模拟集成放大电路和功率放大电路

1、第第5章章 模拟集成放大电路基础模拟集成放大电路基础一、集成电路工艺简介一、集成电路工艺简介 以制造以制造NPN管的工艺流程为例管的工艺流程为例 氧化氧化 光刻光刻 隐埋层扩散隐埋层扩散 外延和氧化外延和氧化 隔离扩散隔离扩散选择隔离槽选择隔离槽P型硅片型硅片5.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路的封装集成电路的封装(b)圆壳式圆壳式(a)双列直插式双列直插式二、集成化元器件特点4. 集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡。响电路稳定，使电路产生寄生振荡。1.集成电路工艺不能制作集成电

2、路工艺不能制作电感电感，超过，超过100pF的大电容因占用面的大电容因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用积大也不易制作，故集成电路中不采用阻容耦合阻容耦合，而采用而采用直直接耦合。接耦合。2. 集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电阻阻，尽量用尽量用晶体管晶体管代替电阻、电容。代替电阻、电容。3. 单个元件的精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻单个元件的精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采用用差放电路差放电路及增益取

3、决于电阻比值的及增益取决于电阻比值的负反馈放大器负反馈放大器。三、集成电路的基本结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置偏置电路电路组成：组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。高增益放大器，它的组成框图如图所示。运放组成运放组成差放差放输入级输入级中间中间放大级放大级低阻低阻输出级输出级恒流源恒流源偏置偏置U+U-Uo四、模拟集成运放的典型电路运放旧符号运放旧符号运放国标符号运放国标符号1.输入级输入级:高性能的差动放大电高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个路。运放有两个输入端，一个称为称为

4、同相输入端同相输入端，即输出与该即输出与该端输入信号相位相同，用符号端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为表示；另一个称为反相输反相输入端入端，即输出与该端输入信号即输出与该端输入信号相位相反，用符号相位相反，用符号U表示。表示。 4.恒流源偏置：恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。流，以稳定工作点。 3.低阻输出级：低阻输出级：由由PNP和和NPN两种极性的三极管或复合管组两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。功

5、率放大器。2.中间放大级：中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。差放差放输入级输入级中间中间放大级放大级低阻低阻输出级输出级恒流源恒流源偏置偏置U-U+运放组成运放组成 F007 的电路原理图 +UCC -UCC T3 _ + Ui T1 T2 T4 T9 T8 T7 T6 R1 T5 R2 R3 1k 1k RW R4 T11 T10 R5 39k T13 T12 3k 50k T16 T17 T15 T14 C 30pFR7 4.5k R8 7.5k T19

6、 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 输出级 中间级 偏置电路 输入级 外接调零电位器 集成运放集成运放F007的的电路原理电路原理直接耦合放大电路中的零点漂移问题直接耦合放大电路中的零点漂移问题1）何谓零点漂移？）何谓零点漂移？当输入信号为零时，输出信号不为零。当输入信号为零时，输出信号不为零。2）产生零点漂移的原因）产生零点漂移的原因3）零点漂移的严重性及其抑制方法）零点漂移的严重性及其抑制方法电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。如果采用高精电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采度电阻并经经过老化处理和采 用高稳定度的电源，则晶用高稳

7、定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。正常工作，必须有效地抑制零点漂移。5.3 差分放大电路注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采随时

8、间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。响尤为严重。（一）差分放大电路的（一）差分放大电路的组成：组成： 由对称的两个基本放大由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻电路通过射极公共电阻R R

9、eeee耦合构成耦合构成。一、差分放大电路的工作原理：一、差分放大电路的工作原理：Rb1= Rb2 = Rb, Rc1= Rc2 = Rc, 1= 2 = , hie1= hie2 = hie, IbQ1= IbQ2, IcQ1= IcQ2, Ube1= Ube2, Uc1= Uc2,静态参数一致：静态参数一致：双端输出时：静态输出为双端输出时：静态输出为 0（抑制零点漂移）（抑制零点漂移）抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 静态时，输入信号为零，静态时，输入信号为零，即将输入端短接。由于两管特即将输入端短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两

