电工电子技术与技能教案：第十三章 放大电路与集成运算放大器

1、第十三章 放大电路和集成运算放大器第一节 基本放大电路【教学目标】描述共发射极单管放大电路结构，解释其工作原理。知道静态工作点及波形失真的概念。知道电压放大倍数、输入和输出电阻概念。【教学重点】1静态工作点的选择与波形失真。2静态工作点的稳定。3电压放大倍数的计算。【教学难点】1放大电路动态工作情况。2饱和失真和截止失真。【教学过程】【一、复习】1三极管的放大作用。2三极管的放大、饱和与截止状态。【二、引入新课】三极管的放大作用只有在构成放大电路以后才有实际意义。共射放大电路只是其中较常用、较简单的一种，只有全面掌握本节内容，才能更好地学习电子技术。【三、讲授新课】13.1.1共发射极单管放大

2、电路的结构 1基本的共发射极单管放大电路，如图13.1所示。图13.1基本的共发射极放大电路VT是NPN型三极管，起电流放大作用。UCC是放大电路的直流电源，一方面保证三极管工作在放大状态；另一方面为输出信号提供能量。RB是基极偏置电阻，与UCC配合决定了放大电路基极电流IB的大小。RC是集电极负载电阻，将三极管集电极电流的变化量转换为电压的变化量，从而实现电压放大。C1、C2是耦合电容，起“隔直通交”的作用。2共射放大电路：发射极是输入、输出回路的公共端。信号源、基极、发射极形成输入回路；负载、集电极、发射极形成输出回路。*13.1.2共发射极单管放大电路的工作原理1静态工作情况（1）静态：

3、输入交流信号为零时，电路中各处存在直流电压和直流电流的工作状态。（2）静态工作点：静态时三极管的IB、IC、UCE值。（3）直流通路：直流信号在电路中流通的路径可画出的电路，如图13.2所示。图13.2基本共发射极放大电路的直流通路（4）电路的静态工作点：IB = 通常UCCUBE，则IB IC = b IBUCE = UCC - RCIC例13.1在图13.1中，已知UCC = 12 V，RB = 300 k W，RC = 4 kW，b = 50，试求放大电路的静态工作点IB、IC和UCE值。解IB = mA = 0.04 mA = 40 mAIC = b IB = (50 0.04 ) m

4、A = 2 mAUCE = UCC - RCIC = (12 - 2 4) V = 4V2动态工作情况（1）输入交流信号不为零时的工作状态。（2）动态工作波形。输入信号ui = Uimsin w t （V），波形如图13.3（b）所示。（3）波形分析：信号ui经过耦合电容C1加在三极管基极和发射极之间，得到uBE（uBE = UBE + ui）的波形（图中波形），uBE电压的变化引起基极电流iB（iB = IB + ib）的变化（图中波形），只要三极管处在放大状态，iC（iC = IC + ic）的波形（图中波形）受iB的控制（因iC= b iB），uRC（uRC = RC iC）（图中波形）

5、随iC的功能变化而变化，uCE（uCE = UCC-uRC）（图中波形）则随iC变化而作相反的变化，经过C2（具有隔直通交的功能）后得到uo（图中波形）波形。uo和ui比较发现，二者相位相反，说明这种电路具有反相作用。图13.3放大电路加入交流信号前、后的波形13.1.3静态工作点的选择与波形失真1静态工作点选择不当，容易引起失真。（1）工作点设置太低时，出现截止失真，如图13.4所示。（2）工作点设置太高时，出现饱和失真，如图13.5所示。 图13.4工作点设置太低时的工作情况 图13.5工作点设置太高时的工作情况2静态工作点设置恰当，随输入信号变化，输出信号正、负半周都能达到最大值而不出现

