第6章集成运算放大电路

1、第第6 6章章 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6.1.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式C1 ：信号源与第一级之间的耦合：信号源与第一级之间的耦合C2 ：第一级与第二级之间的耦合：第一级与第二级之间的耦合C3 ：第二级与负载之间的耦合：第二级与负载之间的耦合+VCCuo1+Rb1Rc2C3Rb2Ce2Re2+uo+T2RLRb1C1C2Rui+us+RST1优点优点： (1)各级静态工作点互相独立，可分别计算、分析。各级静态工作点互相独立，可分别计算、分析。(2)如果电容选得足够大，可使前级输出端的信号如果电容选得足够大，可使前级输出端的信号几乎

2、无损失地传送到后级输出端。几乎无损失地传送到后级输出端。缺点缺点： (1)大容量电容在集成电路中难以制造，因而阻容耦大容量电容在集成电路中难以制造，因而阻容耦合在集成电路中无法采用。合在集成电路中无法采用。 (2)只能放大交流信号，不能放大直流信号或变化十只能放大交流信号，不能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。分缓慢的交流信号。+VCCRe2Rc2uo+T2Rb2Rb1Rcui+T1优点优点：能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。缺点缺点：(1)前、后级静态工作点互相影响；前、后级静态工作点互相影响；(2)零点漂移。零点漂移。1、前后级静态工作点相

3、互影响、前后级静态工作点相互影响b1BE1b2BE1CCB1RURUVI静态工作点的求解：静态工作点的求解：B11C1II)(B2C1c1CCCE1IIRVUBE2e2e2CCUIRVC2c2e2e2CCCE2IRIRVU2C2B2II+VCCRe2Rc2uo+T2Rb2Rb1Rcui+T1VC1VB2B2C1VV2、零点漂移、零点漂移(6.3.1)指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢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。地、无规则地变化的现象。多级直接多级直接耦合放大耦合放大电路电路ui=0uouotO晶体管参数随温度变化、电晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路

4、元件参数源电压波动、电路元件参数的变化的变化。差分放大电路差分放大电路优点优点：可变换电压和实现阻抗变换。可变换电压和实现阻抗变换。缺点缺点：(1)不能放大变换缓慢的信号；不能放大变换缓慢的信号；(2)低频特性差。低频特性差。Rb2C1Rb1CeReRL+VCCui+TN1N2(3)不能集成化。不能集成化。RLN1N2iUbIcIbIrbeRb2ebc+ +- -Rb1LRL221L)(RNNR RLsU+ +- -RsA1iU+ +- -i2o1UU+ +- -A2+ +- -ANoU+ +- -iNUuNuuNAAAUUUUUUUUA21ioo1o2io1iou多级放大电路的电压放大倍数等

5、于各级电压放大倍数多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数之积。之积。 i1iRR oNoRR 如图所示的两级电压放大电路，已知如图所示的两级电压放大电路，已知VCC=12V， 1=60， 2=37.5。 +VCCRb1Rc2C3Rb2Ce2Re2+uo+T2RLRb1C1C2Rui+us+RST1200k 2k 100 20k 10k 2k 2k 6k +12V解解: : (1) 两级放大电路的静态值可分别计算。两级放大电路的静态值可分别计算。mA35mA2)06(12000.621) (1e11b1BE1CCB1RRUVImA 14. 2mA 3560)(1)1 (B11E11CII

6、IV72. 7214. 212e1E1CCCE1RIVU+VCCRb1Rc2C3Rb2Ce2Re2+uo+T2RLRb1C1C2Rui+us+RST1200k 2k 100 20k 10k 2k 2k 6k +12VV401102012b2b2b1CCB2RRRVVmA7 . 1mA26 . 042e2BEB2E2C2RUVII解解: :+VCCRb1Rc2C3Rb2Ce2Re2+uo+T2RLRb1C1C2Rui+us+RST1200k 2k 100 20k 10k 2k 2k 6k +12V解解: :+VCCRb1Rc2C3Rb2Ce2Re2+uo+T2RLRb1C1C2Rui+us+RS