10、管的集界条件发生变化时，两管的集电极电流电极电流ICQ1和和ICQ2的变化规的变化规律始终相同，结果使两管的集律始终相同，结果使两管的集电极电位电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，始终相等，从而使从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因，因此消除了零点漂移。此消除了零点漂移。双端输入：双端输入：输入信号接在两个输入端间。输入信号接在两个输入端间。单端输入：单端输入：输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地。输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地。双端输出（平衡输出）：双端输出（平衡输出）：输出取自两个集电极之间。输出取自两个集电极之间。单端输出（不平衡输出）：单端输出（不平衡输出）：输出取自一

11、个集电极与地间。输出取自一个集电极与地间。信号输入方式信号输入方式差放输出方式差放输出方式双端输入双端输出差放 差模信号：差模信号：是指在差放两个输入端接入是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性两个幅度相等、极性 相反的信号，相反的信号，记为，记为，U Uid1 id1 、U Uid2 id2 U Uid1 id1 = - U= - Uid2 id2 = U= Uid id （二）对差模信号的放大作用（二）对差模信号的放大作用双端输入双端输出差放双端输入双端输出差放Ie1Ie2当输入差模信号时：（动态）当输入差模信号时：（动态）由于电路的对称性有：由于电路的对称性有：据此，可画出差放在差模

12、输入情况下的交流等效电路（如图）据此，可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路（如图）故故RL的中点呈地电位，即等的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为效为每管外接负载为RL/2。 又因为：又因为：Uc1= -Uc2Ie1= -Ie2 ；故故 URe=0（交流接地）（交流接地）Uc1Uc2+-URe双端输入双端输出时：双端输入双端输出时：iebLfeidcididcchRRhUUUUUU12121Ud22A)(22iebidididhRIUR双端输出时，双端输出时，Rod =2Rc/(2 /hoe) 2Rc； (当当1/ hoe Rc时时)1. 差模电压增益差模电压增益Aud： 2. 差模输入

13、电阻差模输入电阻 Rid：3. 差模输出电阻差模输出电阻Rod：由差模输入等效电路可求得由差模输入等效电路可求得:)2/(LcLRRR其中其中与单边电路的与单边电路的增益相同增益相同共模信号：共模信号：是指在差放两个输入端接入两个是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相同幅度相等、极性相同的信号。的信号。记为：记为：Uic1 .Uic2 ； Uic1 = Uic2 = Uic （三）对共模信号的抑制作用（三）对共模信号的抑制作用在共模信号下在共模信号下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效为每个管子发交流通路中等效为每个管子发射极接入一射

14、极接入一 个个2Re的电阻。的电阻。其等效电路如图所示。其等效电路如图所示。021icococicocUcUUUUUAefeiebcfeicocicocUcRhhRRhUUUUA2)1 ()(21单ecUcRRA2)(单1 、共模电压增益、共模电压增益Auc双端输出时，由于电路对称，双端输出时，由于电路对称，单端输出时单端输出时:当（当（1+hfe）2Re（Rb+hie）时，）时，共模输入等效电路共模输入等效电路可见：可见：Ree越大共模增益越小。越大共模增益越小。与单边电路的与单边电路的增益相同增益相同单端输入时，单端输入时，双端输入时双端输入时，efeiebicicicRhhRIUR2)1

15、 ()(11单2/2)1 ()(21efeiebicicicicRhhRIIRR定义：定义：差放的差模增益差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值与共模增益之比值的绝对值即即 CMMR=|AUd/AUc|或或 CMMR（dB）=20lg |AUd/AUc| 2、共模输入电阻3、共模抑制比CMRR单端输出时单端输出时 CMMR（单）单）= |AUd(单单)/AUc(单单)|双端输出时，双端输出时， CMMR可以认为等于无穷大可以认为等于无穷大结论：结论：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：1.对电源扰动、及温度变化，在直接耦合放大电路中被逐对电源扰动、及温度

16、变化，在直接耦合放大电路中被逐级放大，从而引起较大输出误差。级放大，从而引起较大输出误差。(零点漂移零点漂移)2.对差放电路这些现象会引起两管同时产生同样的漂移，对差放电路这些现象会引起两管同时产生同样的漂移，这种大小相等、极性相同的漂移电压就是这种大小相等、极性相同的漂移电压就是共模电压共模电压。3.差放电路是利用电路对称的特点，将一个管子产生的漂差放电路是利用电路对称的特点，将一个管子产生的漂移用来补偿另一只管子产生的漂移，从而抑制漂移。移用来补偿另一只管子产生的漂移，从而抑制漂移。4.这种对称性在集成工艺中较易实现。因此，集成电路中这种对称性在集成工艺中较易实现。因此，集成电路中广泛使用

17、差分电路。广泛使用差分电路。输入输入U Ui1i1, , U Ui2 i2 可写为：可写为：U Ui1i1=(U=(Uic1ic1 + U + Uid1id1) )U Ui2i2=(U=(Uic2ic2 + U + Uid2id2) )若输入为一对任意数值和极性若输入为一对任意数值和极性的信号，则可分解为：的信号，则可分解为：一对差模信号和一对共模信号一对差模信号和一对共模信号（四）对任意输入信号的分析（四）对任意输入信号的分析典型差放电路典型差放电路分解任意输入信号的一般公式为：分解任意输入信号的一般公式为：U Uic1ic1 = U = Uic2ic2 =(U =(Ui1 i1 +U+Ui

18、2i2)/2)/2U Uid1id1 =- U =- Uid2id2 =(U =(Ui1i1 - U - Ui2i2)/2)/2例题：例题：图示电路参数及图示电路参数及Ui1 、 Ui2为已知；求输入的差模电压和为已知；求输入的差模电压和共模电压共模电压;双端输出的差模电压和共模电压。双端输出的差模电压和共模电压。典型差放电路典型差放电路解：解：1.静态计算：静态计算：(Ui=0)RbIbQ +Ube +(1+) IbQRW /2+2Re-Ec =0解得： IbQ =4.37AIcQ = IbQ =0.26mAhie = rbb+ (1 + hfe )26/ IcQ =6.2k2.差、共模输入

19、电压差、共模输入电压Uid1、Uid1 、UicUid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2=4mVUic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2=1mV3.差模增益差模增益Aud和差模输出电压和差模输出电压Uod :（双端输出）（双端输出）312/)1(AUdWfeiebCfeRhhRRhmV248)U-U(AUAUid2id1UdidUdod4.共模输出电压共模输出电压Uoc :共模增益为：共模增益为：AUc=0(双出双出)共模输出电压为：共模输出电压为：Uoc=0(双出双出)（五）差放的输入和输出方式（五）差放的输入和输出方式双端输入、双端输出双端输入、双端输出（双双双双）

20、双端输入、单端输出双端输入、单端输出（双单双单）单端输入、双端输出单端输入、双端输出（单双单双）单端输入、单端输出单端输入、单端输出（单单单单） 差模电压增益差模电压增益 Aud差模输入电阻差模输入电阻 Rid差模输出电阻差模输出电阻 Ric共模抑制比共模抑制比 CMRR 相当于相当于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 , 则可分解为一对差模信号和一对则可分解为一对差模信号和一对共模信号。共模信号。1 1. .单端输入方式：单端输入方式：iebLfeUdhRRhA2/LcLRRR Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2与双端

21、输入相比较，效果与双端输入相比较，效果相同。即是说：相同。即是说：差放的增差放的增益与输入方式无关。益与输入方式无关。例如，对单入双出差放，例如，对单入双出差放，其增益为其增益为:021icococUcUUUA2.单端输出方式单端输出方式：)(2121)(212双单UdiebLfeididodUdAhRRhUUUA(1)22feLLUcbiefeeeeh RRARhhRR)(2iebidhRR)/1/(oebodhRR)/(iebeefehRRhCMRR负载负载RL接在接在T1或或T2集电极到地之间，对地电压相当于双端输出集电极到地之间，对地电压相当于双端输出电压的一半。所以电压的一半。所以L

22、cLRRR/其中恒流源电路优点：恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻。低的直流内阻，高的动态内阻。二、恒流源差分放大电路二、恒流源差分放大电路由上述分析可知：由上述分析可知： Re 的接入可有效地抑制共模信号，对差模没有影响。的接入可有效地抑制共模信号，对差模没有影响。 Re越大、越大、CMRR越大，效果越好。越大，效果越好。但增加但增加Re受两方面的限制：受两方面的限制： 其一是集成工艺不宜制作大电阻；其一是集成工艺不宜制作大电阻； 其二是增加其二是增加Re就要提高电源就要提高电源Ee的电压；的电压；(静态需要静态需要) 即可以在不提高地条件下提供一个等效高阻即可以在不提高地条件下提供

23、一个等效高阻Re, 同时还可同时还可以提供稳定偏流以提供稳定偏流Ic3。 采用恒流源电路代替采用恒流源电路代替Re可以有效地解决上述问题。可以有效地解决上述问题。223332RIURIUDbe忽略忽略T3基极电流，则基极电流，则)/()2(2121RRUEIIDe213,RRUUDbe)(2/(333恒定REIIec)1 (13333333RhRRhhFRRRiebfeoeoofo故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻有源负载有源负载等效输出电阻：等效输出电阻：恒流源差放电流串联负反馈电流串联负反馈 恒流源电路分析如下：恒流源电路分析如下：第第8 8章章

24、功率放大电路功率放大电路8.1 功率放大电路概述功率放大电路概述8.2 乙类双电源互补对称功率放大电乙类双电源互补对称功率放大电路路8.3 甲乙类互补推挽功率放大电路甲乙类互补推挽功率放大电路 8.1 功率放大电路概述 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使路。为了获得大的输出功率，必须使 输出信号电压大输出信号电压大； 输出信号电流大输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配放大电路的输出电阻与负载匹配。电压放大器与功率放大器的区别：电压放大器与功率放大器的区别：任务不同任务不同电压放大电压放大：不失真

25、地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功：不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常率放大级，通常工作在小信号状态工作在小信号状态。功率放大功率放大：信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，：信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常通常工作在大信号状态工作在大信号状态。2. 分析方法分析方法电压放大：采用微变等效电路法和图解法电压放大：采用微变等效电路法和图解法功率放大：图解法功率放大：图解法 实例实例典型的收音机电路典型的收音机电路变频变频低放低放中放中放功放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：电源供给的功率：PDC=EcI

26、c=120mW25%100%DCoPP转换效率：转换效率： 电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。放电路中的工作管必须加散热片。 功率放大电路中的一些特殊问题功率放大电路中的一些特殊问题1. 要求尽可能要求尽可能大的输出功率大的输出功率。管子工作在极限的工作状态。管子工作在极限的工作状态。2. 转换效率转换效率 =负载得到的有用信号功率负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率电源供给的直流功率PDC3. 非线性失真要小非线性失真要小 在大信号状态工作必然引起失真的问题，这就存在增在大信号状态工作必然引起失真

27、的问题，这就存在增大输出功率和失真严重的矛盾，这就要求在电路结构上进大输出功率和失真严重的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能大的提高输出功率，减小非线性失真。行改进，尽可能大的提高输出功率，减小非线性失真。4. 半导体三极管散热的问题半导体三极管散热的问题导通角：导通角： = 乙类：乙类： 导通角：导通角： 丙类：丙类： 导通角：导通角： 0.2 PomU(BR)CEO 2ECICM EC / RL5. 功率管的选择功率管的选择例例 已知：已知：VCC = VEE = 24 V，RL = 8 ， 忽略忽略 UCE( (sat) ) 求求 Pom 以及此时的以及此时的 PDC、PC1，

28、并选管。并选管。)W(36822422LCC2om RVP 解解 PDC= 2V2CC / RL= 2 242 / ( 8) = 45.9 (W)RLV1V2+VCC+ui +uo VEE)(21oDCC1PPP = 0.5 (45.9 36) = 4.9 (W)W( 2 . 7362 . 0m1C PU(BR)CEO 48 VICM 24 / 8 = 3 (A)可选：可选：U(BR)CEO = 60 100 VICM = 5 APCM = 10 15 W甲类功放甲类功放乙类功放乙类功放oPL2/2REcL2cDC/2REP%25 ocmax4PPL2co2/ REP DCPL2c/ RE%5 . 87 ocmax4 . 0PPocmax2 . 0PP单例：例：Po=1W甲类：甲类：Pcmax=4W大功率管大功率管必须加散