第4章 集成运算放大电路

1、第4章集成运算放大电路模拟电子技术第4章集成运算放大电路 范立南 恩莉 代红艳 李雪飞中国水利水电出版社第4章集成运算放大电路4.1集成电路的特点集成电路的特点4.2 集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路4.3 互补功率放大电路互补功率放大电路4.4 其他功率放大电路其他功率放大电路4.5 实际的功率放大电路实际的功率放大电路4.6 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路4.7 集成运放的使用注意事项集成运放的使用注意事项 第4章集成运算放大电路集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。特点:体积小

2、、高可靠性和灵活性等。 分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数和数模转换器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。第4章集成运算放大电路4.1集成电路的特点集成电路的特点模拟集成电路有以下几方面的特点： （1）电路结构与元件参数对称性好（2）用有源器件代替无源器件（3）尽量采用单一类型的管子（4）级间采用直接耦合方式（5）电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用晶体管的发射结构成。第4章集成运算放大电路4.2 集成运放的基本单元电路集成运放的基

3、本单元电路 集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它由四部分组成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。集成运放组成框图如图4.1所示。 图4.1集成运放组成框图第4章集成运算放大电路4.2 集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路1、输入级输入级又称前置级，它的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如增大输入电阻，减小零漂，提高共模抑制比等。所以，输入级一般是一个双端输入的高性能差分放大电路，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。2、中间级中间级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。而且为了提高电压放大倍数，增大输出电压，经

4、常采用复合管做放大管，以恒流源做有源负载的共射放大电路。第4章集成运算放大电路4.2 集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路3、输出级集成运放的输出级一般要求输出电压幅度要大，输出功率大，效率高，输出电阻较小，提高带负载能力。因此，一般采用互补对称的电压跟随器。4、偏置电路偏置电路的作用是为输入级、中间级和输出级提供静态偏置电流，建立合适的静态工作点。一般采用电流源电路形式。第4章集成运算放大电路4.2.1差动放大电路差动放大电路 由于在集成电路中制造大电容及电感较困难，所以采用直接耦合放大电路。但是直接耦合放大电路存在一个缺点，就是存在零点漂移现象。 所谓零点漂移（简称零漂），就是当放

5、大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。 克服零漂可以采用在电路中引入直流负反馈的方法；也可以采用温度补偿的方法，即：利用热敏元件来抵消放大管的变化；而最常用的方法是采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，这就是差动放大电路。第4章集成运算放大电路1、基本差动放大电路、基本差动放大电路（1）电路结构 基本差动放大电路如图4.2（a）所示。它是将两个特性相同的基本放大电路组合在一起而形成的差动放大电路。 （2）工作原理 对于图4.2（a）所示电路，当uI1和uI2所加信号为大小相等极性相同的输入信号（称为共模信号）时，iB1iB2，iC1=iC

6、2；因此uC1=uC2。所以输出电压uo=uC1uC2=0。 说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数完全对称的情况下，共模输出为零。第4章集成运算放大电路1、基本差动放大电路、基本差动放大电路 当uI1和uI2所加信号为大小相等极性相反的差模信号时，由于uI1=uI2，iB1iB2，iC1=iC2；因此uC1=uC2 ，这样输出电压uo=uC1uC2= 2uC1，从而可以实现电压放大。 以上分析说明了差动放大电路的一个特点，即：输入有差别，输出就变动；输入无差别，输出就不动。第4章集成运算放大电路1、基本差动放大电路、基本差动放大电路（3）抑制零点漂移的原理 在差动放大电路中，无

7、论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性，在理想情况下，可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。 当然，在实际情况下，要做到两管电路完全对称是比较困难的，但是输出漂移电压将大为减小。由于这个缘故，所以差分式放大电路特别适用于作多级直接耦合放大电路的输入级。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路（1）电路结构 图4.2（a）所示电路虽然可以使输出端的漂移比较小，但是每个管子的集电极对地的漂移却丝毫没有改变。因此如果以这种方式引出输出信号的话，差动式放大电路的优点就不复存在了。解决的方案就是在

8、每个管子的射极加上一个射极电阻，并且这两个电阻的阻值也要完全相等，电路如图4.2（b）所示。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路 在研究差模输入信号作用时，不难发现，iE1-iE2。若将T1管和T2管发射极连在一起，将Re1和Re2合二为一，成为一个电阻Re如图4.2（c）所示，则在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，因此大大提高了对差模信号的放大能力。 为了简化电路，便于调节Q点，也为了使电源与信号源能够“共地”，就产生了图4.2（d）所示的差动放大电路。由于射极电阻Re接负电源VEE，象拖一个长尾巴，故称为长尾式差动放大电路。由于是双电源供电，图4.2（

9、c）所示电路中的基极偏流电阻Rb3、Rb4可以去掉，IBQ由VEE提供。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路（2）对共模信号的抑制作用当电路输入共模信号时，如图4.3所示。图4.3长尾式差动放大电路输入共模信号第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路 从图4.3中可以看出，当正的共模信号作用于电路时，两只管子集电极电位增加，同时发射极电流也增加，其变化量相等，即iE1iE2=iE ，使得Re上电流的变化量为2iE，因而发射极电位升高，变化量为uE=2iERe，使UBE1和UBE2降低，从而抑制了集电极电流的增加。可见，Re对共模输入信号起负反馈作用； 而且，对于每边晶体管而言，发射

