路构成电子设备应用中，必须采取一定的措施，以使噪声干扰降到最低限度。常见的措施主要有以下6个方面。

（1）每个集成运算放大电路都应有旁路措施

对靠近集成运算放大电路的电源线应跨接一只通用的陶瓷旁路电容器。旁路电容器的电容量必须符合上升时间的要求，且选用温度稳定和精度为±10%的电容器。

（2）印制电路板的地线应有足够的宽度

大多数噪声干扰信号通常都处于射频段，这些信号具有较强的趋肤效应。因此，设计的印制电路板，在条件允许的条件下，应尽量加宽印制电路板上地线的宽度，以增大地线的表面积，减小地线阻抗，使噪声干扰信号能够顺畅“入地”。

（3）注意“公共点”和“接地点”的连接方式

接地导线在任何场合均不应用来传送功率。系统中的“接地”和“公共”导线不能构成环路，否则，接地环路就会将噪声引入相应的电路。

（4）尽量选用小功率电阻器

除了功率损耗或其他问题对电阻器的功率有要求必须满足外，一般在集成运算放大电路中应尽量选用小功率的电阻器。

（5）要有稳定的高绝缘输入

应用运算放大电路组成的高输入阻抗电路（例如微小电流检测电路、模拟存储电路等），特别容易耦合进各种噪声。故在电路的装配工艺中，应采用如下的特别措施。

① 提高印制电路板的绝缘性能；对信号输入端采取隔离措施。

② 采用隔离基极的方法。将绝缘性能极好的聚四氟乙烯（绝缘电阻值为107MΩ）制成的接线柱隔离基板安装在印制电路板上，凡高输入阻抗部分均在此接线柱上连接，从而保证了电路的高绝缘性能，又有一定的抗振性，装配也很方便。

（6）注意装配方面的问题

集成运算放大电路基本上都在高增益放大电路的基础上构成的。输入端的微小干扰极易影响输出的信号，特别是在输入端的电路装配不当，使耦合进的噪声引起对输出电路的干扰时。

因此，在电路装配时应注意以下4个方面的所示。

① 不要在反相输入端接过长的连接线和不必要的器件。

② 运算放大器输入端加二极管和输入保护时，不要用外壳透明的二极管，即使外壳涂有黑漆层也要注意不能将其漆层碰伤和剥落，以防太阳电池效应产生电势引起对电路的干扰。

③ 运算放大电路输入使用较长屏蔽线时，应考虑牺牲响应速率而加10kΩ、4700pF的补偿网络。在装配上注意将屏蔽线良好地固定，不要因其振动等不良因素而使充放电成为一种电容式拾音器的干扰源。

④ 应保证滑动触点、继电器触点、印制电路板边沿接插件、集成电路插头座、线绕和炭膜电位器等的接触性能、不要使其成为干扰源。

1.4.7 要正确使用CMOS运算放大器

CMOS运算放大器具有超低漂移、高增益、高共模抑制比等特点，故是放大直流及缓慢变化的微弱信号理想的集成电路。

1. CMOS运算放大器的特点

CMOS运算放大器的特点归纳起来主要有以下6个方面。

（1）输入阻抗

CMOS运算放大器的输入阻抗比双极型运算放大器高得多，一般均大于108Ω。

（2）增益带宽及转换速率

一般的CMOS运算放大器的频率响应特性逊于双极型运算放大器。但由于双极型运算放大器中要使用频率特性较差的横向PNP管，故而在实际应用时，CMOS运算放大器的频率特性不一定低于双极型运算放大器。

