《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件1課題三

第3章多級(jí)放大電路及集成運(yùn)算放大器3.1多級(jí)放大電路3.2

差動(dòng)式放大電路3.3功率放大電路3.4集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

在實(shí)際的電子設(shè)備中，為了得到足夠大的放大倍數(shù)或者使輸入電阻和輸出電阻達(dá)到指標(biāo)要求，一個(gè)放大電路往往由多級(jí)組成。多級(jí)放大電路由輸入級(jí)、中間級(jí)及輸出級(jí)組成，如圖3.1所示。于是，可以分別考慮輸入級(jí)如何與信號(hào)源配合，輸出級(jí)如何滿(mǎn)足負(fù)載的要求，中間級(jí)如何保證放大倍數(shù)足夠大。各級(jí)放大電路可以針對(duì)自己的任務(wù)來(lái)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求，本章只討論由輸入級(jí)到輸出級(jí)組成的多級(jí)小信號(hào)放大電路。3.1多級(jí)放大電路

圖3.1多級(jí)放大電路框圖3.1.1級(jí)間耦合方式

1.阻容耦合阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級(jí)和后級(jí)連接起來(lái)。這個(gè)電容器稱(chēng)為耦合電容，如圖3.2所示。第一級(jí)的輸出信號(hào)通過(guò)電容器C2和第二級(jí)的輸入端相連接。

圖3.2阻容耦合兩級(jí)放大電路

(a)電路;

(b)直流通路

阻容耦合的優(yōu)點(diǎn)是：前級(jí)和后級(jí)直流通路彼此隔開(kāi)，每一級(jí)的靜態(tài)工件點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。便于分析和設(shè)計(jì)電路。因此，阻容耦合在多級(jí)交流放大電路中得到了廣泛應(yīng)用。阻容耦合的缺點(diǎn)是：信號(hào)在通過(guò)耦合電容加到下一級(jí)時(shí)會(huì)大幅衰減，對(duì)直流信號(hào)（或變化緩慢的信號(hào)）很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。

2.變壓器耦合

變壓器耦合是利用變壓器將前級(jí)的輸出端與后級(jí)的輸入端連接起來(lái)，這種耦合方式稱(chēng)為變壓器耦合，如圖3.3所示。將V1的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器T1送到V2的基極和發(fā)射極之間。V2的輸出信號(hào)經(jīng)T2耦合到負(fù)載RL上。Rb11、Rb12和Rb21、Rb22分別為V1管和V2管的偏置電阻，Cb2是Rb21和Rb22的旁路電容，用于防止信號(hào)被偏置電阻所衰減。

圖3.3變壓器耦合兩級(jí)放大電路

變壓器耦合的優(yōu)點(diǎn)是：由于變壓器不能傳輸直流信號(hào)，且有隔直作用，因此各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。變壓器在傳輸信號(hào)的同時(shí)還能夠進(jìn)行阻抗、電壓、電流變換。變壓器耦合的缺點(diǎn)是：體積大、笨重等，不能實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用。

3.直接耦合

直接耦合是將前級(jí)放大電路和后級(jí)放大電路直接相連的耦合方式，這種耦合方式稱(chēng)為直接耦合，如圖3.4所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。直接耦合的缺點(diǎn)是：由于失去隔離作用，使前級(jí)和后級(jí)的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。另外還存在著零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。現(xiàn)討論如下：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制。如圖3.4所示，不論V1管集電極電位在耦合前有多高，接入第二級(jí)后，被V2管的基極鉗制在0.7V左右，致使V2管處于臨界飽和狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)電路無(wú)法正常工作。

圖3.4直接耦合放大電路

(2)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。由于溫度變化等原因，使放大電路在輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象稱(chēng)為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是由于溫度變化而引起的。因而，零點(diǎn)漂移的大小主要由溫度所決定。