10、极等效电阻为2Re。Re阻值愈大，负反馈作用愈强，集电极电流变化愈小，因而集电极电位的变化也就愈小。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路 为了描述差动放大电路对共模信号的抑制能力，引入一个新的参数共模放大倍数AC，定义为 （4-1） IcOccuuA 式中uIc为共模输入电压，uOc是uIc作用下的输出电压。在图4.3所示长尾式差动放大电路中，在电路参数理想对称的情况下，AC=0。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路（3）对差模信号的放大作用 图4.2（d）所示电路中，Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，T1管与T2管的特性相同，1=2=，rbe1=rbe2=rbe，R

11、e为公共的发射极电阻。 静态分析： 当uI1=uI2=0时，IRe=IEQ1IEQ22IEQ根据基极回路方程 IBQRb十UBEQ2IEQRe=VEE （4-2）可以求出基极电流IBQ或发射极电流IEQ，从而解出静态工作点。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路 在通常情况下，Rb阻值很小,而且IBQ也很小，所以Rb上的电压可忽略不计，发射极电位UEQ-UBEQ，因而发射极的静态电流 IEQ （4-3） IBQ= （4-4） 1IEQeBEQEER2UVUCEQUCQUEQVcc一ICQRCUBEQ （4-5）由于UCQ1UCQ2，所以uoUCQ1一UCQ2=0。第4章集成运算放大电路2

12、、长尾式差动放大电路动态分析： 当输入一个差模信号uId时，由于电路参数的对称性，uId经分压后，加在T1管一边的为+，加在T2一边的为-，如图4.4（a）所示。则输入差模信号时流过Re的电流不变，则E点电位不变，相当于接“地”，又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变，也相当于接“地”，因而RL被分成相等的两部分，分别接在T1管和T2管的c一e之间；所以，图4.4（a）所示电路在差模信号作用下的等效电路如图4.4（b）所示。第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路 输入差模信号时的放大倍数称为差模放大倍数，记作Ad，定义为 （4-6）从图4.4（b）中可知， ， ，所以 （4-7）

13、 由此可见，差动放大电路的放大倍数和单管放大电路的放大倍数相同，因而可以认为，差动式放大电路的特点是多用一个放大管来换取对零漂的抑制。IdOdduuA)rR(i2ubeb1BId)2R/R(i2uLC1COdbebLCdrR)2R/R(A第4章集成运算放大电路2、长尾式差动放大电路输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-8） 它是单管放大电路输入电阻的2倍。输出电阻为 RO=2RC （4-9） 它也是单管放大电路输出电阻的2倍。放大电路的另一个性能指标共模抑制比，记作KCMR，定义为 KCMR= （4-10）其值越大，说明电路性能越好。若电路参数完全对称，则KCMR=。CdAA第4章集成运

14、算放大电路2、长尾式差动放大电路（4）电压传输特性 差动放大电路的电压传输特性就是输出差模电压信号与输入差模电压信号之间的关系曲线，即 uOd=f（uId） （4-11） 将差模输入电压uId按图4.4（a）接到输入端，并令其幅值由零逐渐增加时，输出端的uOd也将出现相应的变化，画出二者的关系，如图4.5中的实线所示。 若改变uId的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法（1）双端输入、单端输出如图4.6所示。 图4.6双端输入、单端输出差动放大电路第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法bebLCdrR)2R/R(

15、21A 差模放大倍数： （4-12）输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-13）输出电阻为 RO=RC （4-14）第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法 当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。所以发射极电阻Re上的电流变化量为2iE，发射极电位的变化量uE=2iERe；对于每只管子而言，可以认为是iE流过阻值为2Re的射极电阻，如图4.7（a）所示。因此，与输出电压相关的T1管一边电路对共模信号的等效电路如图4.7（b）所示。从图上可以求出ebebLcIcOccR)1 (2rR)R/R(uuA（4-15）第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法共模

16、抑制比 （4-16）)rR(2R)1 (2rRAAKbebebebcdCMR 由式（4-15）和（4-16）可以看出，Re越大，Ac的值越小，KCMR越大，电路的性能也就越好。因此Re是改善共模抑制比的基本措施。 这种接法常用来将差动信号转换为单端输出的信号，以便与后面的放大级均处于共地状态。 第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法（2）单端输入、双端输出 电路如图4.8（a）所示。似乎两管不是工作在差动状态，但将电路作等效变换，如图4.8（b）所示。不难看出，同双端输入时一样，左、右两边分别获得的差模信号为、 、 ；但是与此同时，两边输入了 的共模信号。可见，单端输入电路与双端输入

17、电路的区别在于：在差模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。2uI2uI2uI第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法因此，输出电压为 uO=AduI+AC （4-17）2uI其中， （4-18）bebLCdrR)2R/R(A若电路参数完全对称，则AC=0，此时KCMR为无穷大。输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-19）输出电阻为 RO=2RC （4-20） 这种接法的特点是把单端输入的信号转换成双端输出，作为下一级的差动输入，以便更好地利用差动放大的特点。还常用于负载是两端悬浮，任何一端不能接地，而且输出正负对称性好的情况。 第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法（3