6、失真，这个工作点是放大电路的最佳工作点。*13.1.4静态工作点的稳定1分压式放大电路是工作点稳定的放大电路，如图13.6所示。图13.6分压式放大电路2条件：RB1、RB2和UCC取值合适，使三极管基极电位VB 。VE（VE = VB - UBE）也近似不变。集电极电流IC ，就近似恒定不变。3工作原理：自动调节：ICIEVEUBE（ = VBVE）IEIC电容CE称为旁路电容，若不加电容CE，交流信号流过发射极电阻RE时，同样会产生电压降，导致交流输出信号减少。13.1.5电压放大倍数、输入电阻和输出电阻1电压放大倍数AuAu = 对图13.6分压式放大电路有uo = - RLic = -

7、 b RLib，ui = rbe ib 式中RL = RC / RL；rbe为三极管基极和发射极间的动态电阻（通常为1 kW左右）；“”号表示输出、输入信号反相。Au = = = - 放大电路输出端未接负载时RL = RC，电压放大倍数为Au = -因RC RL（RL = RC / RL），所以放大电路接上负载后，电压放大倍数将下降，也即输出电压将减小。2输入电阻Ri和输出电阻RoRi = RB / r be r beRi 尽可能大一些，以减少前级的负担。Ro = RCRo要小，Ro 越小，放大电路带负载的能力越强。例13.2在图13.1电路中，已知rbe = 1 kW，其他参数与例13.1一

8、致。试求放大电路的Au、Ri、Ro。解电压放大倍数Au = - 其中RL = = k W = 2 kWAu = - = -= - 100若放大电路未带负载，则有Au = - = -= - 200输入电阻 Ri = RB / rbe rbe = 1 kW输出电阻 Ro = RC = 4 kW【四、小结】1电压放大倍数Au = -；输入电阻R i = RB / rbe ；输出电阻Ro = RC。2放大电路的两种工作状态分别为静态和动态。（1）静态：当ui = 0时，放大电路的工作状态。 必须设置静态工作点。 静态工作点必须设置合理。 静态工作点必须稳定。（2）动态：动态是指放大电路加入ui之后的工

9、作状态。放大的过程是：ui uBE（= UBE + ube）iB（= IB+ ib）iC（=IC+ ic）uCE（=UCE + uce） uo第二节 多级放大电路【教学目标】知道多级放大电路的特点。【教学重点】多级放大电路耦合方式。【教学难点】多级放大电路耦合方式。【教学过程】【一、复习】放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro的概念。【二、引入新课】多级放大电路是解决单个三极管组成的放大电路放大量不足的问题。目前多级放大电路一般在集成电路中制造。【三、讲授新课】1直接耦合，如图13.7（a）所示。（1）优点：既能放大交流信号，也能放大直流信号和变化缓慢的信号。（2）零点漂移：输入为零时输出随外界

10、条件变化而偏离静态值。2阻容耦合，如图13.7（b）所示。（1）优点：各级静态工作点彼此独立，互不影响。（2）缺点：阻容耦合电路不能放大直流和变化缓慢的信号。3变压器耦合，如图13.7（c）所示。（1）优点：各级静态工作点彼此独立，互不影响；可以阻抗变换。（2）缺点：频率特性差，对低频和高频信号均不能有效地传送；另外还有体积大、成本高、不适用于集成工艺。（a）直接耦合 （b）阻容耦合 （c）变压器耦合图13.7三种耦合方式的原理图4总的电压放大倍数应是各级放大倍数的乘积，即Au = Au1 Au2 Aun在计算放大倍数时，注意应将后一级的输入电阻视为前一级的负载。图10.8多级放大电路的框图【

11、四、小结】 1放大器是将微弱信号逐级放大的由单个放大电路连接起来的放大器。其耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。2无论哪种耦合，总电压放大倍数为：Au = Au1 Au2 Aun【五、习题】一、是非题：2；二、选择题：2。 第三节 射极输出器【教学目标】知道射极输出器的特性及应用。【教学重点】1射极输出器特点。2射极输出器的应用。【教学难点】射极输出器的输入电阻、输出电阻分析。【教学过程】【一、复习】1放大电路输入电阻和输出电阻概念。2放大电路电压放大倍数的计算。【二、引入新课】射极输出器作为另一种结构（共集电极放大器）的放大电路，有着许多一般放大电路所没有的特性。例如输入电阻大、输出电