3.1.2耦合對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

1.信號(hào)源和輸入級(jí)之間的關(guān)系

信號(hào)源接放大電路的輸入級(jí)，輸入級(jí)的輸入電阻就是它的負(fù)載，因此可歸結(jié)為信號(hào)源與負(fù)載的關(guān)系。如圖3.5所示，放大電路的輸入電壓和輸入電流可用下面兩式計(jì)算：(3—1)(3—2)

圖3.5信號(hào)源內(nèi)阻、放大電路輸入電阻對(duì)輸入信號(hào)的影響(a)信號(hào)源內(nèi)阻降低輸入電壓;(b)信號(hào)源內(nèi)阻降低輸入電流

2.各級(jí)間關(guān)系中間級(jí)級(jí)間的相互關(guān)系歸結(jié)為：前級(jí)的輸出信號(hào)為后級(jí)的信號(hào)源，其輸出電阻為信號(hào)源內(nèi)阻，后級(jí)的輸入電阻為前級(jí)的負(fù)載電阻。如圖3.6所示,第二級(jí)的輸入電阻為第一級(jí)的負(fù)載，第三級(jí)的輸入電阻為第二級(jí)的負(fù)載，依次類(lèi)推。圖3.6多級(jí)放大器級(jí)間關(guān)系

1）多級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)因?yàn)?.多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析

所以總的電壓放大倍數(shù)為

(3-3)即總的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)的連乘積。

2）多級(jí)放大電路的輸入、輸出電阻多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻，其輸出電阻就是最后一級(jí)的輸出電阻，如圖3.6所示。

例3.1電路如圖3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50,C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，求：(1)電壓放大倍數(shù)；(2)輸入電阻、輸出電阻。解

(1)電壓放大倍數(shù)

在工程上電壓放大倍數(shù)常用分貝表示，折算公式為上題用分貝可表示為(2）輸入電阻、輸出電阻3.1.3放大電路的頻率特性在實(shí)際應(yīng)用中，放大器所放大的信號(hào)并非單一頻率，例如，語(yǔ)言、音樂(lè)信號(hào)的頻率范圍在20～20000Hz，圖像信號(hào)的頻率范圍在0～6MHz，還有其它范圍。所以，要求放大電路對(duì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的所有頻率都具有相同的放大效果，輸出才能不失真地重顯輸入信號(hào)。實(shí)際電路中存在的電容、電感元件及三極管本身的結(jié)電容效應(yīng)，對(duì)交流信號(hào)都具有一定的影響。所以，對(duì)不同頻率具有不同的放大效果。因這種原因所產(chǎn)生的失真稱(chēng)為頻率失真。

1.幅頻特性共射極放大電路的幅頻特性如圖3.7所示。從幅頻特性曲線(xiàn)上可以看出，在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，曲線(xiàn)平坦，這個(gè)頻率范圍稱(chēng)為中頻區(qū)。在中頻區(qū)之外的低頻區(qū)和高頻區(qū)，放大倍數(shù)都要下降。引起低頻區(qū)放大倍數(shù)下降的原因是由于耦合電容C1、C2及Ce的容抗隨頻率下降而增大所引起。圖3.7共射極放大電路的幅頻特性(a)電路；

(b)幅頻特性

高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降原因是由于三極管結(jié)電容和雜散電容的容抗隨頻率增加而減小所引起。結(jié)電容通常為幾十到幾百皮法，雜散電容也不大，因而頻率不高時(shí)可視為開(kāi)路。在高頻時(shí)輸入的電流被分流，使得IC減小，輸出電壓降低，導(dǎo)致高頻區(qū)電壓增益下降，如圖3.8所示。

圖

3.8高頻通路

2.通頻帶

把放大倍數(shù)Aum下降到時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為下限頻率fL和上限頻率fH，夾在上限頻率和下限頻率之間的頻率范圍稱(chēng)為通頻帶fBW。(3—4)