18、）单端输入、单端输出单端输入、单端输出差动放大电路如图4.9所示。 图4.9单端输入、单端输出差动放大电路 第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法差动放大倍数为 （4-21）bebLCdrR)2R/R(21A输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-22）输出电阻为 RO=RC （4-23） 这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况下，比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力，而且通过输出端的不同接法，可以得到同相关系或反相关系。第4章集成运算放大电路3、差动放大电路的几种接法 总起来说，不管信号是单端输入还是双端输入，只要是单端输出，它的差模放大倍数就是基本放大电路的放大倍数的

19、一半，输出电阻Ro=Rc；如为双端输出，则与基本放大电路相同，输出电阻Ro=2Rc。输入电阻均为2（Rb+rbe）。第4章集成运算放大电路例例4.2.1 电路如电路如图图4.4（a）所示，已知所示，已知Rb=1k，RC10k，RL=5.1 k，VCC12V，VEE6V；晶体管的；晶体管的=100，rbe=2k。（1）为使）为使T1管和管和T2管的发射极静态电流均为管的发射极静态电流均为0.5mA，Re的取值应为多少？的取值应为多少？T1管和管和T2管的管压降管的管压降UCEQ等于多少？等于多少？（2）计算）计算Au、Ri和和RO的数值；的数值； 第4章集成运算放大电路例例4.2.1解：（1）由

20、IEQ 得eBEQEER2UVK3 . 5K5 . 027 . 06I2UVREQBEQEEeV7V)105 . 012(RIVUCCQCCCQV7 . 7)7 . 07(UUUUUBEQCQEQCQCEQ则（2）这里的这里的Au指的是指的是Ad，电路放大的对象是差模，电路放大的对象是差模信号信号uId=uI。Ri=2（Rb+rbe）=2(1+2)K=6KRO=2RC=210 K=20 K682155. 21055. 210100rR)2R/R(AbebLCu第4章集成运算放大电路4、具有恒流源的差动放大电路 在长尾式差动放大电路中，发射极电阻Re对共模信号起到负反馈作用，能够有效地抑制每一边

21、电路的温漂，提高共模抑制比，而且Re越大，抑制零漂的效果越好。但是Re越大，维持同样的工作电流所需要的负电压VEE也越高。为了既能采用较低的电源电压，又能有很大的等效电阻Re，可采用恒流源电路来取代Re。 工作点稳定电路中集电极电流就是一个恒定电流。利用它来取代Re就得到了如图4.10所示的具有恒流源的差动放大电路。第4章集成运算放大电路4、具有恒流源的差动放大电路图4.10具有恒流源的差动放大电路第4章集成运算放大电路4、具有恒流源的差动放大电路 图4.10中R1、R2、R3和T3组成工作点稳定电路，电路参数应满足I1IB3。这样，I1I2，所以R1上的电压为)VV(RRRUCCEE2121

22、R（4-24） T3管的集电极电流33BE1R3E3CRUUII（4-25）T1管和T2管的发射极静态电流为2III3C2EQ1EQ（4-26） 第4章集成运算放大电路4、具有恒流源的差动放大电路 若UBE3的变化可忽略不计，则T3管集电极电流IC3就基本不受温度影响，因此可以认为IC3为一恒定电流，IC1和IC2就不能同时增加或同时减小，从而较好地抑制了共模信号的变化。 另外，恒流源电路的内阻为无穷大，即相当于T1管和T2管的发射极接了一个阻值为无穷大的电阻，对共模信号的负反馈作用无穷大，因此使电路的AC=0，KCMR=。第4章集成运算放大电路4、具有恒流源的差动放大电路 恒流源电路可用一个

23、恒流源取代，如图4.11所示。RW为调零电位器。图4.11带有恒流源的差动放大电路的表示法第4章集成运算放大电路例例4.2.2 在图4.9中，设VCC=VEE=12V，1=2=50，RC1=RC2=100K，RW=200，R3=33 K，R2=6.8K，R1=2.2K，Rb=10 K，求静态工作点和差模放大倍数。图4.9单端输入、单端输出差动放大电路 第4章集成运算放大电路例例4.2.2解： 静态工作点： V87. 5248 . 62 . 22 . 2)VV(RRRUCCEE2111R设UBE3=0.6V，则UR3=5.870.6=5.27VA160mA16. 03327. 5II3E3CA8

24、0I21II3C2C1CUC1=UC2=121000.08=4V A6 . 15080III11C2B1BUB1=UB2=IB1Rb=1.610=16mV第4章集成运算放大电路例例4.2.2有差模输入信号时，放大倍数为2R)1 (rRRAw11be1b1C1d其中 K9 .161687508. 02651300r1be所以 1561 . 0519 .161010050Ad第4章集成运算放大电路4.2.2 电流源电路电流源电路 电流源电路为放大电路提供稳定的静态电流，电流源电路为放大电路提供稳定的静态电流，或作为放大电路的有源负载取代高阻值的电阻。下或作为放大电路的有源负载取代高阻值的电阻。下面