（3）输入/输出动态范围

CMOS运算放大器的输入/输出动态范围比双极型运算放大器宽。

（4）功率损耗

CMOS运算放大器的功率损耗远比双极型运算放大器要小得多。

（5）输出负载能力

CMOS运算放大器的输出负载能力要比双极型运算放大器输出负载能力弱。

（6）工作电压范围

高压特性的双极型运算放大器较CMOS运算放大器的工作电压宽。

2. 使用中应注意解决的问题

CMOS运算放大器由于其本身的特性，在使用中应特别注意解决的问题有以下两个方面：

（1）输入端要有保护措施

① 在运输存贮中，需要用导电材料屏蔽或将外收线全部短路。

② 焊接用的电烙铁外壳应良好接地。

③ 应保证输入信号Ui在以下范围内：

USS≤Ui≤UDD

UDD——集成电路正工作电源电压。

若Ui超过CMOS运算放大器的电源电压，应加限流电阻器，以防止保护二极管（在集成电路内部）受损引起可控硅效应。

④ 若信号源与CMOS运算放大器分别用两组电源供电，应先接通运算放大器电源，再接通信号源电源。关机则反之。

⑤ 不使用的输入端应根据逻辑特性接“0（低电平）”或“1（高电平）”。

⑥ 用长线输入信号时，应加限流电阻器（串接在输入信号线之间）或与接地线绞合（指信号线与地线绞合传输），以防止信号线上的感应尖峰信号产生不良影响。

（2）寄生可控硅效应的预防

所谓寄生可控硅效应，就是当CMOS器件受某种意外因素的激发，集成电路的电源引脚UDD与USS间产生的一种低阻状态，从而使电源剧增而瞬间导致集成电路损坏的现象。这就是CMOS集成电路中的PNPN四层结构所内存的寄生可控硅效应。

对于CMOS运算放大器的这种寄生可控硅效应现象，除了在工艺方面进行改进外，应用集成电路时最好对其供电电源进行限流。通常，寄生可控硅效应的维持电流大于30mA，因此供给CMOS运算放大器的电流只要限制在30mA以内，就可保证不会引起可控硅效应。

1.4.8 集成电路实际应用中遇到的问题及处理

目前，模拟集成电路已应用到各种线性领域，尤其是集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的直接耦合放大器，当接适当的输入网络和反馈网络时，可以对信号进行运算、处理、变换，还可以产生各种各样的波形。对于一些低噪声、高速率的运算放大器，由于价格较贵，故在使用时应考虑它们的保护问题。尽管许多运算放大器内部设有各种保护电路，但毕竟不太完善，有必要从外接元件上下功夫来提高运算放大器使用的安全性。对集成运算放大器在使用中的保护，主要有以下4个方面。

1. 电源反接保护

电源反接保护电路如图1-16所示，这是在正、负电源引线上分别串联一只二极管VD1、VD2。当电源极性连接正确时，VD1、VD2均导通，运算放大器正常得电工作；当电源极性接反时，VD1、VD2均截止，从而保护运算放大器不致损坏。

2. 电源过压保护

电源过压保护的常用电路如图1-17所示。为了防止电源电压突然升高导致运算放大器损坏，则可按图1-17（a）所示，在正、负电源上分别设置一个稳压管和一个场效应管。稳压管应选择击穿电压大于运算放大器正常的工作电压，但小于运算放大器的最大额定电压，其保护原理如下。

① 在正常的电源电压以下时，稳压管VD1、VD2截止，运算放大器正常工作，电流低于场效应管饱和漏电电流IDSS，场效应管处于可变电阻区，故交流电阻值很小，只相当于在电源线上串联了一个很小的电阻器。

② 当电源电压突然升高时，稳压管VD1、VD2被击穿，使电源电压钳位，同时稳压管的反向电流使场效应管VT1、VT2电流提高到IDSS，于是场效应管处于饱和区，交流电阻值很大，呈现高阻抗恒流源特性。

从以上分析不难看出：稳压二极管VD1、VD2在电路中起钳位电源电压的作用；场效应管VT1、VT2在电源突然增加时，利用它的高阻抗恒流源特性来承受所超出的电压，从而起到了保护运算放大器的作用。

下面重点介绍两种过压保护的方法。

（1）利用稳压管的稳压特性实现过压保护

图1-17（b）所示是利用稳压二极管稳压特性来实现过压保护的，当运算放大器在受到过压冲击时，稳压二极管VD1、VD2处于被击穿状态，使运算放大器正、负电源间电压始终恒定，不受过压冲击的影响。

（2）利用压敏电阻器的压敏特性实现过压保护

图1-17（c）所示是利用压敏电阻的压敏特性来实现过压保护的，当运算放大器在受到过压冲击时，压敏电阻器迅速减小，从而使电压对运算放大器的冲击减小。

3. 输入保护

由于集成运算放大器对输入信号电压有一个极限要求，超过此电压值，则集成运算放大器不能正常工作，甚至会烧坏。因此，有必要加装输入保护电路。输入保护电路的4种常见形式如图1-18所示，对这4种电路分别介绍如下。