12、阻小、不倒相等。【三、讲授新课】射极输出器：信号由三极管发射极输出。如图13.13所示为射极输出器电路。图13.13 射极输出器电路13.3.1电压放大倍数、输入电阻和输出电阻1电压放大倍数Auui = ube + ue = ube + uo = rbeib +（1+ b ）RLibuo = RL ie =（1+）RL ib 式中RL = RE / RLAu = = = 通常 Rbe （1 + b）RL，所以Au 1电压放大倍数是1并为正值，可见输出电压uo随着输入电压ui变化而变化。 2输入电阻Riri = RB / ri = RB / rbe + ( 1 + b ) RL RB / ( 1

13、 + b ) RL由于RB 和（1 + b ）RL值都较大，所以射极输出器的输入电阻Ri很高。3输出电阻Ro射极输出器的uo ui，当ui保持不变时，uo就近似不变，可见负载电阻对输出电压影响很小。说明射极输出器带负载能力很强。只有放大电路输出电阻很小时，其带负载能力才强。可判断射极输出器的输出电阻很低。13.3.2射极输出器的应用1用作输入级。利用它输入电阻很高的特点，可减小对信号源的衰减，有利于信号的传输。2用作输出极。射极输出器接入负载或负载变化时，输出电压变化很小，使输出电压更加稳定。3用作中间隔离级。利用它输入电阻高可提高前级的电压放大倍数；利用它输出电阻低可减小后级对前级的影响，使

14、前、后级能够得到更好的配合。【四、小结】1共集电极放大电路也称为射极输出器，其放大的信号从发射极输出。2该放大电路具有输入阻抗高、输出阻抗低、放大倍数近似为1的特点。3应用于多级放大电路的输入级、中间级和输出级。【五、习题】一、是非题：3、4；二、选择题：3。* 第四节 功率放大器【教学目标】知道功率放大的概念。【教学重点】互补对称功率放大器（OCL电路）。【教学难点】互补对称功率放大器。【教学过程】【一、复习】射极输出器工作原理。【二、引入新课】与电压放大不同的是，功率放大电路主要是将信号电流和电压都放大，以满足负载对功率提出的要求。【三、讲授新课】13.4.1功率放大器的概念1功率放大器有

15、以下要求：（1）输出功率大。要求功率放大器输出的电压和电流幅值均应较大。（2）效率高。当直流电源功率一定，为了向负载提供尽可能大的信号功率，所以要求功率放大器效率要高。（3）失真小。要求输出功率大应理解为在规定的非线性失真范围内的最大输出功率。*13.4.2互补对称功率放大器（OCL电路）1OCL功放电路的工作原理图13.14是互补对称功率放大器的原理电路。图13.14互补对称功率放大器的原理电路正负电源供电，| + UCC| = | - UCC|。VT1是NPN型三极管，VT2是PNP型三极管，要求两管参数对称。RL是负载。当电路输入ui = 0时，VT1和VT2都不导通，负载RL上静态电流

16、为零，输出uo = 0。（1）输入信号正半周期间，VT1管发射结正向偏置导通，VT2管截止，VT1管的iC1流过负载RL；（2）在输入信号负半周期间，VT2管发射结正向偏置导通，VT1管截止。VT2管的iC2流过负载RL。2最大输出功率和效率（1）最大输出功率PomPom （2）功放电路的效率hh = 式中Pv为直流电源供给的功率。由数学分析可知一个周期直流电源供给的功率为Pv = h = = 78.5 %实用的OCL功放电路的效率一般在60 %左右。【四、小结】1功率放大器要求输出足够的功率、较高的效率和较小的失真。2OCL功放采用互补对称型放大电路，由两组电源供电，两管轮流导通，分别放大信