25、讨论几种常见的电流源。面讨论几种常见的电流源。第4章集成运算放大电路1镜像电流源电路如图电路如图4.12所示。所示。 图4.12镜像电流源第4章集成运算放大电路1镜像电流源 设设T1和和T2的参数完全相同，即的参数完全相同，即1=2，ICEO1=ICEO2，UBE1UBE2，IE1=IE2，IC1=IC2，当三极管的，当三极管的较大时，基较大时，基极电流极电流IB可以忽略，所以可以忽略，所以T2的集电极电流的集电极电流IC2近似等于近似等于基准电流基准电流IREF，即，即RVRUVIIICCBECCREF1C2C （4-27） 由上式可以看出，当由上式可以看出，当R确定后，确定后，IREF就确

26、定了，就确定了，IC2也随之而确定，故可以把也随之而确定，故可以把IC2看作是看作是IREF的镜像。的镜像。第4章集成运算放大电路1镜像电流源图4.13 加射极输出器的镜像电流源 在图在图4.12的电路中，当的电路中，当不够大时，不够大时，IC2与与IREF就存就存在一定的差别，为了弥补这一不足，在电路中接入三在一定的差别，为了弥补这一不足，在电路中接入三极管极管T3，如图，如图4.13所示。利用所示。利用T3的电流放大作用，可的电流放大作用，可以减小以减小IB1和和IB2对对IREF的分流作用。的分流作用。 第4章集成运算放大电路1镜像电流源镜像电流源 由于由于1=2=3=，UBE1UBE2

27、，IB1=IB2=IB，因此，因此，输出电流输出电流)1 (I2I1I2I1IIIIII2CREF2BREF3EREF3BREF1C2C整理后可得到整理后可得到REFREF2CI)1 (21II（4-28） 若若=10，则，则IC20.982IREF。说明即使。说明即使很小，也可以很小，也可以认为认为IC2IREF，从而提高了，从而提高了IC2与与IREF互成镜像的精度。互成镜像的精度。 在实际电路中，常在在实际电路中，常在T3的射极加一电阻的射极加一电阻Re3（图中虚（图中虚线所示），可使线所示），可使IE3增大，从而增大增大，从而增大T2的工作电流。的工作电流。第4章集成运算放大电路2微电

28、流源微电流源微电流源如图微电流源如图4.14所示所示。图4.14微电流源微电流源第4章集成运算放大电路2微电流源UBE1-UBE2=UBE=IE2Re2 IC2IE2= 2eBERU （4-29） 由式（由式（4-29）可知，利用两管的基）可知，利用两管的基射极电压差射极电压差 可以控制输出电流可以控制输出电流 。由于。由于 的数值小，的数值小，故用阻值不大的故用阻值不大的 即可获得微小的工作电流，称为即可获得微小的工作电流，称为微电流源。微电流源。 BEU2eRBEU2CI第4章集成运算放大电路例例4.2.3 多路电流源电路如图多路电流源电路如图4.15所示。已知各三极管所示。已知各三极管的

29、参数的参数、UBE数值相同，求各电流源数值相同，求各电流源IC1、IC2及及IC3与基与基准电流准电流IREF的关系式。的关系式。图4.15多路电流源第4章集成运算放大电路例例4.2.3解：由图解：由图4.15可知可知/IIIBREFC当当较大时，得较大时，得ICIREF由于各管的由于各管的、UBE数值相同，则数值相同，则IEReIREFRe= IE1Re1= IE2Re2 = IE3Re3 （4-30） 所以 1eeREF1E1CRRIII2eeREF2E2CRRIII3eeREF3E3CRRIII（4-31） 当当IREF确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不确定后，改变各电流源射极电阻，

30、可获得不同比例的输出电流。同比例的输出电流。第4章集成运算放大电路3威尔逊电流源威尔逊电流源如图4.16所示。 图4.16威尔逊电流源第4章集成运算放大电路3威尔逊电流源 图中图中T1、T2和和T3管特性完全相同，因而管特性完全相同，因而1=2=3=，IC2= IC1= IC。根据各管的电流可知，。根据各管的电流可知，A点点的电流方程为的电流方程为CCBC3EI2II2II所以3C3C3ECI21I12I2I在B点32233322221CCCCBREFIIIIII整理可得REFREF23CII2221I（4-32） 当当=10时，时，IC30.984IREF，可见，在，可见，在很小时也可以很小

31、时也可以认为认为IC3IREF，IC3受基极电流影响很小。受基极电流影响很小。第4章集成运算放大电路4电流源用作有源负载图图4.17表示电流源作为集电极负载。表示电流源作为集电极负载。电流电流IC2（=IC1）等于基准电流）等于基准电流IC3（IREF）。电流源的交）。电流源的交流电阻很大，在共射电路中，可使每级的电压增益达流电阻很大，在共射电路中，可使每级的电压增益达10的的3次方甚至更高。电流源亦常用作射极负载。次方甚至更高。电流源亦常用作射极负载。图4.17电流源用作有源负载第4章集成运算放大电路4.2.3 复合管结构复合管结构 复合管又称达林顿管，它是由复合管又称达林顿管，它是由NPN

