集成电路与运算放大器课件

第3章集成电路与运算放大器

集成电路:采用一定的制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等许多元器件组成的具有特定功能的电路在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成运算放大器的特点（1）同一芯片上的元件是同一工艺制造出来的，故具有同相偏差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。（2）尽量采用三极管代替电阻、电容和二极管等元件。大电阻，大电容常采用外接。第3章集成电路与运算放大器集成电路:采用一定的制造工艺将按集成度划分：

小规模集成电路（0~100个元件）中规模集成电路（100~1000个元件）大规模集成电路（1000个元件以上）超大规模集成电路（十万个元件以上）

模拟集成电路据应用划分：

运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源等

集成电路的分类：据功能来划分:模拟集成电路数字集成电路按集成度划分：模拟集成电路据应用划分：集成电路的分类：据功能3.1集成电路与运算放大器基础

3.1.1集成工艺与集成元器件

3.1.2

集成运算放大器的组成、框图以及符号1.

集成电路运算放大器的基本构成

3.1集成电路与运算放大器基础3.1.1集成工艺与运算放大器有三类封装形式：金属圆帽封装、双列直插封装和贴片SOP封装2、封装形式和表示符号SO8(PlasticMicropackage)运算放大器有三类封装形式：金属圆帽封装、双列直插封装和贴片S同相输入端：vo与vi的位相相同。反相输入端：vo与vi的位相相反。Aod：开环差模电压放大倍数。vi反相输入端同相输入端vo=Aodvi

－＋＋

v－

v+

voAo国际符号国内符号Avdv－v+同相输入端：vo与vi的位相相同。vi反相输入端同相输入端v3.2集成运放的输入级

集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组成。差分放大器就其功能来说，是对差模输入信号具有放大作用，而对共模输入信号具有抑制作用的放大器，由于其电路的性能优越，它是集成电路运算放大器的主要组成单元。

对称3.2集成运放的输入级集成运算放大器的输入3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信号

实际加到放大器两输入端的信号：电压往往为任意信号，

实际加到放大器两输入端的信号电压可分解为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和。3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信3.2集成运算放大器的输入级

3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信号

差模输入信号:放大器两个输入端的输入信号为一对大小相等，极性相反的输入信号电压，即：

共模输入信号：放大器的两输入端分别输入一个大小相等，性相同的信号，即：3.2集成运算放大器的输入级

3.2.1差分放大电路的3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信号差模输出信号：放大器的两个输出端，输出大小相等，极性相反的输出信号，即：

共模输出信号：输出端输出大小相等，极性相同的输出信；即，

3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信+-vi1+-vi2-++-vo差模与共模信号：+-vid差模信号共模信号总输出电压差模电压增益共模电压增益共模抑制比反映抑制零漂能力分析思路：叠加定理输出信号同样可以进行类似的分解+-vi1+-vi2-++-vo差模与共模信号：+-vi零点漂移的讨论直接耦合放大电路零点漂移问题可以放大直流信号#集成运算放大器要采用直接耦合？零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。主要原因：温度变化引起，也称温漂。温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一没有电容、变压器零点漂移的讨论直接耦合放大电路零点漂移问题可以放大直例如若第一级漂移100uV，则输出漂移10mV若第二级漂移100uV，则输出漂移10mV假设

第一级是关键！减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿采用差分式放大电路漂移100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV例如若第一级漂移100uV，则输出漂移10mV若第二级CH10DifferentialAmplifiers13AudioAmplifierExampleAnaudioamplifierisconstructedabovethattakesonarectifiedACvoltageasitssupplyandamplifiesanaudiosignalfromamicrophone.CH10DifferentialAmplifiers114“Humming”NoiseinAudioAmplifier

