模擬電子電路及技術基礎第六章

6.1基本要求及重點、難點

6.2習題類型分析及例題精解

6.3習題解答第六章集成運算放大器電路原理

1.基本要求

(1)了解集成運算放大器的組成和電路特點。

(2)了解電流源在集成運放中的作用；掌握單管、鏡像、比例、微電流和負反饋型電流源以及有源負載放大器的組成、特點以及電路的分析、計算。

(3)掌握差動放大器的結構特點、基本工作原理、主要性能指標、傳輸特性以及差動電路的分析、計算；了解差動電路的推廣應用。

6.1基本要求及重點、難點

(4)了解集成運算放大器的輸出級電路(即互補對稱型射極輸出器)分析以及交越失真的概念和克服方法。

(5)理解以F007為例的集成運算放大器內(nèi)部電路組成和分析方法。

(6)了解MOS集成運算放大器的電路組成和分析方法。

(7)理解集成運算放大器的主要性能指標。

2.重點、難點

重點：電流源電路的分析、計算，差動放大器的特點、工作原理、性能指標、傳輸特性，以及電路的分析、計算。

難點：差動放大器的分析、計算和集成運放內(nèi)部電路的分析。

1.晶體管電流源電路計算

偏置在放大狀態(tài)下的晶體管在其集電極(漏極)端等效為一電流源。因此，電流源電路的計算本質(zhì)上就是恒流管直流工作點ICQ或IDQ的計算。對于鏡像、比例和小電流電流源，首先應確定其參考電流，然后或按鏡像或按比例或按對數(shù)關系確定電流源管的電流。

另外，要保證導通下的電流源管在任何情況下既不飽和也不擊穿，則電流源集電極輸出端的電位應滿足：|UCB|≥0且|UCE|<U(BR)CEO。6.2習題類型分析及例題精解

【例6-1】晶體管壓控電流源電路如圖6-1所示。已知各晶體管的UBE相同，β足夠大，uc為控制電壓。

(1)試推導電流源輸出電流IC4與uc的關系式，并說明uc允許的取值范圍；

(2)若UBE=0.7V，取UCC=12V，R=23kΩ，RA=4kΩ，求uc=6V時的IC4，并確定IC4受控變化的范圍；

(3)若V4管的擊穿電壓U(BR)CEO=40V，試確定電流源輸出端電位UC4允許的取值范圍。圖6-1例6-1電路圖解(1)

為保證V2、V3管放大導通，uc的最大值ucmax≤UCC－UBE2－UBE3=UCC－2UBE2。而當IC4趨于零時，為保證V4管不截止(即V3管不飽和)，則uc的最小值ucmin≥IC2RA。故uc的取值范圍為

(2)

而IC4的最小值趨于零。因此，IC4的受控變化范圍為0~

2.15mA。

(3)由于V4管的基極電位UB4=uc+UBE，而射極電位UE4=

uc，因此使其不飽和也不擊穿的UC4允許取值范圍為

uc+UBE≤UC4<40+uc

2.差動放大器性能分析

(1)差放管直流工作點計算。計算必須從差放管的耦合元件支路入手。若是電阻耦合，可直接算出電阻上的電流；若是電流源耦合，應算出電流源的輸出電流，則差放管的工作電流為該電流的一半。

(2)差動放大器差模指標計算。由于差動放大器建立在結構對稱的基礎上，因而差模指標的計算可轉化為耦合支路接地的單邊放大器的計算。具體地說：雙端輸出的電壓放大倍數(shù)為單邊放大器的電壓放大倍數(shù)，輸出電阻為單邊的兩倍；單端輸出的電壓放大倍數(shù)為單邊接負載的放大器電壓放大倍數(shù)的一半，輸出電阻為單邊的輸出電阻；雙端輸出和單端輸出的輸入電阻均為單邊輸入電阻的兩倍。