32、管和管和PNP管组管组合而成的，可以用两个晶体管组成，也可以由多个晶合而成的，可以用两个晶体管组成，也可以由多个晶体管组成。复合管的组成原则有两点：体管组成。复合管的组成原则有两点：（1）在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有）在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区；合适的通路，且均工作在放大区；（2）为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或）为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电流作为第二只管子的基极电流。发射极电流作为第二只管子的基极电流。第4章集成运算放大电路4.2.3 复合管结构复合管结构按照上述原则组成的复合管如图按照上述原则组成的复合管如图

33、4.18所示。所示。 图4.18复合管结构 第4章集成运算放大电路4.2.3 复合管结构复合管结构下面以图面以图4.18（a）为例说明复合管的电流放大系数）为例说明复合管的电流放大系数与与1、2的关系以及的关系以及rbe与与rbe1、rbe2的关系。的关系。iciC1iC21 iB12（11）iB1 =（1212）iB1 因为因为122，所以可以认为复合管的电流，所以可以认为复合管的电流放大系数为放大系数为 12 （4-33） 由于由于T2管的输入电阻管的输入电阻rbe2作为作为T1管的发射极电阻，管的发射极电阻，则则ub1e2=ib1rbe1+(1+1) ib1rbe2，所以，所以2be11

34、be2be11be1b2e1bberrr )1 (riur（4-34） 第4章集成运算放大电路4.2.4 输出级电路输出级电路 作为模拟集成电路的输出级，一般总希望带作为模拟集成电路的输出级，一般总希望带负载能力强一些，也就是要求电路的输出电阻要负载能力强一些，也就是要求电路的输出电阻要小一些。解决的办法是采用射极输出器。小一些。解决的办法是采用射极输出器。 第4章集成运算放大电路1电阻负载跟随电路图图4.20所示的射极输出器是一种基本的输出级所示的射极输出器是一种基本的输出级电路。电路。 图4.20射极输出器 其缺点是，静态时其缺点是，静态时uO0。在接入负载电阻后，静态。在接入负载电阻后，

35、静态工作点会发生变化。工作点会发生变化。 第4章集成运算放大电路1电阻负载跟随电路 为了不让负载的接入影响电路的工作状态，常为了不让负载的接入影响电路的工作状态，常采用图采用图4.21的方法，用正负两组电源，同时调整电的方法，用正负两组电源，同时调整电路参数，使得静态时，路参数，使得静态时，uO=0。图4.21双电源射极输出器 缺点：是正负向跟随性能不一致。缺点：是正负向跟随性能不一致。第4章集成运算放大电路2互补输出电路图图4.22所示为一个双向跟随电路所示为一个双向跟随电路 图4.22互补输出电路第4章集成运算放大电路2互补输出电路 在理想状态下，二者在负载上应合成完整波形。在理想状态下，

36、二者在负载上应合成完整波形。电路中，电路中，T1和和T2 互为补充，故称为互补输出电路。互为补充，故称为互补输出电路。 若若T1和和T2都是硅管，则当都是硅管，则当| ui|0.5V时，两管都时，两管都几乎不导通，有一个几乎不导通，有一个“死区死区”。输入正弦波时，输出。输入正弦波时，输出波形出现如图波形出现如图4.23所示的失真，这种失真称为交越失所示的失真，这种失真称为交越失真。真。 图4.23交越失真波形 第4章集成运算放大电路2互补输出电路 解决的办法是提高解决的办法是提高Q点，使管子处于临界导通点，使管子处于临界导通状态。图状态。图4.24是用二极管实现偏置的实例。这里，利是用二极管

37、实现偏置的实例。这里，利用二极管正向导通时的恒压降特性（约用二极管正向导通时的恒压降特性（约0.60.7V），），不但给不但给T1、T2适当的偏置电压，又使信号适当的偏置电压，又使信号ui几乎无损几乎无损失地传递到失地传递到T2基极，从而克服了交越失真。基极，从而克服了交越失真。图4.24用二极管实现偏置的互补输出电路 第4章集成运算放大电路2互补输出电路 为使为使UBEQ设置合适，通常是在二极管回路中再串设置合适，通常是在二极管回路中再串联一个电位器，以作精细微调；多采用联一个电位器，以作精细微调；多采用UBE倍增偏置倍增偏置电路，如图电路，如图4.25所示。所示。图4.25恒压倍增电路偏置

38、的互补输出电路 第4章集成运算放大电路2互补输出电路 它的工作原理如下：设流入它的工作原理如下：设流入T3的基极电流远小于的基极电流远小于流过流过R1、R2的电流，则由图可以求出的电流，则由图可以求出UCE3UBE3（R1+R2）/R2，只需选择合适的电阻值，就可以得到，只需选择合适的电阻值，就可以得到大于大于UBE3任意倍数的直流电压任意倍数的直流电压UCE3。由于。由于UBE3基本稳定基本稳定于于0.60.7V，UCE3也相对稳定，故称其为恒压倍增电也相对稳定，故称其为恒压倍增电路。路。第4章集成运算放大电路3准互补输出电路准互补输出电路典型电路如图典型电路如图4.26所示。所示。 图图4