17、号的正、负半周。【五、习题】三、填空题：4。第五节 运算放大器【教学目标】描述集成运算放大器的性能特点。解释集成运算放大器构成的简单运算电路的原理。【教学重点】运算放大器组成的基本运算电路。【教学难点】理想运算放大器分析。【教学过程】【一、复习】差分放大器输入和输出方式。【二、引入新课】运算放大电路有比例、加法、减法等运算功能，早期的电子计算机就是由运算放大器构成的各种功能电路完成数学运算的。目前运算放大器广泛应用在自动控制系统中。【三、讲授新课】13.5.1运算放大器的结构和特点1运算放大器：高放大倍数的直耦多级放大器，运算放大器常被制作成集成电路，为集成运算放大器，简称运放。内部结构框图如

18、图13.16所示。图13.16运算放大器的组成2运放的符号及输入输出特性，如图13.17所示。图13.17运算放大器的符号与特性u+ 的同相输入端，由此端输入信号时，输出信号与输入信号的相位相同；u - 的反相输入端，由此端输入信号时，输出信号与输入信号的相位相反。3线性运行区，如图13.17（b）所示。uo = Ao（u+ - u-）13.5.2理想运算放大器1理想化条件是：开环电压放大倍数为无穷大，即Ao = 。输入电阻为无穷大，即ri = 。输出电阻为零，即ro = 0。2两个重要结论。集成运放工作在线性区时，有uo = Ao（u+ - u-）因Ao = ，uo为有限值，所以 (u+-

19、u-) = 0 ，即u+ = u-由于u+ = u-，反相端与同相端之间可视为短路，称为“虚假短路”。理想运算放大器的输入电阻Ri = ，相当于两输入端不取用电流，即i+ = i- = 0实际上Ri不可能无限大，u+ 和u- 也不可能完全相等，ii只能是近似为零，称为“虚假断路”。13.5.3运算放大器组成的基本运算电路1比例运算电路（以下电路分析过程可以忽略，直接给出结论）（1）反相比例运算电路，如图13.19所示。图13.19反相比例运算电路R2为平衡电阻，取R2 = R1 / RF。运用虚断和虚短的概念，由图13.19可得i1 = if而 i1 = = if = = - 所以得 = -

20、uo = - ui若RF = R1时，称为反相器，有 uo = - ui（2）同相比例运算电路，如图13.20所示。图13.20同相比例运算电路R2为平衡电阻，R2 = R1 / RF。根据分析集成运放的两个重要依据，有ui = u+ = u-i+ = i- = 0i1 = if又i1 = - = -if = = 则- = 整理得uo = (1 + ) ui当RF = 0时，uo = ui，电路为电压跟随器。2加法运算电路两输入端的反相加法电路，如图13.21所示。图13.21反相加法运算电路R3为平衡电阻，R3 = R1 / R2 / RF。运用虚地概念，有if = i1 + i2即- =

21、整理得uo = - ()当R1 = R2 = RF时，则有uo = - ( ui1 + ui2 )3减法运算电路减法运算电路，如图13.22所示。图13.22减法运算电路u- = ui1 - i1R1 = - ( ui1 - uo )u+ = ui2因为u- = u+，所以uo = (1+ ) ui2 - ui1当R1 = R2 = R3 = RF时，uo = ui2 ui1【四、小结】1集成运放是一种放大倍数高、输入电阻高、输出电阻小的十分理想的电子器件。集成运放内部组成主要有：输入级、中间级、输出级和偏置电路。2集成运放的电路符号中“-”为相反输入端，表示集成运放输出信号与该输入端所加的输

22、入信号相位相反，用u-表示；“+”为同相输入端，表示集成运放输出信号与该输入端所加的输入信号相位相同，用u+表示。3比例运算电路 （1）反相比例运算。uo = - ui（2）同相比例运算。uo = ( 1 + ) ui 4加法运算电路两输入端的反相加法。uo = - ( ui1 + ui2)3减法运算电路减法运算。uo = ui2 ui1【五、习题】一、是非题：7；二、选择题：6。第六节 放大电路中的负反馈【教学目标】知道反馈的极性判别。了解负反馈的类型。知道负反馈对放大器性能的影响。【教学重点】1负反馈放大电路的类型。2负反馈对放大器性能的影响。【教学难点】1负反馈放大电路的类型。2负反馈对