(3)差動雙向限幅器。根據(jù)射極耦合差動放大器電壓傳輸特性的非線性，當輸入電壓超過100mV時，輸出電壓將被限幅。因此，差動放大器在輸入幅度超過1V的正弦波、三角波等信號時，其輸出變?yōu)榻品讲ā?/p>

【例6-2】差動放大器電路如圖6-2所示。已知晶體管的UBE=0.7V，β=100,rbe1=rbe2=3kΩ，試解答下列各問題。

(1)若要求差放管的靜態(tài)工作電流為1mA，求R3。

(2)靜態(tài)時(ui1=ui2=0)，若將電位器Rw的動臂左、右移動，其輸出端uo1和uo2的直流電位將如何變化？并說明Rw的作用。

(3)若輸入信號分別為ui1=20sinωt(mV)，ui2=50mV，且兩輸出端接有RL=8kΩ負載，求此時雙端輸出電壓uo(uo1－uo2)及單端輸出電壓uo2;

(4)在上題中，若將負載接于uo1端輸出，則V1管靜態(tài)工作點有何變化？此時輸出電壓uo1是多少？

(5)當輸入信號時，若將電位器Rw的動臂左、右移動，試問輸出電壓和輸入電阻是否隨其改變？

(6)確定電路允許輸入共模電壓的范圍。圖6-2例6-2電路圖

解(1)要求差放管靜態(tài)電流為1mA，則比例電流源的V3管輸出電流應為IC3=2mA。由于比例電流源的參考電流為

故

(2)當Rw的動臂左移時，接于V1管射極的電阻減小，而V2管射極電阻增大，從而使ICQ1增大，ICQ2減小，進而引起uo1端的電位降低，uo2端的電位升高。反之，當動臂右移時，則uo1端的電位升高而uo2端的電位降低。

由于差動放大器不可能做到完全對稱，因而靜態(tài)時雙端輸出電壓不為零，即產(chǎn)生失調(diào)。根據(jù)上述原理，可通過人為調(diào)整Rw，使得零輸入時輸出為零。這一過程通常稱為調(diào)零，而Rw即為調(diào)零電位器。

(3)因為雙端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為

所以

uo=uo1－uo2=Aud(ui1－ui2)=-20×(0.02sinωt-0.05)

=1-0.4sinωt(V)

由于uo2端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的負一半，故

(4)將負載RL接于uo1端輸出時，V1管集電極部分電路如圖6-3(a)所示，圖中IC1Q保持不變。為了確定UCE1Q，首先利用戴維南定理從集電極端看進去可等效為一開路電壓UCC′和一內(nèi)阻RL′，如圖6-3(b)所示。其中

RL′

=RC∥RL=8∥8=4kΩ

由此可得

UCE1Q=UCC′－IC1QRL′－UE1=7.5－1×4－(－0.7)=4.2V

在不接RL時

UCE1Q=UCC－IC1QRC－UE1=15－1×8－(－0.7)=7.7V相比之下，接負載后V1管靜態(tài)工作點電壓UCE1Q減小了。

uo1端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的一半，但要注意，此時雙端輸出的負載不是RL/2而是RL，即

因此

uo1=Aud1(ui1－ui2)=－15×(0.02sinωt－0.05)

=0.75－0.3sinωt(V)圖6-3

(5)電位器Rw的動臂左、右移動時，差模電壓放大倍數(shù)保持不變，因而輸出電壓也不變。這是因為動臂在移動時，加在Rw兩端的輸入差模電壓固定不變，兩管發(fā)射結分到的輸入差模電壓也將保持不變，從而保持了兩管的輸出電流與動臂在中點時的輸出電流相同。同理，輸入電阻也保持不變，仍為