39、.26采用复合管的准互补输出级采用复合管的准互补输出级第4章集成运算放大电路4.3 互补功率放大电路互补功率放大电路 互补输出电路实际上是无输出电容的功互补输出电路实际上是无输出电容的功率放大电路，又称率放大电路，又称OCL电路（电路（OCL：Output Capacitorless），它是目前使用最），它是目前使用最广泛的功率放大电路之一。广泛的功率放大电路之一。 第4章集成运算放大电路4.3.1 电路的组成电路的组成消除交越失真的OCL电路，如图4.27所示。 图4.27消除交越失真的OCL电路第4章集成运算放大电路4.3.2 工作原理工作原理1、静态分析 ui=0时，从+VCC经过Rb1

40、、RW、D1、D2、Rb2到VCC有一个直流电流，该直流电流在RW、D1、D2上产生一个电压降UAB，使UAB略微大于T1、T2两个发射结开启电压之和，使得三机管T1、T2处于微导通状态。并且应调节电阻RW，使发射极电位UE=0，工作点位于UCEQ=VCC的位置，此时，负载电阻RL上无电流流过，即uo=0。第4章集成运算放大电路4.3.2 工作原理工作原理2、动态分析 设输入信号ui为正弦电压，由于D1、D2和RW的阻值很小，所以可以认为uB1uB2ui。 当ui为正半周期且逐渐增大时，uBE1逐渐增大，T1管基极电流iB1随之增大，发射极电流iE1也必然增大，负载电阻RL上得到正方向的电流；

41、 与此同时，u i的增大使uEB2减小，当减小到一定数值时，T2管截止。 当ui为负半周期且逐渐减小时也同样道理。 这样，即使ui很小，总能保证至少有一只晶体管导通，因而消除了交越失真。消除交越失真的OCL电路的图解分析如图4.28所示。第4章集成运算放大电路4.3.2 工作原理工作原理图4.28消除交越失真的OCL电路的图解分析第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率1功率放大电路的主要技术指标 衡量功率放大电路性能的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。（1）最大输出功率Pom 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输入为正弦波且输出基本不失真的条件下，输出

42、功率是交流功率，表达式为 PoIoUo （4-35）式中：Io和Uo均为交流有效值。最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率（2）转换效率 功率放大电路的交流输出功率与电源所提供的平均功率之比称为转换效率。电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值与其电压乘积。通常功放输出的功率大，电源消耗的直流功率也就多。因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的功耗，就可以提高电路的效率。第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率2分析计算 功率放大电路的主要任务是向负载提供较大的不失

43、真的信号功率，这就要求输出信号的电压和电流的幅值均较大，故管子工作在极限应用状态。所以在分析功放电路时，不能采用小信号的微变等效电路法，而应采用图解法。第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率图4.29OCL电路的图解分析第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率 根据以上分析，不难求出OCL电路的输出功率、直流电源提供的平均功率和效率。（1）输出功率L2omLomomcmomoooR2UR2U2U2I2UUIP（4-36） （2）直流电源供给的平均功率电源VCC提供的平均功率为20CCCV) t(diV21P 其中iC是通过电源的电流。在图4.27的

44、电路中，通过电源+VCC的电流为iC1。第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率从图4.29看出2t 0it0 tsinIiC1om1C所以，电源+VCC提供的平均功率为LomCComCC0omCCVRUVIV) t(tdsinIV21P 电源（VCC）所提供的平均功率PV应与PV+相等。因此，两个电源提供的总平均功率为LomCComCCVRUV2IV2P（4-37） 第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率（3）转换效率%100PPVo将式（4-36）和式（4-37）代入上式，得CComomCComomVU4/IV22/IU （4-38） 如果输入

45、信号幅值足够大，则Ucem可达到最大值VCCUCES，而信号基本上不失真，则（1）输出功率为最大不失真输出功率为L2CESCCL2omomR2)UV(R2UP（4-39）第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率（2）直流电源提供的最大平均功率为LCESCCCCVR)UV(V2P（4-40） （3）转换效率为CCCESCCVoVUV4PP（4-41） 在理想情况下，若忽略功率管的饱和压降UCES，则最大输出电压幅值Uom=VCC，则（1）最大不失真输出功率为L2CCL2omomR2VR2UP （4-42） 第4章集成运算放大电路4.3.3 输出功率及效率输出功率及效率（2）

46、直流电源供给的功率为L2CCVRV2P（4-43） （3）转换效率为%5 .784（4-44） 应当指出，大功率管的饱和压降约为23V，所以一般情况下不能忽略饱和压降。 第4章集成运算放大电路4.3.4 晶体管的选择晶体管的选择 因为功率放大电路的输出电压和输出电流幅值均很大，在选择功放管时要特别注意集电极最大允许电流、最大管压降和最大耗散功率等极限参数的选择，以确保管子安全工作。1、晶体管的功耗在图4.27中，设 tsinUuom0，相应的 0CC1CEuVuLoCRui1，则T1管的管耗为4UUVR1 ) t(dRtsinU) tsinUV(21 ) t(dRu)uV(21) t(diu2

