第6章 集成運算放大電路

6.1多級放大電路的耦合方式及分析方法一、多級放大電路的耦合方式二、多級放大電路的動態(tài)分析第6章集成運算放大電路三、多級放大電路的構(gòu)成一、多級放大電路的耦合方式

當(dāng)單級放大電路不能滿足多方面的性能要求（如Au＝104、Ri=2MΩ、Ro=100Ω）時，應(yīng)考慮采用多級放大電路。組成多級放大電路時首先應(yīng)考慮如何“連接”幾個單級放大電路，耦合方式即連接方式。

常見耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、

變壓器耦合、光電耦合等。1.阻容耦合阻容耦合電路不能放大變化緩慢的信號，低頻特性差，不能集成化。共射電路共集電路利用電容C1連接信號源與放大電路、電容C2連接放大電路的前/后級、電容C4連接放大電路與負(fù)載，為阻容耦合。第一級第二級Q點相互獨立,前/后Q點獨立計算。2.直接耦合既是第一級的集電極電阻，又是第二級的基極電阻

能夠放大變化緩慢的信號，便于集成化，Q點相互影響，存在零點漂移現(xiàn)象。問題的提出：在用NPN型管組成N級共射放大電路，由于UCQi＞UBQi，所以UCQi＞UCQ(i-1）（i=1～N），以致于后級集電極電位接近電源電壓，Q點不合適。實用的直接耦合多級放大電路:

------NPN型管和PNP型管混合使用UCQ1

(UBQ2

)

＞UBQ1UCQ2＜

UCQ1

靜態(tài)工作點的計算見書p155下3.變壓器耦合

可能是實際的負(fù)載，也可能是下級放大電路的輸入電阻.交流等效電路不能放大變化緩慢的信號，低頻特性差，不能集成化。二、多級放大電路的動態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻:3.輸出電阻:

對電壓放大電路的要求：Ri大，Ro小，Au的數(shù)值大，最大不失真輸出電壓大。分析舉例按下列要求組成兩級放大電路：①Ri＝1～2kΩ，Au

的數(shù)值≥3000；②Ri

≥10MΩ，Au的數(shù)值≥300；③Ri＝100～200kΩ，Au的數(shù)值≥150；④Ri

≥10MΩ，Au的數(shù)值≥10，Ro≤100Ω。①共射、共射；②共源、共射；③共集、共射；④共源、共集。三、多級放大電路的構(gòu)成

共射共集共基共源

Au

大

小于1

大

小

Ai

β1＋βα/

Ri

中

大

小

很大

Ro

大

小

大

中

頻帶

窄中寬窄根據(jù)對Ri

、

Ro

、

Au、頻帶的要求選擇幾個基本放大電路，組合在一起組成多級放大電路。清華大學(xué)華成英hchya@6.3差分放大電路一、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因二、基本差分放大電路的組成三、具有恒流源的差分放大電路四、差分放大電路的四種接法

一、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因1.零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0時，

ΔuO≠0的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，元器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ阂胫绷髫?fù)反饋，溫度補償。

典型電路：差分放大電路二、基本差分放大電路的組成參數(shù)理想對稱：Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，T1、T2在任何溫度下特性均相同。典型電路在理想對稱的情況下：克服零點漂移:

零輸入零輸出。ΔuI=0時，

ΔuO=0輸入:

ΔuI=uI1

-

uI2,輸出:uO=uc1-

uc2差分放大電路的分析

1.求Q點：令uI1=uI2=02.共模信號的抑制共模信號：當(dāng)輸入信號: 時的輸出信號u0.理想對稱情況下:Re的共模負(fù)反饋作用對于每一邊電路，等效的負(fù)反饋電阻=?如

T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓抑制了每只差分管集電極電流、電位的變化。2Re3.

差模信號的放大△iE1=－△iE2，Re中無差模電流，即Re

對差模信號無反饋作用。差模信號：數(shù)值相等，極性相反的輸入信號，即差模信號作用時的動態(tài)分析差模放大倍數(shù)動態(tài)參數(shù)：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR共模抑制比KCMR：綜合考察差分放大電路放大差模信號的能力和抑制共模信號的能力。

根據(jù)信號源和負(fù)載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。三、具有恒流源的差分放大電路等效電阻為無窮大近似為恒流ReRe

越大，共模負(fù)反饋越強，為使靜態(tài)電流不變，Re

越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。1.單端輸入雙端輸出共模輸入電壓差模輸入電壓

輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：

在輸入信號作用下發(fā)射極的電位變化嗎？說明什么？四、差分放大電路的四種接法恒流源1.單端輸入雙端輸出靜態(tài)時的值差模輸出共模輸出問題討論：（1）UOQ產(chǎn)生的原因？（2）如何減小共模輸出電壓？2.雙端輸入單端輸出：Q點分析

由于輸入回路沒有變化，所以IBQ、IEQ、ICQ與雙端輸出時一樣。但是UCEQ1≠UCEQ2。2.雙端輸入單端輸出：差模信號作用下的分析2.雙端輸入單端輸出：共模信號作用下的分析2.雙端輸入單端輸出：問題討論（1）什么情況下Ad為“＋”？（2）雙端輸出時的Ad是單端輸出時的2倍嗎？3.四種接法的比較：電路參數(shù)理想對稱條件下輸入方式：

Ri均為2(Rb+rbe)；雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模信號輸入。輸出方式：Q點、Ad、Ac、KCMR、Ro均與之有關(guān)。討論一若uI1=10mV，uI2=5mV，則uId=？uIc=？uId=5mV，uIc=7.5mV功率放大電路研究的問題（1）性能指標(biāo)：輸出功率和效率。若已知Uom，則可得Pom。

最大輸出功率與電源損耗的平均功率之比為效率。

（2）

分析方法：因大信號作用，故應(yīng)采用圖解法。（3）晶體管的選用：根據(jù)極限參數(shù)選擇晶體管。

在功放中，晶體管的集電極或射極電流接近最大值，承受的最大管壓降接近c-e反向擊穿電壓，消耗的最大功率接近集電極最大耗散功率。稱為工作在盡限狀態(tài)。

6.4功率放大電路

6.4.1、概述2.