Ri=2rbe+(1+β)Rw=2×3+(1+100)×0.2=26kΩ

(6)由于射極耦合電流源的共模負反饋作用，當輸入共模電壓時，其共模輸出電流近似為零，即兩差放管的射極電位將跟隨輸入共模電壓變化。因此，為使差放管不飽和，輸入共模電壓uic的最大值uicmax應滿足

uicmax≤UC1(2)Q=UCC－IC1(2)QRC=15－1×8=7V

同時為保證恒流管V3不飽和，則uic的最小值uicmin應滿足

uicmin≥UB3=－UEE+IrR1=－15+1×11.3=-3.7V

故而允許輸入共模電壓的范圍為

7V≥uic≥－3.7V

當輸入同時加有差模電壓uid時，若其最大和最小值分別為uidmax和uidmin，則

7V－uidmax≥uic≥－3.7V－uidmin

【例6-3】差動電路如圖6-4(a)所示。已知輸入電壓ui=1.2cosωt(V)。

(1)試畫出輸出電壓uo對應輸入的波形，并標明波形的幅度；

(2)若輸入不變，RC改為5kΩ,試分析uo的波形有何變化。

圖6-4例6-3電路圖及波形圖

解(1)由于輸入電壓ui為遠大于100mV的余弦波，所以在ui的正半周，V1很快截止，這時uC1=－UCC=-12V，而V2放大導通，IC2=I=3mA，uC2=－UCC+IC2RC=－12V+2×3=

－6V。所以uo=uC1－uC2=－6V。在ui的負半周，情況正好相反，V2很快截止而V1放大導通，此時uo=6V。據(jù)此，對應輸入畫出的uo波形分別如圖6-4(b)、(c)所示。

(2)當RC變?yōu)?kΩ時，情況有所不同，這時兩管的臨界飽和電流(約為2.4mA)小于電流源電流。因此，在ui的正半周，V1截止而V2飽和導通。V2進入飽和后，其射極電位升高，基極電流明顯增大，而飽和壓降UEC2S和IC2相應減小，使得UC2≈0，故此uo≈－12V。反之，在ui的負半周，V2截止而V1飽和導通，uo≈12V。對應的波形如圖6-4(d)所示。

6-1集成運放F007的電流源組如圖P6-1所示，設UBE=0.7V。

(1)若V3、V4管的β=2,試求IC4；

(2)若要求IC1=26μA,試求R1。

解(1)

6.3習題解答

圖P6-1

(2)

圖P6-2

6-2由電流源組成的電流放大器如圖P6-2所示，試估算電流放大倍數(shù)Ai=Io/Ii。

解IE1≈IC1=Ii

IE2≈IC2≈IC3≈IE3

IE4≈IC4≈Io

IE1·2R≈IE2R,IE2=2IE1=2Ii

IE3·3R≈IE4R,IE4=3IE3=6Ii

故Io≈IE4=6Ii

6-3用電阻R2取代晶體管的威爾遜電流源，如圖P6-3所示，試證明IC2為

解

而

故有圖P6-3

6-4電路見圖P6-4，已知UCC=UEE=15V,V1、V2管的β=100,rbb′=200Ω,RE=7.2kΩ,RC=RL=6kΩ。

(1)估算V1、V2管的靜態(tài)工作點ICQ、UCEQ；

(2)試求及Rid、Rod。

解(1)

UCEQ=UCC+0.7－ICQRC=15+0.7－1×6=9.7V圖P6-4

(2)

Rid=2rbe=2×2.8=5.6kΩ

Rod=2RC=2×6=12kΩ

6-5差動放大器如圖P6-5所示。已知UCC=UEE=

15V，RB=2kΩ,RC=RE=RL=10kΩ,V1、V2管的β=100,rbe=3.8kΩ。

(1)估算V2的靜態(tài)工作點IC2Q、UCE2Q；

(2)估算共模抑制比KCMR；

(3)求Rid和Roc。

圖P6-5

解(1)

由戴維南定理求得V2管集電極端的等效電源電壓U′

和內(nèi)阻RC′

分別為

因而

UCE2Q=UCC′

－IC2QRC′

+0.7=7.5－0.72×5+0.7=4.6V(2)