（1）并联二极管加限流电阻器的输入保护

图1-18（a）所示是在运算放大器的输入端接入电阻器R1和两个反向并联的二极管VD1、VD2。当输入信号幅度较小，其绝对值小于VD1、VD2的导通电压UD时，VD1、VD2截止，不起作用；当输入信号幅度较大，其绝对值大于VD1、VD2的导通电压UD时，VD1、VD2中有一只导通，使运算放大器输入端的输入信号幅度被钳制在±UD以内，从而防止运算放大器因输入电压过高而损坏。

（2）共模输入保护

图1-18（b）与（c）所示是共模输入保护电路。其中：

① 图1-18（b）所示是输入电压范围为±0.6～±0.7V，缺点是输入电阻值降低了。

② 图1-18（c）所示电路中，稳压二极管的稳压值可根据运算放大器允许输入的最大信号峰值来选择，这种输入保护电路的输入电压范围较宽，且输入电阻值亦较大，故在大信号输入时常采用这种保护电路方式。

（3）差模输入保护

图1-18（d）所示是一种差模输入保护电路，其运算放大器作差动放大时使用。

（4）输入保护实际应用电路

图1-19所示是选自一种漏电脉冲继电器由运算放大器构成的单元放大电路，是一种输入保护实际应用电路，该单元电路是将电流互感器要测到的信号进行放大。电路中的VD7、VD8（2只1N4002）并联在运算放大器LM324的输入端⑫、⑬脚，就是起防止输入信号过强而使运算放大器损坏的作用，从实际使用效果来看，这种保护措施十分有效。

事实上，这种保护措施不可避免地在运算放大器中产生自锁现象。

所谓自锁现象，简单地讲就是过强的输入信号使运算放大器输入级的三极管处于饱和状态，而使运算放大器不能调零，产生输入信号加不进去的现象。这种自锁现象的出现有时并不会造成运算放大器的损坏，断电以后，经过一段时间可能恢复正常。但应尽量避免产生这种情况，毕竟它会影响运算放大器的正常工作；如果自锁现象严重时，也有可能烧坏运算放大器。

对于图1-18（a）所示电路，还可以避免在运算放大器中产生“堵塞”现象。

4. 输出保护

由于集成运算放大器在处于过载或短路状态时，输出电流将明显增大，以至于损坏运算放大器，故应有保护措施，输出保护常用的有以下4种电路。

（1）镜像电流源保护

采用镜像电流源保护的电路如图1-20所示。图中VT1、VT3串联在运算放大器与电源之间，VT1和VT2及VT3和VT4分别组成镜像电流源，通过它们的电流基本上是恒定的，同时VT2、VT4管还都具有温度补偿作用。VT2、VT4的基极电位，亦即VT1、VT3的基极电位基本上是恒定的，因此流过运算放大器的电流（即VT1和VT3的电流）受到VT2和VT4基极电位的制约。

① 当流过电源内的电流小于运算放大器的总电流指标时，10Ω电阻器上的压降很小，三极管VT1、VT3处于饱和导通状态，电源上相当于串联了一个小电阻器Ress（VT1饱和导通后c-e结间的电阻器）。

② 当流过电源内的电流超过运算放大器的允许电流时，就会使电流源进入恒流状态。这时VT1和VT3具有很高的输出电阻值（交流电阻值）。只要再增加一点电流，在恒流管VT1和VT3管的集电极分别与正、负电源之间就会产生较大的电压降，从而使供给运算放大器的电源电压降低，并限制了运算放大器的总电流，所以保护电路不仅限制了电流，还起到了限制功率的作用。

（2）串联输出限流电阻器保护

输出串联电阻器、场效应管及用稳压管钳位的保护电路如图1-21所示。

图1-21（a）所示是一种串联输出限流电阻器的保护电路。电阻器R0的位置只能放在反馈环内，否则将会使输出电阻值明显增大，从而影响输出功率。

（3）加接场效应管保护

图1-21（b）所示是一种在输出端加接场效应管的保护电路。这种保护方式可以保证电路输出较大的功率。

（4）稳压管钳位保护

图1-21（c）所示是利用稳压管钳位电路作输出过压保护，将两个硅稳压管对接后连接在运算放大器的反馈电路中。正常工作时，输出电压Uo小于稳压管稳定电压UZ，该支路不起作用。

当输出电压大于（UZ+0.6V）时，就有一个稳压管导通，另一个稳压管反向击穿，负反馈加强，反输出电压限制在±（UZ+0.6V）的范围内，从而防止了输出过电压。