7、T1200k 2k 100 20k 10k 2k 2k 6k +12VA45mA5 .377 . 12C2B2IIV2 . 5)22(7 . 112)(2ec2C2CCCE2RRIUU解解: : 2bI2cIoUb22Irbe2Rb2Rc2RLebc+ +- -Rb1iU1bIb11ISUrbe1Re1cbe+ +- -+ +- -RSRb12iR1 iiRR 放大电路的输入电阻放大电路的输入电阻 Ri 等于第一级的输入电阻等于第一级的输入电阻Ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻第一级是射极输出器，它的输入电阻Ri1与负载有与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻关，而射极输出器的

8、负载即是第二级输入电阻Ri2。解解: : 2bI2cIoUb22Irbe2Rb2Rc2RLebc+ +- -Rb1iU1bIb11ISUrbe1Re1cbe+ +- -+ +- -RSRb12iR1 iiRR k79. 07 . 126)5 .371 (20026)1 (200E22be2Ir k79. 0/be2b2b12irRRR k 57. 0k79. 0279. 02/i2e1L1RRR解解: : 2bI2cIoUb22Irbe2Rb2Rc2RLebc+ +- -Rb1iU1bIb11ISUrbe1Re1cbe+ +- -+ +- -RSRb12iR1 iiRR k 94. 014.

9、22660)(120026)(12001E1be1Ir k 3 .30)1 (/L11be1b1i1iRrRRR k2c2o2oRRR2ooRR 解解: : 2bI2cIoUb22Irbe2Rb2Rc2RLebc+ +- -Rb1iU1bIb11ISUrbe1Re1cbe+ +- -+ +- -RSRb198. 057. 060)(194. 057. 0)601 ()1 ()1 (1L11be1L11RrRAu2 .7179. 06/25 .37/be2L2c22rRRAu8 .69)2 . 17(98. 021uuuAAA6.2 集成运算放大电路简介集成运算放大电路简介6.2.1 集成运放的

10、电路特点集成运放的电路特点集成运算放大器是一种具有集成运算放大器是一种具有高放大倍数、高输入高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻电阻、低输出电阻的多级的多级直接耦合直接耦合放大电路。放大电路。(1) 采用直接耦合方式；采用直接耦合方式；(2) 采用有源元件取代大电阻；采用有源元件取代大电阻；(3) 采用复合结构的电路提高电路性能；采用复合结构的电路提高电路性能；(4) 电路结构与元件参数具有对称性。电路结构与元件参数具有对称性。输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用扰信号，都采用差分放大电路差分放大电路。中间级：中间级：要求电压放大倍数

11、高。常采用要求电压放大倍数高。常采用共射共射( (或或共源共源) )放大电路放大电路构成。构成。输出级：输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般要求输出电阻低，带负载能力强，一般由由互补对称电路或射极输出器互补对称电路或射极输出器构成。构成。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输入端输入端输出端输出端运算放大器的方框图运算放大器的方框图集成运放的符号：集成运放的符号： ：表示表示“放大器放大器”两个两个输入端输入端uN：反相输入端反相输入端uP：同相输入端同相输入端一个输出端一个输出端： uo为了简化起见，常将接地端省去。为了简化起见，常将接地端省去。Aod：开环差模电压放大

12、倍数：开环差模电压放大倍数Aoduo+uNuPAoduo+uNuP常用的集成运放芯片常用的集成运放芯片 A74112876543调零端调零端 调零端调零端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端负电源端负电源端正电源端正电源端空脚空脚6.3 差分放大电路差分放大电路6.3.1 基本的差分放大电路基本的差分放大电路+VCCuoui1RcRb2T1Rb1Rc+T2ui2Rb2Rb1+ 电路结构对称，电路结构对称，两个输入、两个输出两个输入、两个输出uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时：静态时：ui1 = ui2 = 0当

13、当T ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+VCCuoui1RcRb2T1Rb1Rc+T2ui2Rb2Rb1+ VC1 = VC2 （集电极电位等向等量变化）（集电极电位等向等量变化）uo= (VC1 + VC1) (VC2 + VC2 ) = 0共模信号共模信号 需抑制需抑制+VCCuoui1RcRb2T1Rb1Rc+T2ui2Rb2Rb1+UCCuoui1RCRB2T1RB1RC+T2ui2RB2RB1+ VC1 = VC2 (集电极电位一增一减，呈等量异向变化集电极电位一增一减，呈等量异向变化)uo= (VC1 VC1) (VC2 + VC2 ) = VC1差模信号差模信号 是