23、放大器性能的影响。【教学过程】【一、复习】放大电路的饱和失真、截止失真产生的原因。【二、引入新课】负反馈作为放大电路来说是必不可少的。可以说放大电路若没有负反馈是无法正常工作的。不过负反馈的情况比较复杂，在本节内容中只是简单介绍。【三、讲授新课】13.6.1负反馈的概念1反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部，通过一定的方式送回到放大电路输入端，使放大电路的输入量不仅受输入信号的控制，而且还受放大电路输出量的影响。2反馈框图如图13.23所示。图13.23反馈放大电路的一般方框图xi 表示来自信号源的输入信号，xo表示放大电路的输出信号，xf 表示反馈信号，xi表示放大电路的净输入信号，符号

24、表示比较环节，输入信号xi 和反馈信号xf 在此相叠加（比较），产生放大电路的净输入信号xi。3反馈的极性。（1）负反馈：引入反馈后，如果反馈信号减弱输入信号，使净输入信号减小，导致输出信号减小；（2）正反馈：反馈信号增强输入信号，使净输入信号增大，导致输出信号增大。*13.6.2反馈的极性判断1瞬时极性法。将反馈信号与放大电路输入端的连接断开，假想从放大电路的输入端加入瞬时极性的输入信号（“+”表示增加，“-”表示减小）。推想各相关点电压瞬时极性的变化，如果反馈信号与输入信号的极性相同为正反馈，否则为负反馈。例10.3试用瞬时极性法识别图13.24所示电路的反馈极性。图13.24用瞬时极性法

25、判别反馈极性解（1）在图13.24（a）所示电路中，先断开反馈支路，给反相输入端加“”瞬时信号，集成运放放大后输出端为“”信号（倒相作用），经反馈电阻RF引回到同相输入端为“”，与原反相输入端加的“”信号相反，使净输入信号削弱，为负反馈。（2）在图13.24（b）所示电路中，若给同相输入端加“”信号，运放输出端为“”信号，经反馈引回同相输入端为“”，与原同相输入端加的“”信号相同，使净输入信号加强，为正反馈。（3）在图13.24（c）所示电路中，若给VT1基极加“”信号，由VT1“倒相”，VT2“跟随”经级间反馈元件RF、CF引回到VT1基极的信号为“”，与原输入信号“”相反使净输入信号削弱，

26、是负反馈。13.6.3直流负反馈如果电路引入的反馈量仅是直流量，这种反馈称为直流反馈。直流负反馈可以稳定放大电路的静态工作点。*13.6.4负反馈放大电路的组态1电压反馈和电流反馈的区分（1）若将放大电路的输出端短路，反馈信号消失为电压反馈；否则为电流反馈。如图13.25（a）、（b）所示。（2）反馈信号直接取自输出端为电压反馈，否则为电流反馈。（3）电压负反馈能稳定输出电压，使输出电阻减小；电流负反馈能稳定输出电流，使输出电阻增大。2串联反馈和并联反馈的区分（1）反馈信号直接送到的输入端为并联反馈，否则为串联反馈。如图13.25（c）、（d）所示。（2）串联负反馈能增大输入电阻，适宜和电压源

27、相连；并联负反馈能减小输入电阻，适宜和电流源相连。（a） （b）（c） （d）图13.25负反馈的分类3负反馈四种基本类型：电压串联负反馈，如图13.26（a）所示；电压并联负反馈，如图13.26（b）所示；电流串联负反馈，如图13.26（c）所示；电流并联负反馈，如图13.26（d）所示。（a） （b）（c） （d）图13.26负反馈的四种基本类型*13.6.5负反馈对放大器性能的影响1降低放大倍数。反馈信号与输入信号比较，使净输入信号减小，而基本放大电路的放大倍数不变，负反馈作用导致输出信号减小。因此，具有负反馈的放大器的放大倍数比不加负反馈时要低。2提高放大倍数的稳定性。引入负反馈后，使