47、1P2omomCCL0LomomCC0LooCC201C1CE1T （4-45） 第4章集成运算放大电路4.3.4 晶体管的选择晶体管的选择两个管子的管耗为4UUVR2P2omomCCLT（4-46） 把式（4-37）和式（4-36）相减，正好得到关系PT = PV Po （4-47） 由式（4-45）求单管管耗PT1对Uom的导数，可得2UVR1dUdPomCCLom1T令上式为零，得到CCCComV6 . 0V2U（4-48） 第4章集成运算放大电路4.3.4 晶体管的选择晶体管的选择 式（4-48）说明，当输出电压幅值Uom0.6VCC时，管耗最大。将式（4-48）代入式（4-45），得

48、出单管的最大管耗L2CC2m1TRV1P （4-49） 将上式与式（4-42）进行比较，可得出单管最大管耗与理想情况下最大不失真输出功率的关系为omom2m1TP2 . 0P2P（4-50） 因而两管的最大管耗与理想情况下最大不失真输出功率的关系为omTmP4 . 0P（4-51） 第4章集成运算放大电路4.3.4 晶体管的选择晶体管的选择2、功率三极管的选择 在互补功率放大电路中，晶体管的选择必须满足下列条件：（1）对于每只晶体管，必须满足PCM0.2(Pom)。 （2）两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降，其值为（2VCCUCES），在实际使用时，应考虑留有一定的余量，所以可以

49、选择U(BR)CEO2VCC。（3）通过晶体管的最大集电极电流为 LCCRV，所以选择 LCCCMRVI第4章集成运算放大电路例例4.3.1 功放电路如图4.27所示，设VCC=12V，RL=8，晶体管的极限参数为ICM=2A，U(BR)CEO=30V，|UCES|=2V，PCM = 5W。试求：（1）最大输出功率Pom值，并检验所给晶体管是否能安全工作？（2）放大电路在=0.6时的输出功率PO的值。解：（1）由式（4-39）得 W25. 682212R2)UV(R2UP2L2CESCCL2omomA25. 18212RUVILCESCCcmV24V2UCCCEmW25. 125. 62 .

50、0P2 . 0Pomm1T 所求的Icm、UCEm和PT1m均分别小于极限参数ICM、|V(BR)CEO|和PCM，故晶体管能安全工作。第4章集成运算放大电路例例4.3.1（2）由式（4-38）得 V2 . 9V1246 . 0V4UCCom将Uom代入式（4-36）得W3 . 5822 . 9R2UP2L2omo第4章集成运算放大电路例例4.3.2 功率放大电路如图4.30所示。设VCC=12V，RL=16，T1和T2的UCES=0，UBE=0。试求：(1)R=0，Ui=4V时的Po、PV、及PT1；(2)R=0.4，Ui=4V时的Po、PV、及PT1；(3)R=0.4，电路的最大输出功率P

51、om及此时的PV、PT1；(4)若T1、T2的UCES均为0.5V，那么R=0.4，电路输出最大时，Po、PV、及PT1；第4章集成运算放大电路例例4.3.2图4.30例图4.3.2第4章集成运算放大电路例例4.3.2解：（1）这是一个乙类互补对称功放，T1和T2在ui的正、负半周轮流导通时，均为共集电极组态，Au1。故 Uo=Ui=4VW11644RUR2UPL2oL2omoW7 . 21612422RVU22RVU2PLCCoLCComV%37%1007 . 21%100PPVoW85. 0) 17 . 2(21)PP(21PoV1T第4章集成运算放大电路例例4.3.2（2） V9 . 3

52、164 . 01641RRRUAULLiuoW95. 0169 . 39 . 3RUPL2ooW64. 2)4 . 016(124122)RR(V)UA(22PLCCiuV%36%100PPVoW83. 04 . 016)41 (64. 221RR)UA(P21P2L2iuV1T 第4章集成运算放大电路例例4.3.2（3）若UCES可忽略，电路输出功率最大时的输出电压幅度V7 .114 . 0161612RRRVULLCComT1，T2发射极输出电压幅度最大值 V12VUCCom，故W28. 4162)7 .11(R2UP2L2omoW59. 5)4 . 016(122)RR(V2)RR(VU

53、2P2L2CCLCComV%77%10059. 528. 4%100PPVoW6 . 0)4 . 016(21259. 521)RR(2)U(P21P2L2omV1T第4章集成运算放大电路例例4.3.2（4）若UCES=0.5V，T1和T2发射极输出电压幅度最大值V5 .115 . 012UVUCESCComV2 .114 . 016165 .11RRRUULLomomW92. 31622 .11R2UP2L2omoW36. 5)4 . 016(125 .112)RR(VU2PLCComV%73%10036. 592. 3%100PPVoW66. 0)4 . 016(25 .1136. 521