兩級(jí)放大電路的幅頻特性如圖3.9所示。由圖可見(jiàn)，多級(jí)放大電路雖然提高了中頻區(qū)的放大倍數(shù)，但通頻帶變窄了，這是一個(gè)重要的概念。圖3.9兩級(jí)放大電路的通頻帶

3.2差動(dòng)放大電路3.2.1差動(dòng)放大電路的組成圖3.10所示為典型差動(dòng)放大電路，它由兩個(gè)完全相同的單管共射極電路組成。差動(dòng)式放大電路有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，要求電路對(duì)稱(chēng)，即V1、V2的特性相同，外接電阻對(duì)稱(chēng)相等，各元件的溫度特性相同。輸出信號(hào)從兩個(gè)集電極輸出，這種方式稱(chēng)為雙端輸出；VE

稱(chēng)為共發(fā)射極電阻，可使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。圖3.10典型差動(dòng)放大

Uo=Uo1–Uo2=0

當(dāng)溫度變化時(shí)，兩個(gè)單管放大電路的工作點(diǎn)都要發(fā)生變動(dòng)，因而產(chǎn)生漂移ΔUo1和ΔUo2，但是，由于電路是對(duì)稱(chēng)的，所以ΔUo1=ΔUo2，差動(dòng)放大電路的輸出漂移ΔUod=ΔUo1－ΔUo2=0，,即消除了零點(diǎn)漂移。

3.2.2差動(dòng)放大電路的工作原理

1.抑制零點(diǎn)漂移的原理

靜態(tài)時(shí)Ui1=Ui2=0，由于電路左右對(duì)稱(chēng)，輸入信號(hào)為零時(shí),輸出電壓為

2.輸入信號(hào)分析

（1）共模輸入。在差動(dòng)式放大電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等極性相同的信號(hào)，即Ｕi1

=Ｕi2，這種輸入方式稱(chēng)為共模輸入。共模輸入信號(hào)用Ｕic表示。共模輸入時(shí)的輸出電壓Ｕoc1=Ｕoc2=AuＵicＵoc=Ｕoc1－Ｕoc2＝０共模電壓放大倍數(shù)

（３－8）

（2）差模輸入。當(dāng)加在兩個(gè)輸入端之間的輸入信號(hào)Uid被輸入端對(duì)地的電阻分壓，它們各分得Uid的一半，但極性相反。即

這相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等極性相反的信號(hào)，這樣的信號(hào)稱(chēng)為差模信號(hào)。差模輸入信號(hào)用Ｕid表示。因兩側(cè)電路對(duì)稱(chēng)，故放大倍數(shù)相等，則

V1管的輸出電壓

Uo1=AuUi1

V2管的輸出電壓

Uo2=Au

Ui2

差模輸出電壓

Uod=

Uo1－Uo2=Au（Ui1－Ui2）

=AuUid

差模電壓放大倍數(shù)

可見(jiàn)，差模電壓放大倍數(shù)等于單管共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)。

（3—5）

由于Rb>>rbe，如果接上RL，則式中

由于兩管對(duì)稱(chēng)，RL電位不變，相當(dāng)于交流的地電位，對(duì)于單管來(lái)說(shuō)負(fù)載是RL的一半，即。輸入電阻為

ri=2（Rs+rbe）（3—6）

因此輸入回路經(jīng)過(guò)兩個(gè)管的發(fā)射極和兩個(gè)Rs，則輸出電阻為

ro=2Rc

（3—7）

因此輸出端經(jīng)過(guò)兩個(gè)Rc。從上述分析可以看出，差動(dòng)式放大電路用多一倍的元件為代價(jià)，換來(lái)了對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制的能力。

(3—9)3.差動(dòng)放大電路的功能在理想狀態(tài)下，即電路完全對(duì)稱(chēng)時(shí)差動(dòng)式放大電路對(duì)共模信號(hào)有完全的抑制作用。實(shí)際電路中，差動(dòng)式放大電路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，這時(shí)Ｕoc≠0，Auc≠0，即共模輸出電壓不等于零，共模電壓放大倍數(shù)不等于零。為了衡量差動(dòng)式電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，將Aud與Auc之比稱(chēng)為共模抑制比，用KCMRR表示，即