對功率放大電路的要求（1）甲類方式：晶體管在信號的整個周期內(nèi)均處于導(dǎo)通狀態(tài)（2）乙類方式：晶體管僅在信號的半個周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（3）甲乙類方式：晶體管在信號的多半個周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（1）在電源電壓一定的情況下，最大不失真輸出電壓達(dá)到最大，即輸出功率盡可能大。（2）效率盡可能高，因而電路損耗的直流功率盡可能小，靜態(tài)時功放管的集電極電流近似為0。3、晶體管的工作方式（1）變壓器耦合功率放大電路單管甲類電路:4.

功率放大電路的種類乙類推挽電路變壓器耦合功放笨重、自身損耗大，效率低，低頻特性差。（2）OCL電路輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→RL→地輸入電壓的負(fù)半周：

地→RL→T2→－VCC兩只管子交替導(dǎo)通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。靜態(tài)時，UEQ＝UBQ＝0。（直流功率=0）乙類功放稱為乙類互補對稱電路或（3）OTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負(fù)半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大時，才能認(rèn)為其對交流信號相當(dāng)于短路。OTL電路低頻特性差。（4）BTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地輸入電壓的負(fù)半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是雙端輸入、雙端輸出形式，輸入信號、負(fù)載電阻均無接地點。②管子多，損耗大，使效率低。幾種乙類功放電路的比較

變壓器耦合乙類推挽：單電源供電，笨重，效率低，低頻特性差。OTL電路：單電源供電，低頻特性差。OCL電路：雙電源供電，效率高，低頻特性好。BTL電路：單電源供電，低頻特性好；但管子 多，損耗大，使效率低。(1)靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管導(dǎo)通時間等于半個周期；(3)存在交越失真。

乙類功放的特點：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)上的正向電壓小于導(dǎo)通電壓(也稱門坎電壓)時，三極管不能導(dǎo)通；在兩個管子輪換的過程中，有一段時間兩管都截止，負(fù)載上的電壓或電流=0,出現(xiàn)失真，這種失真稱為交越失真，如圖所示。

6.4.2OCL電路

一.交越失真及消除死區(qū)電壓vivov"ov′o

′tttt交越失真消除交越失真的電路1.靜態(tài)偏置: UBE1=UEB2=0.7V可克服交越失真2.動態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型交流相當(dāng)于短路

二、互補輸出級的分析估算(求輸出功率和效率)然后求出電源的平均功率，效率1.

輸出功率在已知RL的情況下，先求出Uom，則2.

效率最大值:3.

晶體管的極限參數(shù)PT對UOM求導(dǎo)，并令其為0，可得

在輸出功率最大時，因管壓降最小，故管子損耗不大；輸出功率最小時，因集電極電流最小，故管子損耗也不大。管子功耗與輸出電壓峰值的關(guān)系為因此，選擇晶體管時，其極限參數(shù)要滿足:將UOM代入PT的表達(dá)式，可得集成運算放大電路一、概述二、集成運放中的電流源電路三、集成運放電路分析四、集成運放的主要性能指標(biāo)五、集成運放的種類一、概述（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復(fù)雜并不增加制作工序。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）采用復(fù)合管。

1.

集成運放的特點

集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。2.

集成運放電路的組成兩個輸入端一個輸出端

若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準(zhǔn)互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。3.集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)

由于Aod可高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：

uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出是＋UOM

或－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。二、集成運放中的電流源電路1.

鏡像電流源T0和T1特性完全相同。在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流2.

微電流源

要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。設(shè)計過程,首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re3.

多路電流源

（1）基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。

UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為UBE相差不多，故IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re3（2）MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長比。

設(shè)寬長比W/L=S，且T1～T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則基準(zhǔn)電流4.

有源負(fù)載

（1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？靜態(tài)電流IR約為多少？靜態(tài)時UIQ為多少？（2）用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動態(tài)：例:習(xí)題6.14三、集成運放電路分析

1.

讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。

舉例：型號為F007的通用型集成運放

對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。

若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。找出偏置電路雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補輸出級三級放大電路簡化電路

分解電路輸入級的分析

T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。Q點的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關(guān)系→IC9↑因為IC10不變→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出輸入級的分析T7的作用：抑制共模信號

T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，而T4又是T6的有源負(fù)載。+++++++_放大差模信號+___特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對“地”輸出）。中間級的分析

中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。

F007的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級輸出級輸出級的分析D1和D2起過流保護(hù)作用，未過流時，兩只二極管均截止。

iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T14基極分流，從而保護(hù)了T14。準(zhǔn)互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。中間級輸出級電流采樣電阻特點：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高判斷同相輸入端和反相輸入端F007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號的能力較強Ac較?。阂种乒材Ｐ盘柕哪芰^強rid較大：從信號源索取的電流小ro?。簬ж?fù)載能力強Uom大：其峰值接近電源電壓輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓四、集成運放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)

F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞四、集成運放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值

UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃

0輸入失調(diào)電流IIO

20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。四、集成運放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值最大共模輸入電壓UIcmax±13V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR

0.5V/μS

∞能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓UIdmax