第7讲集成运算放大器_1

1、第第6章章 多级放大电路多级放大电路 6.1 多级放大电路多级放大电路 6.2 集成运算放大电路简介集成运算放大电路简介 6.3 差分放大电路差分放大电路 6.4 功率放大电路功率放大电路 6.5 功率放大电路功率放大电路 6.6 集成运算放大电路集成运算放大电路 6.1 多级放大电路多级放大电路 两级之间通过耦合电容两级之间通过耦合电容 C2 与下级输入电阻连接与下级输入电阻连接 RB1RC1 C1 C2 RB2 CE1 RE1 + + + + + RS + RC2 C3 CE2 RE2 RL + + +UCC + o U 1O U i U S E B1 R B2 R T1T2 阻容耦合 Q

2、点相互独立点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频。不能放大变化缓慢的信号，低频 特性差，不能集成化。特性差，不能集成化。 共射电路共射电路共集电路共集电路 有零点漂移吗？有零点漂移吗？ 利用电容连接信号利用电容连接信号 源与放大电路、放大源与放大电路、放大 电路的前后级、放大电路的前后级、放大 电路与负载，为阻容电路与负载，为阻容 耦合。耦合。 将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。便可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。便 于集成化。于集成化。 +UCC uo RC2 T2 ui RC1 R1 T1 R2 +

3、 + RE2 直接耦合 既是第一级的集电极电阻，既是第一级的集电极电阻， 又是第二级的基极电阻又是第二级的基极电阻 能够放大变化缓慢的信能够放大变化缓慢的信 号，便于集成化，号，便于集成化， Q点相互点相互 影响，影响，存在零点漂移现象。存在零点漂移现象。 当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电 位的变化会逐级放大。位的变化会逐级放大。 第二级第二级第一级第一级 Q1合适吗？合适吗？ 直接直接 连接连接 输入为零，输出输入为零，输出 产生变化的现象产生变化的现象 称为零点漂移称为零点漂移 求解求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方

4、程组。点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。 如何设置合适的静态工作点？ 对哪些动态参对哪些动态参 数产生影响？数产生影响？ 用什么元件取代用什么元件取代Re既可设置合适的既可设置合适的Q点，又可使第点，又可使第 二级放大倍数不至于下降太多？二级放大倍数不至于下降太多？ 若要若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？，则应怎么办？用多个二极管吗？ 二极管导通电压二极管导通电压UD？动态电阻？动态电阻rd特点？特点？ Re 必要性？必要性？ 稳压管稳压管 伏安特性伏安特性 UCEQ1太小太小加加Re（Au2数值数值）改用改用D若要若要UCEQ1大大 ，则改用，则改用DZ。 NPN型管和

5、PNP型管混合使用 在用在用NPN型管组成型管组成N级共射放大电路，由于级共射放大电路，由于UCQi UBQi， 所以所以 UCQi UCQ(i-1） ）（ （i=1N），以致于后级集电极电位接），以致于后级集电极电位接 近电源电压，近电源电压，Q点不合适。点不合适。 UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1 UCQ2 UCQ1 UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1 UCQ2 UCQ1 指输入信号电压为零时，输出电压发生指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。缓慢地、无规则地变化的现象。 uo t O 晶体管参数随温度变化、电源电压晶体管参数随温度变化、电源电压 波动、电路

6、元件参数的变化。波动、电路元件参数的变化。 1. 前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效 信号电压还是漂移电压。信号电压还是漂移电压。 一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电 压作为衡量零点漂移的指标。压作为衡量零点漂移的指标。 u A u u od Id 只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放 大后的有用信

7、号才能被很好地区分出来。大后的有用信号才能被很好地区分出来。 6.1.2多级放大电路的动态参数分析多级放大电路的动态参数分析 1. 1.电压放大倍数电压放大倍数 n j uj n u A U U U U U U U U A 1 i o i2 o2 i o1 i o 2. 2. 输入电阻输入电阻 i1i RR 3. 3. 输出电阻输出电阻 n RR oo 对电压放大电路的要求：对电压放大电路的要求：Ri大，大， Ro小，小，Au的数值的数值 大，最大不失真输出电压大。大，最大不失真输出电压大。 )(1 ( L622be5i2 RRrRR 21 L62be2 L62 2 1be i23 1 )(

8、) 1 ( )( ) 1 ( )( uuu u u AAA RRr RR A r RR A be121i rRRR 1 be253 6o rRR RR 二、分析举例二、分析举例 讨论讨论一 失真分析：由失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路型管组成的两级共射放大电路 共射放共射放 大电路大电路 共射放共射放 大电路大电路 i u o u 饱和失真？截止失真？饱和失真？截止失真？ 首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。 比较比较Uom1和和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时，则可判断在输入信号逐渐增大时 哪一级首先出现失真。哪一级首

9、先出现失真。 在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最 大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。 讨论二：放大电路的选用讨论二：放大电路的选用 1. 按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两级放大电路： Ri12k，Au 的数值的数值3000； Ri 10M，Au的数值的数值300； Ri100200k，Au的数值的数值150； Ri 10M ，Au的数值的数值10，Ro100。 共射、共射；共源、共射；共射、共射；共源、共射； 共集、共射；共源、共集。共集、共射；共源、共集。 2. 若测得三个单管放大

10、电路的输入电阻、输出电阻和空载若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载 电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的 电压放大倍数？电压放大倍数？ 注意级联时两级注意级联时两级 的相互影响！的相互影响！ 集成运算放大器是一种高电压增益，高输入集成运算放大器是一种高电压增益，高输入 电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。 运算放大器方框图 6.2 集成运算放大电路集成运算放大电路 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和输入电阻高，能减小零点漂移和 抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放抑制

11、干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带要求电压放大倍数高。常采用带 恒流源的共发射极放大电路构成。恒流源的共发射极放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，与负载相接，要求输出电阻低， 带负载能力强，一般由互补对称电路或射带负载能力强，一般由互补对称电路或射 极输出器构成。极输出器构成。 4.1.24.1.2 运算放大器的引线运算放大器的引线 运算放大器的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端三个引线端，两个两个 输入端输入端，一个输出端一个输出端。一个称为。一个称为同相输入端同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用即该

12、端输入信号变化的极性与输出端相同，用 符号符号+表示；另一个称为表示；另一个称为反相输入端反相输入端，即该，即该 端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号 “- -”表示。表示。输出端输出端在输入端的另一侧，在符号在输入端的另一侧，在符号 边框内标有边框内标有+号。号。 集成放大器的符号集成放大器的符号 运运 算算 放放 大大 器器 外外 形形 图图 6.3 6.3 差分放大电路差分放大电路 一、零点漂移现象及其产生的原因一、零点漂移现象及其产生的原因 二、基本放大电路的组成二、基本放大电路的组成 三、具有恒流源的差分放大电路三、具有恒流源的差分放大电路

13、 四、差分放大电路的四种接法四、差分放大电路的四种接法 五、差分放大电路的改进五、差分放大电路的改进 1. 1. 什么是零点漂移现象什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。 产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶 体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。 克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路典型电路：差分放大电路 零点漂移零点漂移 零输入零输入 零输出零输出 理想对称理想对称 信号特点？信

14、号特点？ 能否放大？能否放大？ 共模信号：大小相等，极性相同。共模信号：大小相等，极性相同。 差模信号：大小相等，极性相反差模信号：大小相等，极性相反. 信号特点？能否放大？信号特点？能否放大？ 典型电路典型电路 0 2CQ1CQO CQ2CQ1CQ EQ2EQ1EQ CQ2CQ1CQ BQ2BQ1BQ UUu UUU III III III 在理想对称的情况下：在理想对称的情况下： 1. 克服零点漂移；克服零点漂移； 2. 零输入零输出；零输入零输出； 3. 抑制共模信号；抑制共模信号； 4. 放大差模信号。放大差模信号。 R R R Rt +VCC uI 电路结构对称，在理想的情况下，两管

15、的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对 应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。 差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 +UCC uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 两个输入、两个输入、 两个输出两个输出 两管两管静态工静态工 作点相同作点相同 uo= VC1 VC2 = 0 uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0 静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0 当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等） +UCC

16、 uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 +UCC uo RC RB2 T1 RB1 RCRB2 RB1 + ui1ui2 + T2 + + + + + + 共模信号共模信号 需要抑制需要抑制 +UCC uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 + + + + + + 差模信号差模信号 是有用信号是有用信号 例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV +

17、2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制 系统中是常见的。系统中是常见的。 差分放大电路的分析差分放大电路的分析 e BEQEE EQ 2R UV I 1 EQ BQ I I 0 2CQ1CQO CQ2CQ1CQ EQ2EQ1EQ CQ2CQ1CQ BQ2BQ1BQ UUu UUU III III III Rb是必要的吗？是必要的吗？ 1. Q点： eEQBEQBQEE 2RIURIVb 晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程： 通常，通常，Rb较小，

18、且较小，且IBQ很小，故很小，故 BEQcCQCCCEQ URIVU 选合适的选合适的VEE和和Re就就 可得合适的可得合适的Q 2. 2. 抑制共模信号抑制共模信号 0 )()( C2CQ2C1CQ1C2C1O uuuuuuu 0 c Ic Oc c A u u A，参参数数理理想想对对称称时时共共模模放放大大倍倍数数 C21C C21C B21B uu ii ii 共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的 输入信号，即输入信号，即 IcI2I1 uuu 2. 2. 抑制共模信号抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用的共模负反馈作用 0 c Ic Oc c A u u A

19、参数理想对称时参数理想对称时 共模放大倍数共模放大倍数 Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号 对于每一边电对于每一边电 路，路，Re=? 如如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。 3. 3. 放大差模信号放大差模信号 C1O C21C C21C B21B 2 uu uu ii ii iE1= iE2，Re中电流不变，即中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。对差模信号无反馈作用。 2/ IdI2I1 uuu 差模信号

20、：数值相等，极性相反差模信号：数值相等，极性相反 的输入信号，即的输入信号，即 2 Id u 2 Id u )(2 bebBId rRiu 为什么？为什么？ 差模信号作用时的动态分析差模信号作用时的动态分析 beb L c d ) 2 ( rR R R A 差模放大倍数差模放大倍数 Id Od d u u A ) 2 (2 L cCOd R Riu 2 )(2 cobebi RRrRR， 4. 4. 动态参数动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR 共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信综合考察差分放大电路放大差模信 号的能力和抑制共模信号的能力。号的能力和抑制共模

21、信号的能力。 。下，下，在参数理想对称的情况在参数理想对称的情况 CMR c d CMR K A A K 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“ 接地接地”点，以避免点，以避免 干扰；或负载需要有干扰；或负载需要有“ 接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种 接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输 入双端输出、单端输入单端输出。入双端输出、单端输入单端输出。 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模

22、放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响 。 Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越 强，单端输出时的强，单端输出时的Ac越小，越小，KCMR越大，差分放越大，差分放 大电路的性能越好。大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，Re 越大，越大，VEE越越大，以大，以 至于至于Re太大就太大就不合理了。不合理了。 需在低电源条件下，需在低电源条件下，设置合适的设置合适的IEQ，并得到，并得到 得到趋于无穷大的得到

23、趋于无穷大的Re。 解决方法：采用电流源取代解决方法：采用电流源取代Re！ 具有恒流源差分放大电路的组成具有恒流源差分放大电路的组成 3 BEQEE 21 2 3EB32 R UV RR R III ， 等效电阻等效电阻 为无穷大为无穷大 近似为近似为 恒流恒流 cCQCCCQ2 LcCQCC Lc L CQ1 )( RIVU RRIV RR R U 由于输入回路没有变由于输入回路没有变 化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ 与双端输出时一样。但与双端输出时一样。但 是是UCEQ1 UCEQ2。 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：Q点分析点分析 1. 1. 双端输入单端输出双端输

24、入单端输出：差模信号作用下的分析：差模信号作用下的分析 beb Lc d )( 2 1 rR RR A cobebi )(2RRrRR， 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：共模信号作用下的分析：共模信号作用下的分析 beb Lc d )( 2 1 rR RR A ebeb Lc c )1 (2 )( RrR RR A beb ebeb CMR )1 (2 rR RrR K 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：问题讨论：问题讨论 beb Lc d )( 2 1 rR RR A （1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？ （2）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？ （3）双端

25、输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？ beb ebeb CMR )1 (2 rR RrR K cobebi )(2RRrRR， 2. 2. 单端输入双端输出单端输入双端输出 共模输入电压共模输入电压 差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入： 在输入信号作用下发射极在输入信号作用下发射极 的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？ 2/ IIcIId uuuu， 2. 2. 单端输入双端输出单端输入双端输出 问题讨论：问题讨论： （1）UOQ产生的原因？产生的原因？ （2）如何减小共模输出

26、）如何减小共模输出 电压？电压？ OQ I cIdO 2 U u AuAu 测试测试: 差模输出差模输出 共模输出共模输出 静态时的值静态时的值 3. 3. 四种接法的比较四种接法的比较：电路：电路参数参数理想对称条件下理想对称条件下 输入方式：输入方式： Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，；双端输入时无共模信号输入， 单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。 输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。 co CMR c beb L c d 2 0 ) 2 ( RR K A rR R R A 双端输出： co beb

27、 ebeb CMR ebeb Lc c beb Lc d )(2 )1 (2 )1 (2 )( )(2 )( RR rR RrR K RrR RR A rR RR A 单端输出： 1) RW取值应大些？还是小些？取值应大些？还是小些？ 2) RW对动态参数的影响？对动态参数的影响？ 3) 若若RW滑动端在中点，写出滑动端在中点，写出Ad、 Ri的表达式。的表达式。 2 )1 ( W beb c d R rR R A Wbebi )1 ()(2RrRR 1. 1. 加调零电位器加调零电位器 RW doidmd 2 RRRRgA， 2. 2. 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路 若若uI1=

28、10mV，uI2=5mV，则，则 uId=？ uIc=？ uId=5mV ，uIc=7.5mV 讨论一讨论一 R R R Rt +VCC u I 若将电桥的输出作为差放若将电桥的输出作为差放 的输入，则其共模信号约为的输入，则其共模信号约为 多少？如何设置多少？如何设置Q点时如何点时如何 考虑？考虑？ 1、uI=10mV，则，则uId=? uIc=? 2、若、若Ad=102、KCMR103 用直流表测用直流表测uO ，uO=? uId=10mV ，uIc=5mV uO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1 =?=?=? 讨论二讨论二 6.4 6.4 功率放大电路功率放大电路 一、功率放大电路概述一、功率放大电路概述 二、二、OCL电路电路 三、其它类型的功率放大电路三、其它类型的功率放大电路 电电源源供供给给的的直直流流功功率率 率率负负载载得得到到的的交交流流信信号号功功 IC UCE O Q iC t O IC UCE O Q iC t O IC UCE O Q iC t O 晶体管在输入信号晶体管在输入信号 的整个周期都导通的整个周期都导通 静态静态IC较大，