14、有用信号是有用信号例例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV常作为常作为比较放大比较放大来用来用ui1 = uic1 + uid1 ui2 = uic2 + uid2 2i2i1ic2ic1icuuuuu2i2i1id2id1uuuuicoccuuA idodduuA cdCMRAAKKCMR越大，说明差放分辨差模信号的越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。能力越强，而抑制共模信号的能力越强。 若电路完全对称，理想情况下若电路完全对称，理想情况下Ac= 0， KCM

15、R若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0即共模信号对输出有影响。即共模信号对输出有影响。一、静态分析一、静态分析+Vuoui1RcT1RbRcui2ReRb+T- -VEE+VUCERcT1Rb2Re+- -VEEICIEIBUBE+EEEeEBBb2VIRUIReBEEEEC2RUVII1EBIIBECCCCCEUIRVUBEEUV+Vuoui1RcT1RbRcui2ReRb+T- -VEEuicRe的作用？的作用？抑制零点漂移，稳定静态工作点。抑制零点漂移，稳定静态工作点。 又称又称+Vuoui1RcT1RbRcui2ReRb+T- -VEEuiduid/2uid/2差模交流通

16、路：差模交流通路：uoui1RcT1RbRcui2虚地虚地Rb+T对差模信号不起作用对差模信号不起作用RbRcui1uo1+ +- -T1+ +- -bebci11od1rRRuuAd1bebci22od2ArRRuuA2id21 id12o1ooduAuAuuuidd12i1 id1)(uAuuAbebcd1idoddrRRAuuAibrbe ibRbRcui1uo1+ +- -+ +- -uoui1RcT1RbRcui2Rb+TRL)2/(LCLbebLdRRRrRRARL+Vuoui1RcT1RbRcui2ReRb+T- -VEEuiduid/2uid/2)(2)/(2bebLci1oi

17、dod1rRRRuuuuA)(2)/(2bebLci2oidod2rRRRuuuuAibrbe ibRbRc- -ibrbe ibRbRcuid+ +uod+ +- -例例1：+Vuoui1RcT1RbRcui2ReRb+T- -VEEeEEEC2RVIImA6 . 010102123CBIImA012. 0V6CCCCCEIRUU+VUCERcT1Rb2Re+- -VEEICIEIBUBE+Ebe26)1 (200Irk41. 26 . 026)501 (200bebLdrRRAk52/LCLRRR1141. 220550ibrbe ibRbRcui1uo1+ +- -+ +- -2LR+V

18、uoui1RcT1RbRcui2IRb+T- -VEE长尾式差分放大电路存在的问题：长尾式差分放大电路存在的问题：(1) Re越大，共模信号的抑制能力越强，但集成越大，共模信号的抑制能力越强，但集成电路中难以制作大电阻；电路中难以制作大电阻；(2) Re越大，所需的越大，所需的VEE也越大。也越大。采用采用恒流源代替恒流源代替Re。- -VR2T3R1R3+Vuoui1RcT1RbRcui2Rb+TI1I2IB3IC3IE3EE2122VRRRURI2 IB3I1 I23BE3E3C32RUUIIR32RURIC3不受温度影响不受温度影响，基本恒定。基本恒定。+Vuoui1RcT1RbRcui

19、2IRb+T- -VEERLuiui/2ui/2I- -VEERL+Vuoui1RcT1RbRcui2Rb+Tuiui/2ui/2可把可把 ui分解成一分解成一对共模信号和一对共模信号和一对差模信号对差模信号:iii12121uuuiii22121uuu+Vuoui1RcT1RbRcui2IRb+T- -VEEuiRLRLuo+Vui1RcT1RbRcui2IRbT- -VEEui)(2)/(2bebLCid1o1io1d1rRRRuuuuA)(2)/(2bebLCid2o2io2d2rRRRuuuuA输入方式输入方式双端双端单端单端输出方式输出方式双端双端单端单端双端双端单端单端差模放大倍数

