我們身邊有各種各樣的電器,例如電視、VTR、CD組合式收錄機、計算機等,打開這些電器的機殼就會發現內部幾乎全是IC,已經很難找到晶體管或FET等分立的放大器件了。在計算機的主機板上,甚至連電阻都很難見到。
電子電路的這種IC化方向當然是工程技術人員所向往的,因為它能夠在有限的空間內很方便地滿足使用者所要求的解決各種難題的功能,而且更廉價。
當然,目前的現狀也不是完全不再使用晶體管、FET等分立的半導體器件。在一些最先進的大功率/大電流電路、低噪聲放大電路、高頻電路等電子電路中除IC外仍然還使用著多種分立器件。
可以說目前的電子電路中,IC通常應用于一般電路中,而分立的晶體管和FET應用于追求高性能的最先進的電路中。
也不完全拘泥于這種區分。在我們身邊當然還有考慮到晶體管和FET的特點,通過與IC的組合而應用的實例,這樣往往能夠組成更有趣的電路,性能相同而更廉價的電路。下面首先分析使用IC、晶體管、FET的電路的優缺點,然后分別討論使用的問題。
1.1.1使用IC的優缺點
1.電子電路中使用IC的優點
(1)可以減少部件數目。IC是將一個電路原封不動地封裝在一個管殼中。因此,使用IC可以減少構成電路的部件數目。將電路集成化并封裝起來,使得電路整體變小了。
(2)縮短了設計時間。將具有嚴格的常數設定的電路IC化,能夠縮短設計時間。如果所有電路都集成化,那么“電路設計”就變成了選擇IC的工作。
(3)降低了成本。通過將標準的電路集成化批量生產,能夠降低IC自身的價格,從而使電路整體的成本下降。
2.使用IC的缺點
(1)只能在一定程度上滿足其性能要求。為了使通常的IC具有更廣泛的應用,需要將一定程度上標準化的電路集成化。因此,使用IC時,在性能上必然會有一定的妥協。所以說,使用IC的電路并不能得到非常完美的性能。
(2)不能夠變更內部電路。這是顯而易見的事情。已經制成的電路以及管腳配置是不能夠變更的。但是在數字IC領域,使用者在一定程度上具有變更內部電路管或腳配置的自由,例如PLD(Prorammable Logic Device,可編程邏輯器件)。在將來,模擬IC中也會具有這種功能。
1.1.2使用晶體管和FET的優缺點
1.電子電路中使用晶體管和FET的優點
(1)能夠實現高性能。IC內部的半導體器件由于受制造條件的制約,其性能往往低于分立器件。因此設計者使用分立器件能夠制作出比IC性能更優良的電路。
(2)什么樣的電路都能夠制作。晶體管和FET是放大單元、開關單元的最小單位,所以具有制作任何電路的可能性。
2.使用晶體管和FET的缺點
(1)增加了部件數目。如果一個電路使用2~3個IC就能夠制成,那么使用分立器件時需要的部件數目將會增加到20~30個。
(2)設計周期長。由于必須選擇和確定電路所需要的所有元器件及其數值,所以花費的時間長。
(3)成本高。不能說所有情況下的成本都高,但是大多數情況下,由于使用的分立器件多,整體上成本(也考慮到制造成本)提高了。
1.1.3靈活使用IC以及晶體管、FET
圖1.1分別示出了IC的OP放大器和用分立半導體器件構成的OP放大器。IC是一個小的電路塊,而用分立半導體器件組成的同樣功能的電路則成為有一定規模的電路。所以,對于性能沒有很高要求的電路來說應該使用IC。但是,當通用的OP放大器不能實現電路性能要求時怎么辦?
首先應該考慮使用比通用器件性能更高的OP放大器。但是高性能OP放大器的價格高,而且往往難以獲得。
因此應該考慮采用通用IC與晶體管、FET等分立半導體器件組合使用的方法,這種方法的成本不是很高,卻能夠實現電路的高性能。這樣做可以充分發揮IC和分立器件各自的優點。
圖1.2就是將OP放大器與分立半導體器件組合使用的例子。
圖1.2(a)的電路是在OP放大器的輸出端追加了射極跟隨器,增大輸出電流。與IC相比,雙極型晶管能夠處理大電流,所以當要求改善IC的輸出特性時經常使用它。
圖1.1 兩種方法構成的OP放大器
圖1.2 利用IC與FET、晶體管組合的方法提高性能的示意圖
圖1.2(b)是在OP放大器IC的輸入端插入源極跟隨器,輸入電流非常小的電路(也有用FET輸入的OP放大器IC,使用分立的FET器件,對改善噪聲特性特別有利)。由于FET器件本身的輸入阻抗高,所以當希望改善IC的輸入特性時經常采用這種電路。
1.1.4靈活使用技術
不僅是上面所說的純粹的模擬電路,在數字電路以及開關電路中也采用類似的方法。
圖1.3是用數字電路IC的輸出驅動負載的開關電路中使用晶體管、FET的例子。也有這種開關電路的專用IC,不過使用晶體管或FET有時更加合理。
圖1.3 在開關電路中的應用例
巧妙地將IC與晶體管、FET靈活組合使用是非常有趣的工作。IC的靈活使用并不困難,對于晶體管和FET分立器件來說,它的熟練使用需要一定的支持(也就是技術)。
熟練掌握晶體管和FET的技術并不是那樣困難。電路設計方面只要抓住“怎樣工作”這樣的概念,剩下的就是進行簡單的四則運算。