由上式可以看出，KCMRR越大，差動(dòng)式放大電路放大差模信號(hào)（有用信號(hào)）的能力越強(qiáng)，抑制共模信號(hào)（無(wú)用信號(hào)）的能力越強(qiáng)，即KCMRR越大越好。理想差動(dòng)式電路的共模抑制比KCMRR→∞。后面我們將討論如何提高共模抑制比。由于KCMRR＝|Ad/Ac|,即在保證Aud不變的情況下，如何降低Ac，從而提高KCMRR。3.2.3差動(dòng)放大電路的計(jì)算一般情況下,電路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng),因此,兩個(gè)單管放大電路的輸出電壓漂移不可能完全抵消,不能抵消的部分即為差動(dòng)式放大電路的輸出漂移。圖3.10所示的原理電路中,兩個(gè)單管放大電路的工作點(diǎn)都未加以穩(wěn)定,輸出漂移都比較大,所以,差動(dòng)式放大電路零漂電壓比較大，只有減小每個(gè)單管放大電路的輸出電壓漂移,才能有效地減小差動(dòng)式放大電路的輸出電壓漂移,改進(jìn)電路如圖3.11所示,就是在圖3.10所示電路的基礎(chǔ)上增加了射極電阻Re和負(fù)電源ＵEE。

圖3·11

帶Re的差動(dòng)式放大電路

例如當(dāng)溫度上升時(shí)，兩個(gè)三極管射極電流同時(shí)增大，流過(guò)射極電阻Re的電流增加，射極電位升高，使兩管發(fā)射結(jié)壓降同時(shí)減小，基極電流也都減小，從而阻止了兩管集電極電流隨溫度升高而增大。這就穩(wěn)定了兩個(gè)單管放大電路的工作點(diǎn)，使其輸出電壓漂移減小，也就是減小了差動(dòng)式放大電路的零點(diǎn)漂移。而在差模信號(hào)輸入時(shí)，由于兩個(gè)單管放大電路的輸入信號(hào)大小相等而極性相反，若輸入信號(hào)使一個(gè)三極管射極電流增加多少，則必然會(huì)使另一個(gè)三極管射極電流減小多少。因此，流過(guò)射極電阻的電流保持不變，使射極電位恒定，射極電阻Re對(duì)差模信號(hào)而言相當(dāng)于短路，并不影向差模電壓放大倍數(shù)。由于零點(diǎn)漂移等效于共模輸入，所以，射極電阻Re對(duì)于共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。

射極電阻Re越大，對(duì)于零點(diǎn)漂移和共模信號(hào)的抑制作用越顯著。但Re越大，產(chǎn)生的直流壓降就越大。為了補(bǔ)償Rb上的直流壓降，使射極基本保持零電位，故增加負(fù)電源ＵEE，此時(shí)，基極電流Ｉb可由ＵEE提供，圖3.10中的Rb1、Rb２可以省去。當(dāng)Re選得較大時(shí)，維持正常工作電流所需的負(fù)電源將很高，例如，若選Re=100kΩ，則維持1mA射極電流所需的負(fù)電源ＵEE競(jìng)高達(dá)200V，顯然是不可取的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用恒流源電路代替射極電阻Re，其電路如圖3.12（ａ）所示。圖中Ｖ3管采用分壓式偏置電路，無(wú)論Ｖ1、Ｖ2管有無(wú)信號(hào)輸入，Ib3恒定，IC3恒定，所以Ｖ3管稱(chēng)為恒流管。恒流源的靜態(tài)電阻Ｕ/Ｉ很小，所以不需要太大的ＵEE就可以得到合適的工作電流。