20、差模放大倍数Ad差模输入电阻差模输入电阻Ri差模输出电阻差模输出电阻RobebcrRRbebcrRR)(2bebcrRR)(2bebcrRR2(Rb +rbe)2(Rb +rbe)+Vuoui1RcT1RbRcui2IRb+T- -VEERw2)1 (wbebLdRrRRA差模信号作用下的仿真25.24V1 . 0V425. 2io11dUUA25.24V1 . 0V425. 2io22dUUA5 .48V1 . 0.850V4iodUUA双端输入双端输入- -单端输出的差模电压放大倍数为：单端输出的差模电压放大倍数为：双端输入双端输入- -双端输出的差模电压放大倍数为：双端输出的差模电压放大

21、倍数为：可见：单端输出电压放大倍数为双端输出电压放大可见：单端输出电压放大倍数为双端输出电压放大倍数的一半。倍数的一半。共模信号作用下的仿真双端输入双端输入- -单端输出的共模电压放大倍数为：单端输出的共模电压放大倍数为：双端输入双端输入- -双端输出的共模电压放大倍数为：双端输出的共模电压放大倍数为：可见：差动放大电路对差模信号起放大作用，对共可见：差动放大电路对差模信号起放大作用，对共模信号有很强的抑制作用。模信号有很强的抑制作用。 487. 0V1V487. 0C2C1 AA0105 . 1V1V10151112ioCUUA单端输入情况下的仿真V449. 205. 0487. 005.

22、05 .48iC1C1id1d1oUAUAUV401. 205. 0487. 0)05. 0(5 .48iC2C2id2d2oUAUAUV85. 405. 001 . 05 .48iCCiddoUAUAU练习题：练习题：6.4 功率放大电路功率放大电路功率放大电路：功率放大电路：是放大电路的是放大电路的输出级输出级，去推动负载，去推动负载 工作。工作。 要求输出足够大的功率，工作在要求输出足够大的功率，工作在大信号大信号 状态状态，用，用图解法图解法。电压放大电路：电压放大电路：是放大电路的是放大电路的中间级中间级，将信号放大。，将信号放大。 要求输出足够大的电压，工作在要求输出足够大的电压，

23、工作在小信号小信号 状态状态，用，用微变等效电路微变等效电路。VomPP C(AV)CCVIVP L2omomRUP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iCuCEQOiCuCEQO晶体管导通的时间晶体管导通的时间大于半周小于全周大于半周小于全周iCuCEQO晶体管在输入信号晶体管在输入信号的半个周期内导通的半个周期内导通(1) T1、T2的特性一致；一个的特性一致；一个NPN型、一个型、一个PNP型，两管均接成射极输出器；型，两管均接成射极输出器；(2)双电源供电。双电源供电。+VCCRLui+uo+TTBAVCC+VCCRLui+uo+TVCCRLui+uo+T1

24、、静态时、静态时 ui= 0 由于无直流偏置，两管均截由于无直流偏置，两管均截止。止。 VA= 0+VCCRLui+uo+TTBAVCC2、动态时：、动态时：uitOuo当输入信号为正弦波时，输出信号在过零前当输入信号为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真。后出现的失真。ui 不足以克服晶体管的死不足以克服晶体管的死区电压，区电压，T基本上截止。基本上截止。交越失交越失真真+VCCRLui+uo+TTBAVCCuoMultisim 仿真波形：仿真波形：RLuo+VCC+VCCuiTTb1R1R2D1D2b2静态时，静态时，T1、T2 两管发两管发射结电压分别为射结电压分别为D1、D2上的压降

25、，使两管均处上的压降，使两管均处于微导通状态。于微导通状态。T1、T2 工作于工作于甲乙类甲乙类。UB1B2=UBE1+UBE2 =UD1+UD2RLuo+VCC+VCCuiTTb1R1R2R3b2TR4I3I4IB4BE343RUIII4 IBI3 I4BE343343CE3B1B2)1 ()(URRIRRUUUCE3为为UBE3 的倍数，该电路的倍数，该电路又称又称UBE倍压倍压(倍增倍增)电路电路。R3和和R4的比值，就可为的比值，就可为T1、T2 提供合适的静态电压。提供合适的静态电压。克服交越失真的仿真波形：克服交越失真的仿真波形：1、采用复合管的原因：、采用复合管的原因：2、复合管