ExampleHowever,VCCcontainsaripplefromrectificationthatleakstotheoutputandisperceivedasa“humming”noisebytheuser.14“Humming”NoiseinAudioAmp15SupplyRippleRejectionSincebothnodeXandYcontaintheripple,theirdifferencewillbefreeofripple.15SupplyRippleRejectionSince16Ripple-FreeDifferentialOutputSincethesignalistakenasadifferencebetweentwonodes,anamplifierthatsensesdifferentialsignalsisneeded.16Ripple-FreeDifferentialOut17CommonInputstoDifferentialAmplifierSignalscannotbeappliedinphasetotheinputsofadifferentialamplifier,sincetheoutputswillalsobeinphase,producingzerodifferentialoutput.17CommonInputstoDifferentia18DifferentialInputstoDifferentialAmplifierWhentheinputsareapplieddifferentially,theoutputsare180°outofphase;enhancingeachotherwhensenseddifferentially.18DifferentialInputstoDiffeCH10DifferentialAmplifiers19DifferentialSignalsApairofdifferentialsignalscanbegenerated,amongotherways,byatransformer.Differentialsignalshavethepropertythattheysharethesameaveragevaluetogroundandareequalinmagnitudebutoppositeinphase.CH10DifferentialAmplifiers13.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信号例1：已知=2.02V，=1.98V，试求共模和差模输入电压。解：

3.2.1差分放大电路的工作原理

1、差分放大器的基本信3.2.1差分放大电路的工作原理

2、差分放大电路的工作原理

这个电路有两个输入端和两个输出端,有四种电路形式：双端输入-双端输出双端输入-单端输出3.2.1差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工3.2.1差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理单端输入－双端输出单端输入－单端输出理想情况下，单端输入只输入差模信号3.2.1差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理3.2.1差分放大电路的工作原理

下面分析其工作原理

1）静态分析当υi1＝υi2＝0时

iC1=iC2=IC=IO/23.2.1差分放大电路的工作原理下面分析其工作原理i3.2.1差分放大电路的工作原理2）动态分析：差分放大器对差模输入信号具有放大作用对共模信号具有抑制作用3.2.1差分放大电路的工作原理2）动态分析：对共模信号具3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等效电路与半电路分析法

双端输入－双端输出差模输入信号电压作用下：REE可视为短路负载电阻RL两端的增量电压等值反相，故负载中间的点对应的电位保持不变，即交流电位为0。

3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法

3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等效电路与半电路分析法

(2).差分放大器的差模性能分析差模输入电阻：2(Rs+rbe)差模输出电阻：双端输出：2RC

单端输出：

RC3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等效电路与半电路分析法

(2).差分放大器的差模性能分析差模电压增益：差分放大器的差模输出电压对差模输入电压的比值

双端输出时的差模电压增益与单个共发射极放大电路的增益相同3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2.差分放大器的差模性能分析(2).差分放大器的差模性能分析差模电压增益：单端输出时

若不接RL则单端输出时的电压增益为

单端输出时的差模电压增益为单个共发射极放大电路的增益的一半3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2.差分放大器的3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等效电路与半电路分析法（3）差分放大器的共模性能分析

流经REE的电流等于原静态电流Io与2倍的增量电流ΔiC之和;

半边电路三极管发射极相当于接入2REE；双端输出的条件下，集电极两端输出的交流电压大小相等，方向相同，通过RL的电流为零，RL等效为开路。

3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2.差分放大器的差模性能分析（3）差分放大器的共模性能分析

共模电压增益Aυc单端因2（1＋β）REE＞＞Rs＋rbe，故双端3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2.差分放大器的3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等效电路与半电路分析法（3）差分放大器的共模性能分析共模输入电阻Ric：

Ric定义为共模输入电压υic与一个输入端的共模输入电流ibc之比。

共模输出电阻：是指从共模输出端口看进出的电阻

3.2.2差分放大电路的基本性能分析

1、差分放大器的等3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2、共模抑制比

定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值

双端输出时，共模增益为0，其共模抑制比为无穷大；单端输出时，

(RL开路)3.2.2差分放大电路的基本性能分析2、共模抑制比3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2、共模抑制比