在圖3.12中，ＩC3＝IE3，由于ＩC3恒定，故IE3恒定，則ΔIE0,這時(shí)動(dòng)態(tài)電阻rd為

恒流源對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)呈現(xiàn)高達(dá)幾兆歐的電阻，rd相當(dāng)于Re，所以，對(duì)差模電壓放大倍數(shù)Aud無(wú)影響。對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，使Auc→0，這時(shí)KCMRR→∞。實(shí)現(xiàn)了在不增加負(fù)電源UEE的同時(shí)，提高了共模抑制比的目的。恒流源電路可用恒流源圖形符號(hào)表示，如圖３.12所示。

圖3.12

具有恒流源的差動(dòng)式放大電路（ａ）恒流源差放電路；（ｂ）圖形符號(hào)

3.2.5差動(dòng)式放大電路的輸入和輸出方式差動(dòng)式放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端,除了前面討論的是雙端輸入雙端輸出式電路以外,還經(jīng)常采用單端輸入方式和單端輸出方式。共有四種輸入輸出方式的差動(dòng)式放大電路，如圖3.13所示。其中，圖（a）為雙端輸入雙端輸出方式，圖（b）為雙端輸入單端輸出方式，圖（c）為單端輸入雙端輸出方式，圖（d）為單端輸入單端輸出方式。

圖3.13差動(dòng)式放大電的輸入和輸出方式雙端輸入雙端輸出;

（b）雙端輸入單端輸出;（c）單端輸入雙端輸出;單端輸入單端輸出3.3功率放大電路

3.3.1功率放大電路的特點(diǎn)及分類(lèi)

1.特點(diǎn)（1）輸出功率足夠大。（2）效率高。（3）非線(xiàn)性失真小。

(4)保護(hù)及散熱。

2.功率放大器的分類(lèi)功率放大器一般是根據(jù)功放管工作點(diǎn)選擇的不同進(jìn)行分類(lèi)的。有甲類(lèi)、乙類(lèi)及甲乙類(lèi)功率放大器。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在負(fù)載線(xiàn)性段的中點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都有電流IC通過(guò)時(shí)，如圖3.14（a）所示，稱(chēng)為甲類(lèi)功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在橫軸上，則IC僅在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)通過(guò)，其輸出波形被削掉一半，如圖3.14（b）所示，稱(chēng)為乙類(lèi)功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在線(xiàn)性區(qū)的下部靠近截止區(qū)，則其IC的流通時(shí)間為多半個(gè)信號(hào)周期，輸出波形被削掉一部分。如圖3.14（c）所示，稱(chēng)為甲乙類(lèi)功放。圖3.14功率放大器的分類(lèi)（a）

甲類(lèi)功放;（b）

乙類(lèi)功放;（c）

甲乙類(lèi)功放

3.3.2乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放

1.電路組成及工作原理選用兩個(gè)特性接近的管子，使之都工作在乙類(lèi)狀態(tài)。一個(gè)在正弦信號(hào)的正半周工作，另一個(gè)在負(fù)半周工作，便可得到一個(gè)完整的正弦波形。圖3.15乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路2.分析計(jì)算由于在正常互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路中，V1、V2管交替對(duì)稱(chēng)各工作半周，因此，分析V1、V2管工作的半周情況，可推知整個(gè)放大器的電壓、電流波形?，F(xiàn)以V1管工作的半周情況為例進(jìn)行分析。當(dāng)ui=0時(shí)，iB1=iB=0，iC1=iC=0，uCE1=uCE=UCC。電路工作在Q點(diǎn)，如圖3.16所示，當(dāng)ui≠0時(shí)，交流負(fù)載線(xiàn)的斜率為-1/Rc。因此，過(guò)Q點(diǎn)作斜率為-1/RL′的直線(xiàn)即為交流負(fù)載線(xiàn)。如輸入信號(hào)ui足夠大，則可求出Ic的最大幅值Icm和Uce的最大幅值Ucem=UCC-Uces=IcmRL≈UCC。根據(jù)以上分析，可求出工作在乙類(lèi)的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的輸出功率Po、管耗PV、直流電源供給的功率PU和效率η。圖3·16ui為正半周時(shí)的工作情況