28、输出信号的变化得到抑制，放大倍数趋于不变，因此提高了放大倍数的稳定性。3减小非线性失真。引入负反馈后，反馈电路将输出失真的信号送回到输入电路，使净输入信号产生与输出失真相反的“预失真”信号，经放大，输出信号的失真得到一定程度的“补偿”。图13.27负反馈减小非线性失真4改变放大电路的输入、输出电阻。电压负反馈减小输入电阻，电流负反馈增大输入电阻；并联反馈减小输入电阻，串联反馈增大输入电阻。【四、小结】1负反馈的概念是将输出信号的一部分回送输入端，使净输入信号减少的控制环节。2反馈的极性。负反馈和正反馈。判别正、负反馈通常采用瞬时极性法。负反馈多用于改善放大电路的性能。正反馈多用于振荡电路和数字

29、电路。3负反馈能有效改善电路的性能。提高放大倍数的稳定性；减少非线性失真；改善输出电阻等。4基本类型。电压串联负反馈，电流串联负反馈，电压并联负反馈，电流并联负反馈。【五、习题】一、是非题：5；二、选择题：6、7。第七章正弦波振荡器【教学目标】知道正反馈、自激振荡和正弦波振荡器。【教学重点】1自激振荡的两个条件。2RC正弦波振荡器。3石英晶体正弦波振荡器。【教学难点】1自激振荡的两个条件。2RC正弦波振荡器。3石英晶体正弦波振荡器。【教学过程】【一、复习】1反馈极性的判断。2放大电路的结构与工作情况。3变压器器的同名端概念。【二、引入新课】正弦波振荡器是一种没有输入信号的放大器，振荡器产生的各

30、种正弦波信号作为基准信号提供给电子电路。分析振荡器要抓住两个条件（相位条件，幅值条件）。【三、讲授新课】13.7.1正弦波振荡器的基本原理1自激振荡的概念（1）自激振荡。电路没有外加输入信号，却能输出具有一定频率、一定幅值的正弦波信号。能形成自激振荡的电路就称为振荡电路。（2）图13.28所示的方框图说明了振荡过程。振荡电路是一种无需外加信号就能将直流电能变为交流电能的能量变换电路。图13.28由放大电路到自激振荡电路2自激振荡的条件（1）振荡的幅值平衡条件AF= 1它说明振荡时，反馈信号uf 和加到放大电路输入端的信号ui大小相等。（2）振荡的相位平衡条件j a + j f = 2np（n为

31、整数）式中：j a 为输入信号经放大电路产生的相移量；j f 为输出信号经反馈网络产生的相移量。3自激振荡的建立振荡器利用外界的微弱干扰（如刚接通电源时所带来的微弱干扰）作最初的信号（包含有各种频率成份），通过选频网络，使某一特定频率的信号满足起振条件。这个特定频率的信号经过放大、输出、反馈、再放大、再输出、再反馈的循环过程，使输出信号从无到有、从小到大逐渐增大，从而建立起振荡。 4正弦波振荡器的基本组成（1）放大电路，满足幅值平衡条件。（2）正反馈电路，满足相位平衡条件。（3）选频电路，振荡器输出所需要的、单一频率的正弦波信号。（4）稳幅电路，稳定振荡器输出信号的振幅。13.7.2RC正弦波振荡器RC正弦波振荡器，如图13.29所示。图13.29RC正弦波振荡器调节RF时RF略大于2R1时，电路能形成自激振荡，振荡频率f0 =。13.7.3LC正弦波振荡器1变压器反馈式正弦波振荡器 变压器反馈式正弦波振荡器，如图13.30所示。图13.30变压器反馈式正弦波振荡器集成运放组成放大电路。正反馈由变压器一次绕组、二次绕组之间的互感耦合，为反馈绕组。和并联谐振组成选频电路。为负反馈电阻起稳幅作用。为平衡电阻。为耦合电容。振荡频率 = 2电感三点式正弦波振荡器 电感三点式正弦波振荡器，如图13.31所示。图13.31电感三点式正弦波振荡器等效电感L（和串联）与并联组成选频电