54、)RR(2)U(P21P2L2omV1T第4章集成运算放大电路4.3.5 晶体管的几种工作方式晶体管的几种工作方式 在单管放大电路中，信号的整个周期内晶体管都处于导通状态，这种工作方式称为甲类放大。甲类放大的典型工作状态如图4.31所示（a）所示，效率最高也只能达到50% . 晶体管只在信号的半个周期内是导通的，这种工作方式称为乙类放大。乙类放大的典型工作状态如图4.31所示（b）所示，但是该电路会出现截至失真， 设置有一定的静态电流，在信号电压很小时，两只管子同时导通，则每只晶体管的导通时间超过半个周期，这种工作方式称为甲乙类放大。甲乙类放大的典型工作状态如图4.31所示（c）所示，既提高了

55、能量的转换效率，又解决了交越失真问题。 第4章集成运算放大电路4.3.5 晶体管的几种工作方式晶体管的几种工作方式（a）晶体管工作在甲类状态（b）晶体管工作在乙类状态（c）晶体管工作在甲乙类状态图4.31晶体管典型的工作状态第4章集成运算放大电路4.4 其他功率放大电路其他功率放大电路 4.4.1 OTL功放电路功放电路图4.32所示的OTL电路图4.32乙类OTL功率放大电路第4章集成运算放大电路4.4.1 OTL功放电路功放电路 静态时，由于每管的发射结电压均为零，都处于截止状态，即两只管子工作于乙类状态。 当有交流信号ui输入时，则在ui的正半周，T1管导通，T2管截止，有iC1流过RL

56、，并为CL充电，负载电阻RL上得到电压uo。同理，在ui的负半周，T2管导通，T1管截止，有iC2流过RL，在负半周T2管导通时，电容CL代替电源T2管供电。这样在负载RL上得到完整的输出电压波形uo。 可见，OTL电路的供电情况与OCL电路是类似的，只是在OTL电路中，每个输出管的直流电源电压为 。在用式（4-36）式（4-51）计算OTL性能指标时，应当用 代替公式中的VCC。2VCC2VCC第4章集成运算放大电路4.4.1 OTL功放电路功放电路串联二极管和电阻克服交越失真的OTL功率放大电路。 图4.33消除交越失真的OTL功率放大电路第4章集成运算放大电路4.4.2 BTL功放电路功

57、放电路 OCL和OTL功率放大电路输入正弦信号的每半个周期中，电路只有一个晶体管和一半的电源在工作。为了提高电源的利用率，可采用桥式推挽功率放大电路，简称BTL电路，如图4.34所示。图4.34 BTL电路第4章集成运算放大电路4.4.2 BTL功放电路功放电路 图中四只晶体管的特性对称，静态时，四个管子均处于截止状态，负载上电压为零。输入电压为正弦波，当ui0时，负载上获得正半周电压；当ui0时，负载上获得负半周电压，因而负载上获得交流功率。 电路使用一个电源VCC，负载上获得的电压幅值也为VCC，电源的利用率提高了。 但是，BTL电路所使用的管子数量却增多了；而且这四只管子的特性难于做到理

58、想对称，且管子的总损耗大，必然使得转换效率降低；电路的输入和输出均无接地点，因此有些场合不适用。第4章集成运算放大电路4.4.3 变压器耦合功放电路变压器耦合功放电路1、互补对称电路的缺点 负载电阻的阻值需要限制在一定的范围内，否则输出功率就会受到影响。 在负载电阻较大时，耐压是一个大问题 。 在负载电阻RL很小时，对负载电流的要求则相应地提高 。第4章集成运算放大电路2、变压器耦合单管功率放大电路、变压器耦合单管功率放大电路 为了既使功率管得到充分地利用，又使负载得到足够大的功率， 采用变压器耦合单管功率放大电路，如图4.35（a）所示。 直流负载线是垂直于横轴且过点（VCC，0）的直线，如

59、图4.35（b）中所示。 若忽略晶体管基极回路的损耗，则电源提供的功率为 PV=ICQVCC （4-52）此时，电源提供的功率全部消耗在晶体管上。交流负载线的斜率为 ，且过Q点，如图4.35（b）中所示。 LR1第4章集成运算放大电路2、变压器耦合单管功率放大电路、变压器耦合单管功率放大电路变压器的负载电阻RL折合到的交流负载电阻为 L221LRNNR（4-53） 在理想变压器的情况下，最大输出功率为CCCQCCCQomVI212V2IP（4-54） 电路的最大效率为 %50PPVom第4章集成运算放大电路3、变压器耦合推挽功率放大电路、变压器耦合推挽功率放大电路变压器耦合推挽功率放大电路，如

60、图4.36（a）所示 当输入电压为零时，由于T1和T2 微导通，所以晶体管的功耗很小，负载上的电压也几乎为零，两只管子的管压降均约为VCC。 当输入信号的正半周，变压器的副边电压极性为上“+”下“”时，T1管导通，T2管截止，电流为iC1。当输入信号的负半周，变压器的副边电压极性为上“”下“+”时，T2管导通，T1管截止，电流为iC2。其图解分析如图4.36（b）所示。等效负载上能够获得的最大电压幅值近似等于VCC。因此负载RL上获得正弦波电压，从而获得交流功率。第4章集成运算放大电路4.5 实际的功率放大电路实际的功率放大电路1LM386内部电路图4.37 LM386内部电路原理图第4章集成