（1）輸出功率Po。輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Uom，則因?yàn)?/p>

即(2）管耗PV。設(shè)uo=Uomsinωt時(shí)，則V1管的管耗為兩管管耗

（3）直流供給功率PU。直流電源供給的功率包括負(fù)載得到的功率和V1、V2管消耗的功率兩部分。當(dāng)ui=0時(shí)：當(dāng)ui≠0時(shí)：則（4）效率η。當(dāng)Uom≈UCC時(shí)：

由于Uom≈UCC忽略了管子的飽和壓降Uces，所以實(shí)際效率比這個(gè)數(shù)值要低一些。

3.3.3甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路效率比較高，但由于三極管的輸入特性存在有死區(qū)，而形成交越失真。采用甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(如圖3.17所示)，可以克服交越失真問(wèn)題。其原理是靜態(tài)時(shí)，在V1、V2管上產(chǎn)生的壓降為V3、V4管提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)恼妷海怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)。由于電路對(duì)稱(chēng)，靜態(tài)時(shí)iC1=iC2，io=0，Uo=0。有信號(hào)時(shí)，由于電路工作在甲乙類(lèi)，即使ui很小，也基本上可線(xiàn)性放大。圖3.17二極管偏置互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

但上述偏置方法的偏置電壓不易調(diào)整，而在圖3.18所示電路中，設(shè)流入V4管的基極電流遠(yuǎn)小于流過(guò)R1、R2的電流，則可求出Uce4=UBE4（R1+R2）/R2。因此，利用V4管的UBE4基本為一固定值（0.6~0.7V），只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變V1、V2管的偏壓值。這種方法常稱(chēng)為UBE擴(kuò)大電路，在集成電路中經(jīng)常用到。圖3.18擴(kuò)大電路

3.3.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

1.復(fù)合管在功率放大電路中，如果負(fù)載電阻較小，并要求得到較大的功率，則電路必須為負(fù)載提供很大的電流。如RL=4Ω，額定功率PN=16W，則由PN=I2RL可得負(fù)載電流有效值為2A，若管子的β=20，則基極電流IB=100mA。一般很難從前級(jí)獲得這樣大的電流，因此需設(shè)法進(jìn)行電流放大。通常在電路中采用復(fù)合管。

所謂復(fù)合管就是把兩只或兩只以上的三極管適當(dāng)?shù)剡B接起來(lái)等效成一只三極管。連接時(shí)，應(yīng)遵守兩條規(guī)則：①在串聯(lián)點(diǎn)，必須保證電流的連續(xù)性；②在并接點(diǎn)，必須保證總電流為兩個(gè)管子電流的代數(shù)和。復(fù)合管的連接形式共有四種，如圖3.19所示。圖3.19復(fù)合管的四種連接形式

觀察圖3.19可知：

(1)復(fù)合管的極性取決于推動(dòng)級(jí)。即V1為NPN型，則復(fù)合管就為NPN型。

(2)輸出功率的大小取決于輸出管V2。

(3)若V1和V2管的電流放大系數(shù)為β1、β2，則復(fù)合管的電流放大系數(shù)β≈β1·β2。

2.復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

利用圖3.19（a）、（b）形式的復(fù)合管代替圖3.25中的V１和V２管，就構(gòu)成了采用復(fù)合管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)，如圖3.20所示。它可以降低對(duì)前級(jí)推動(dòng)電流的要求，不過(guò)其直接為負(fù)載RL提供電流的兩個(gè)末級(jí)對(duì)管V3、V4的類(lèi)型截然不同。在大功率情況下，兩者很難選配到完全對(duì)稱(chēng)。圖3.21則與之不同，其兩個(gè)末級(jí)對(duì)管是同一類(lèi)型，因此比較容易配對(duì)。這種電路被稱(chēng)為準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。電路中Re1、Re2的作用是使V3和V２管能有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖3.20復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