(3)Rid=2(RB+rbe)=2×(2+3.8)=11.6kΩ

Roc=RC=10kΩ

6-6電路見圖P6-6。已知V1、V2和V3管的β=50,

rbb′=200Ω,UCC=UEE=15V,RC=6kΩ,R1=20kΩ,R2=10kΩ,R3=2.1kΩ。

(1)若ui1=0,ui2=10sinωt(mV),試求uo；

(2)若ui1=10sinωt

(mV),ui2=5mV,試畫出uo的波形圖；

(3)若ui1=ui2=Uic,試求Uic允許的最大變化范圍；

(4)當R1增大時，Aud、Rid將如何變化?圖P6-6解(1)

(2)

uo=Aud(ui1－ui2)=－200×(10sinωt－5)=1－2sinωt(V)

其波形如圖P6-6′所示。圖P6-6′(3)

UC1=UCC－ICQRC=15－1×6=9V

故共模輸入電壓Uic應滿足：－10V<Uic<9V。

(4)R1↑→UR2↓→IE3(IC3)↓→IE1Q(IE2Q)↓→

rbe1(rbe2)↑,使得Aud減小，而Rid增大。

6-7場效應管差動放大器如圖P6-7所示。已知V1、V2管的gm=5mS。

(1)若IDQ=0.5mA,試求Rr；

(2)試求差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uo/Ui。圖P6-7

解(1)

(2)

6-8在圖P6-8所示的共射-共基組合差動放大電路中，設超β管V1、V2的β=2000,V3、V4的β3=β4=100,試求差模電壓放大倍數(shù)Aud和差模輸入電阻Rid。

解電路為共射-共基組合電路的差動放大器。其差模電壓放大倍數(shù)為

其中

故

圖P6-8

6-9電路如圖P6-9所示。設β1=β2=β3=100,rbe1

=rbe2=5kΩ,rbe3=1.5kΩ。

(1)靜態(tài)時，若要求Uo=0,試估算I；

(2)計算電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui。

解(1)當Uo=0時，有

圖P6-9

(2)

6-10電路見圖P6-10。設UCC=UEE=15V,I=2mA,RC=

5kΩ,uid=1.2sinωt(V)。

(1)試畫出uo的波形，并標出波形的幅度；

(2)若RC變?yōu)?0kΩ，uo波形有何變化?為什么?

解(1)由于Uid=1.2V>>0.1V，電路呈現(xiàn)限幅特性，其uo波形如圖P6-10′所示。

(2)當RC變?yōu)?0kΩ時，uo幅度增大，其值接近±15V，此時，一管飽和，另一管截止。圖P6-10

圖P6-10′

6-11電路見圖P6-11。已知β1=β2=100,rbe1=rbe2=

5kΩ,Rs=2kΩ,Rw=0.5kΩ,RC=8kΩ。

(1)靜態(tài)時，若uo<0，試問電位器Rw的動臂應向哪個方向調(diào)整才能使uo=0?

(2)若在V1管輸入端加輸入信號Ui,試求差模電壓放大倍數(shù)和差模輸入電阻。圖P6-11解(1)若uo<0,Rw的動臂應向右移動。

(2)

6-12有源負載差動放大器如圖P6-12所示。

(1)試分析在輸入信號作用下，輸出電流ΔIo與V1、

Ｖ2管輸出電流之間的關系；

(2)計算差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uo/Ui。

解(1)因為ΔIC1=ΔIC2，而ΔIC1≈ΔIC3≈ΔIC4,所以

ΔIo=ΔIC4+ΔIC2=ΔIC1+ΔIC2=2ΔIC2

(2)

圖P6-12

6-13集成運放5G23電路原理圖如圖P6-13所示。

(1)簡要敘述電路的組成原理；

(2)說明二極管VD1的作用；

(3)判斷2、3端哪個是同相輸入端，哪個是反相輸入端。

解(1)