提高共模抑制比的主要方法是增大REE

用恒流源来代替REE恒流源：直流电阻较小而动态电阻极大3.2.2差分放大电路的基本性能分析

2、共模抑制比提高3.2.2差分放大电路的基本性能分析小结：差模特性：双端输出差模增益：单端输出差模输入电阻与输入端的连接方式无关。2(Rs+rbe)差模输出电阻双端输出:为两共发放大器输出电阻之和2RC单端输出:为共发放大器的输出电阻

RC3.2.2差分放大电路的基本性能分析小结：差模输入电阻与输3.2.2差分放大电路的基本性能分析小结：双端共模性能：■共模电压增益单端■共模输入电阻共模输出电阻3.2.2差分放大电路的基本性能分析小结：举例P153例3－2－1举例P153例3－2－1测试—选择填空

1.差分放大电路中，当Vs1=300mV，Vs2=200mV时，分解为共模输入信号Vsc=

，差模输入信号Vsd=

。

a.500mVb.100mVc.250mVd.50mV

3.在单端输出差分放大电路中，差模电压增益AVd=50，共模电压增益AVc=–0.5，若输入电压Vs1=80mV，Vs2=60mV，输出电压Vo2=

。

a.–1.035Vb.–0.965Vc.0.965Vd.1.035VVo2=Avd×Vsd+Avc×Vsc=50×20mv–0.5×70mv=1000mv-35mv

2.差分放大电路中，当Vs1=200mV，Vs2=0mV时，分解为共模输入信号Vsc=

，差模输入信号Vsd=

。测试—选择填空1.差分放大电路中，当Vs1=300mV3.2.3差分放大电路的传输特性

差模传输特性是指输出差模电流(双端输出电流或单端输出电流)随差模输入电压变化的特性。1.差模传输特性函数的引入3.2.3差分放大电路的传输特性差模传输3.2.3差分放大电路的传输特性

通过发射极的电流I0双端输出3.2.3差分放大电路的传输特性通过发射极的电流I03.2.3差分放大电路的传输特性

传输特性曲线当υid=0时，为Q点（I0／2）

当|υid|≥4VT=104mV时，一管将趋于截止，I0几乎全部流入另一管，曲线进入限幅区。在Q点附近

，曲线近似看成为一段直线，线性的范围3.2.3差分放大电路的传输特性传输特性曲线当|υid|3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性

失调：电路两边存在着不对称，使得零输入时(即静态时)双端输出不等于零。

1、输入失调电压输入时(即静态时)双端输出电压等于

2、输入失调电流为使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引入电流，使相应的IBQ1≠IBQ2。这两个电流的差值就是输入的失调电流。

3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性失3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性

3、失调模型和调零电路

若取

3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性3、失调模型和调零电路3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性3、3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性4、VIO和IIO的温漂:当环境温度、电源电压等外界因素变化时,引起VIO和IIO的漂移

VIO和IIO随温度的变化率均分别与VIO和IIO成正比。

调零电路的调零不可能跟踪温度的变化，因此，调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。

3.2.4差分放大电路的失调

与温度漂移特性43.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.1基本电流源

I0如同IR的镜像，所以此电路叫做镜像电流源。3.3集成运算放大器的偏置与负载3.3.1基本电CH9CascodeStagesandCurrentMirrors47ConceptofCurrentMirrorThemotivationbehindacurrentmirroristosensethecurrentfroma“goldencurrentsource”andduplicatethis“goldencurrent”tootherlocations.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors48BipolarCurrentMirrorCircuitryThediode-connectedQREFproducesanoutputvoltageV1thatforcesIcopy1=IREF,ifQ1=QREF.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors49BadCurrentMirrorExampleIWithoutshortingthecollectorandbaseofQREFtogether,therewillnotbeapathforthebasecurrentstoflow,therefore,Icopyiszero.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors50BadCurrentMirrorExampleIIAlthoughapathforbasecurrentsexists,thistechniqueofbiasingisnobetterthanresistivedivider.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors51MultipleCopiesofIREFMultiplecopiesofIREFcanbegeneratedatdifferentlocationsbysimplyapplyingtheideaofcurrentmirrortomoretransistors.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors52CurrentScalingByscalingtheemitterareaofQjntimeswithrespecttoQREF,Icopy,jisalsontimeslargerthanIREF.Thisisequivalenttoplacingnunit-sizetransistorsinparallel.

CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors53Example:ScaledCurrentCH9CascodeStagesandCurre54FractionalScalingAfractionofIREFcanbecreatedonQ1byscalinguptheemitterareaofQREF.54FractionalScalingAfractionCH9CascodeStagesandCurrentMirrors55Example:DifferentMirroringRatioUsingtheideaofcurrentscalingandfractionalscaling,Icopy2is0.5mAandIcopy1is0.05mArespectively.Allcomingfromasourceof0.2mA.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors56MirroringErrorDuetoBaseCurrentsCH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors57ImprovedMirroringAccuracyBecauseofQF,thebasecurrentsofQREFandQ1aremostlysuppliedbyQFratherthanIREF.Mirroringerrorisreducedtimes.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors58Example:DifferentMirroringRatioAccuracyCH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors59PNPCurrentMirrorPNPcurrentmirrorisusedasacurrentsourceloadtoanNPNamplifierstage.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors60GenerationofIREFforPNPCurrentMirrorCH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors61Example:CurrentMirrorwithDiscreteDevicesLetQREFandQ1bediscreteNPNdevices.IREFandIcopy1canvaryinlargemagnitudeduetoISmismatch.CH9CascodeStagesandCurre3.3.2带缓冲级的镜像电流源问题若较小，则分流造成的误差不能忽略！为了避免T3的电流较大使得T1T2基极电流太大常常加入电阻Re3，进行分流对T1的C点列KCL方程：3.3.2带缓冲级的镜像电流源问题若较小，则分流造成的误

3.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.3比例电流源

在镜像电流源的两管发射极上串接同阻值的电阻，如图

3.3集成运算放大器的偏置与负载3.3.3比例

3.3.4微电流源思路：产生A级电流例如：VCC=10V，IC2=1A，则

R=10M。需占用硅片面积大解决方法：。。。例：已知VCC=15V，IR=1mA，IC2=20A，VBE1=0.7V，则由(2)得R=15k；由(1)得Re2=5k。计算方法：3.3.4微电流源思路：产生A级电流例如：VCC=13.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.5具有有源负载的共发射极放大器

在共射极（共源）放大电路中，为了提高放大器的放大倍数，用电流源作有源负载，如图

T1的集电极电阻由T2来取代，流过T1集电极的电流由通过T3管的参考电流IR来设定，T1为放大管，T2和T3为镜像电流源，T2是T1有源负载，基准电流

3.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.5具有有3.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.5具有有源负载的共发射极放大器

共射极放大器的交流等效电路如图所示，故其电压放大倍数为

说明T1管的动态电流β1ib几乎全部流向负载，有源负载使共发射极的电压放大倍数得到提高。3.3集成运算放大器的偏置与负载

3.3.5具有有CH9CascodeStagesandCurrentMirrors67DerivationofVoltageGainByrepresentingalinearcircuitwithitsNortonequivalent,therelationshipbetweenVoutandVincanbeexpressedbytheproductofGmandRout.CH9CascodeStagesandCurreCH9CascodeStagesandCurrentMirrors68Example:VoltageGainCH9CascodeStagesandCurre69ComparisonbetweenBipolarCascodeandCEStageSincetheoutputimpedanceofbipolarcascodeishigherthanthatoftheCEstage,wewouldexpectitsvoltagegaintobehigheraswell.69ComparisonbetweenBipolarCCH9CascodeStagesandCurrentMirrors70VoltageGainofBipolarCascodeAmplifierSincerOismuchlargerthan1/gm,mostofIC,Q1flowsintothediode-connectedQ2.UsingRoutasbefore,AViseasilycalculated.CH9CascodeStagesandCurre3.4集成运算放大器的中间放大级电路