圖3.21準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

3.3.5集成功率放大電路

1.ＯＴＬ互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路圖3.22為一典型OTL功率放大電路。由運(yùn)算放大器Ａ組成前置放大電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，Ｖ１～Ｖ７組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，其中，Ｖ4和Ｖ6組成NPN型復(fù)合管，V5和V7組成PNP型復(fù)合管。V1、V2和V3為兩復(fù)合管基極提供偏置電壓，R7、R8用于減小復(fù)合管的穿透電流，穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)，因此，R7、R8也稱(chēng)為泄放電阻。Ｖ4集電極所接電阻R6是Ｖ4、V5管的平衡電阻。R9、R10分別是Ｖ6、V7的發(fā)射極電阻，用以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，減小非線(xiàn)性失真，還具有過(guò)流保護(hù)作用。R11和R1構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，用來(lái)穩(wěn)定電路的電壓放大倍數(shù)，提高電路的帶負(fù)載能力。圖3.22集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的ＯＴＬ功率放大器

該電路工作原理簡(jiǎn)述如下：靜態(tài)時(shí)，由R4、R5、V1、V2、V3提供偏置電壓使V4～V7微到通，且ie6=ie7，中點(diǎn)電位為UCC/2，uo

=0V。當(dāng)輸入信號(hào)ui為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)集成運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，使互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管基極電位升高,推動(dòng)V4、Ｖ6管導(dǎo)通，V5、V7管趨于截止，ie6自上而下流經(jīng)負(fù)載，輸出電壓uo為正半周。當(dāng)輸入信號(hào)ui為正半周時(shí)，由運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，使互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管基極電位降低，V4、Ｖ6管趨于截止，V5、V7管依靠C2上的存儲(chǔ)電壓（UCC/2）進(jìn)一步導(dǎo)通，ie7自下而上流經(jīng)負(fù)載,輸出電壓uo為負(fù)半周。這樣，就在負(fù)載上得到了一個(gè)完整的正弦電壓波形。

2.OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路圖3.23是一種集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的實(shí)際OCL功率放大器。集成運(yùn)算放大器主要起前置電壓放大作用。V4～V7組成OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，其中，Ｖ4和Ｖ6組成NPN型復(fù)合管，V5和V7組成PNP型復(fù)合管。V1、V2和V3為兩個(gè)復(fù)合管基極提供偏置電壓。R3、R1和C2構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，用來(lái)穩(wěn)定電路的電壓放大倍數(shù)，提高電路的帶負(fù)載能力。該電路的工作過(guò)程與前面討論的OTL基本相同。

圖3.23集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OCL功率放大器

3.3.6功率放大器應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題

1.功放管散熱問(wèn)題功率放大器的工作電壓、電流都很大。功放管一般工作在極限狀態(tài)下，所以在給負(fù)載輸出功率的同時(shí)，功放管也要消耗部分功率，使管子升溫發(fā)熱，致使晶體管損壞。為此，應(yīng)注意功放管的散熱措施，通常是給功放管加裝由銅、鋁等導(dǎo)熱性良好的金屬材料制成的散熱片，由于功放管管殼很小，溫升的熱量主要通過(guò)散熱片傳送。