26、的特点：、复合管的特点：复合管的类型与第一个晶体管相同，而与后接的复合管的类型与第一个晶体管相同，而与后接的晶体管无关。晶体管无关。(2) 12(3) 组成复合管的各管各极电流应满足电流方向一组成复合管的各管各极电流应满足电流方向一致性原则，即串接点处电流方向一致，并接点处致性原则，即串接点处电流方向一致，并接点处保证总电流为两管输出电流之和。保证总电流为两管输出电流之和。大功率管的电流放大系数大功率管的电流放大系数一般较小，且选用特性一般较小，且选用特性完全相同的互补管较困难。完全相同的互补管较困难。为此采用复合管为此采用复合管, ,即将即将第一管的集电极或发射极接至第二管的基极。第一管的集

27、电极或发射极接至第二管的基极。TTTTTTTTTTTTRLuo+VCC+VCCuiTTIR2TR3TTTR1+NPN复合管复合管PNP复合管复合管倍增电路倍增电路共射放大电路共射放大电路恒流源为恒流源为T1提供静提供静态电流，又是集电态电流，又是集电极负载。极负载。RLuo+VCC+VCCuiTTIR2TR3TTTR1+由于大功率管由于大功率管T4和和T6既要互补，又要对称既要互补，又要对称难以实现，因而选用同类型的管子。难以实现，因而选用同类型的管子。由于大功率管由于大功率管T4和和T6既要互补，又要对称既要互补，又要对称难以实现，因而选用同类型的管子。难以实现，因而选用同类型的管子。RLu

28、o+VCC+VCCuiTIR2TR3TTR1+TT功率放大电路的主要参数功率放大电路的主要参数（P11或或p176)2 2、最大输出功率、最大输出功率Pom与效率与效率最大输出功率最大输出功率Pom：效率效率：VomPP1 1、最大不失真输出电压、最大不失真输出电压RLuo+VCC+VCCuiTTR1R2D1D2VCC- -UCES)，则最大不，则最大不失真输出电压：失真输出电压：2CESCComUVUL2CESCCL2omom2)(RUVRUPUCES=0L2CCL2omom2RVRUPICmax为：为：LCESCCLomCmaxRUVRUI)(dsin21maxC0maxCC(AV)Itt

29、IIIC(A V)为：为：VomPP C(AV)CCVIVP LCESCCRUVLCESCCCCC(AV)CCV22RUVVIVPCCCESCCVom4VUVPPUCES时，时，%5 .784RLuo+VCC+VCCuiTTR1R2D1D20.2Pom；UBR (CEO)2VCC；LCCRVICM L22CCTmax RVP例例1 1：RLuo+VCC+VCCuiTTR1R2D1D2L2CESCCom2)(RUVPW982)315(2%8 .621531544CCCESCCVUVW85. 281522L22CCTmaxRVPV17312822CESomLCCUPRV1、特点、特点(1) 输出端

30、有大电容；输出端有大电容；(2) 单电源供电。单电源供电。+VCCCRLui+uo+TTBA2、静态时、静态时 ui= 0 两管均截止。两管均截止。2 CCCVU IC1 0， IC2 02CCAVV 3、 动态时动态时2CCV设输入端在设输入端在VCC/2 直流基础上加入正弦信号。直流基础上加入正弦信号。uo+UCCCLRLui+uo+TTBA交越失真交越失真4、消除交越失真的、消除交越失真的OTL电路电路+VCCCRLui+uo+TTR1R2R3D1D2静态时，静态时，调节调节R2。T1、T2 两管发射结电压分两管发射结电压分别为别为R2、D1、D2上的上的压降，使两管均处于压降，使两管均

31、处于微导通状态。微导通状态。T1、T2 工作于工作于甲乙类甲乙类。OTL电路功率、效率的计算只需将电路功率、效率的计算只需将OCL电路中的电路中的VCC用用VCC/2代替代替即可。即可。例例2：+VCCCRLui+uo+TTAR3C+R1R2D1D2(1) T1、T2 工作于工作于甲乙类甲乙类。(2) R1、D1 、D2为为T1、T2提供静提供静态偏置电压，使态偏置电压，使T1、T2处于微处于微导通状态，克服交越失真。导通状态，克服交越失真。(3) VA=UCC /2， 0(4) R3调整，使调整，使UB1B2确保确保T1、T2处于微导通状态，另外可使处于微导通状态，另外可使电容两端的电压为电容两端的电压为UCC /2。6.5 集成运放中的电流源集成运放中的电流源+VC