2.功放管的二次擊穿問(wèn)題

圖3.24所示為晶體管擊穿特性曲線(xiàn)。AB段為一次擊穿，是由于Uce過(guò)大引起的雪崩擊穿，是可逆的，當(dāng)外加電壓減小或消失后管子可恢復(fù)原狀。若在一次擊穿后，iC繼續(xù)增大，管子將進(jìn)入二次擊穿BC段，二次擊穿是不可逆的，致使管子毀壞。防止功放管二次擊穿的主要措施為：①改善管子散熱情況，使其工作在安全區(qū)；②應(yīng)用時(shí)避免電源劇烈波動(dòng)，輸入信號(hào)突然大幅度增加，負(fù)載開(kāi)路或短路等，以免出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流；③在負(fù)載兩端并聯(lián)二極管和電容，以防止負(fù)載的感性引起功放管過(guò)壓或過(guò)流。在功放管的c、e端并聯(lián)穩(wěn)壓管以吸收瞬時(shí)過(guò)壓。圖3.24晶體管二次擊穿曲線(xiàn)3.4集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介3.4.1集成運(yùn)算放大器件外形圖常見(jiàn)的集成運(yùn)算放大器有圓形、扁平形、雙列直插式等,按管腳有8管腳、14管腳等,其外形如圖3.25所示。其引線(xiàn)腳號(hào)排列順序標(biāo)記,一般有色點(diǎn)、凹槽、管鍵及封裝時(shí)壓出的圓形等。

圖3.25集成運(yùn)放外形結(jié)構(gòu)示意圖（ａ）、（b）

圓形結(jié)構(gòu)；（c）、（d）

扁平形雙列直插式結(jié)構(gòu)

3.4.2集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖如圖3.26所示。圖3.26集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖

1.輸入級(jí)輸入級(jí)是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分,要求其輸入電阻高,為了能減小零點(diǎn)漂移和抑制共摸干擾信號(hào),輸入級(jí)都采用具有恒流源的差動(dòng)式放大電路,故也稱(chēng)為差動(dòng)輸入級(jí)。

2.中間級(jí)中間級(jí)的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，故又稱(chēng)為電壓放大級(jí)。,要求中間級(jí)本身具有較高的電壓增益。為了減小前級(jí)的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。另外，中間級(jí)還應(yīng)向輸出級(jí)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)單端輸入、雙端差動(dòng)輸出，或雙端差動(dòng)輸入、單端輸出。

3.輸出級(jí)數(shù)輸出級(jí)的主要作用是輸出足夠的電流以滿(mǎn)足負(fù)載的需要，同時(shí)還需要有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，以起到將放大級(jí)和負(fù)載隔離的作用。輸出級(jí)一般由射級(jí)輸出器組成，以降低輸出電阻，從而提高電路的帶負(fù)載能力。

4.偏置電路偏置電路的作用是為各級(jí)提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。此外，還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路，過(guò)載保護(hù)電路和高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等。下面以通用型集成運(yùn)算放大器μA741作為模擬集成電路的典型例子，其原理電路如圖3.27所示。圖3.27μA741內(nèi)部電路

從圖3.27可以看出，集成電路內(nèi)部是很復(fù)雜的，但對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是要掌握它們的管腳用途和放大器的主要參數(shù)，不一定要了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從原理圖可以看出，這種運(yùn)放電路有7個(gè)端點(diǎn)需要與外電路連接，通過(guò)7個(gè)管腳引出，各管腳的作用是：

2腳為反相輸入端，由此端接入輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；

3腳為同相輸入端，由此端接入輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；

6腳為輸出端；

4腳為負(fù)電源端，接－3V～—18V電源；

7腳為正電源端，接＋3V～＋18V電源；

1腳和5腳為外接調(diào)零電位器的兩個(gè)端子，一般情況，在這兩個(gè)引腳上接入10kΩ的線(xiàn)繞電位器，即可調(diào)零；

8腳為空腳。其管腳排列方式見(jiàn)圖3.25。3.4.3集成運(yùn)放的符號(hào)、管腳構(gòu)成及主要參數(shù)

1.集成運(yùn)放的符號(hào)與管腳構(gòu)成集成運(yùn)放內(nèi)部電路隨型號(hào)的不同而不同，但基本框圖相同。集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端：一個(gè)是同相輸入端，用“+”表示;另一個(gè)是反相輸入端，用“-”表示。輸出端用“+”表示。若將反相輸入端接地，信號(hào)由同相輸入端輸入，則輸出信號(hào)和輸入信