在集成运放放大器中，通常把输入级与输出级之间的电路通称为中间级放大器，承担三项基本的功能：一、能够提供足够高的电压增益；二、进行直流电平的移动，保证在输入为零电平时输出也为零电平；三、完成双端输出变单端输出的功能。

3.4集成运算放大器的中间放大级电路在集成运放放CH10DifferentialAmplifiers72DifferentialPairwithActiveLoadTheinputdifferentialpairdecreasesthecurrentdrawnfromRLbyIandtheactiveloadpushesanextraIintoRLbycurrentmirroraction;theseeffectsenhanceeachother.

CH10DifferentialAmplifiers7CH10DifferentialAmplifiers73ActiveLoadvs.StaticLoadTheloadontheleftrespondstotheinputsignalandenhancesthesingle-endedoutput,whereastheloadontherightdoesnot.CH10DifferentialAmplifiers7iC1=iC3v0I0viT4T3T2T1+VCCIC4IC2IC3IC1i0-VEE3.4.1双端变单端电路这样差模电压引起的T1，T2集电极电流的增量全部输出给负载，与双端输出相同。

输入差模信号△i0=iC4-iC2=iC1-iC2=2△

iC输入共模信号iC1＝ICQ＋Δi，iC2＝ICQ＋Δi

iC1＝ICQ＋Δi，iC2＝ICQ－Δi

iC4=iC3=iC1△i0=iC4-iC2=iC1-iC2=0采用有源负载，使单端输出具有双端输出的增益iC1=iC3v0I0viT4T3T2T1+VCCIC4IC3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.1双端变单端电路

进一步分析该电路的差模性能：

由于两边电路不对称，因而不能直接采用前面介绍的半电路分析法。3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.1双端变3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.1双端变单端电路当RL无穷大时，由图求得差分放大器的输出电压

上式表明该为同相放大器，其数值与有源负载共发放大器相同。

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.1双端变

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移动电路

集成运算放大器的级与级之间是采用直接耦合方式的

输入为零电平时输出不能保持零电平，为了使输出保持为零电平，需要进行电平移动，电平移动的作用就是要把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到输出为零电平的目的

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移动电路1、电阻分压式电平移动电路

直流交流3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移动电路2、恒流源电平移动电路

在直流电平移动的同时，交流信号不衰减，

R2、R3、R4、T1、T2组成恒流源

1）输出的直流电压比输入的直流电压降低了IOR1

2）恒流源的交流电阻很大，输出的交流电压υ2≈υ1

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移动电路3、PNP管电平移动电路

T1是NPN管，T2是PNP管，该电路既对信号进行放大，又兼有电平移动的作用

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移动电路4、二极管电平移动电路

由于二极管导通时，导通电阻很小，当负载和电阻R较大，且满足R//RL>>nrd时输出的交流电压几乎不变;电平的移动是导通电压的整数倍，调节性差，电平的移动随温度而变化.

3.4集成运算放大器的中间放大级电路

3.4.2电平移3.5集成运算放大器的输出级用于向负载提供功率的放大电路叫做功率放大器一、功率放大器简介性能要求（1）输出功率尽可能大（4）大功率管的散热问题（2）具有足够高的功率转换效率（3）非线性失真小（5）电路的安全工作问题安全、高效、不失真地输出所需信号功率3.5集成运算放大器的输出级用于向负载提供功率的放大电1.概述

在输入信号的整个周期内，功率管上都有电流流过。按照功率放大器在输入信号整个周期内流过管子电流的时间不同可以分为：甲类甲乙类乙类丙类在输入信号的半个周期内，功率管上有电流流过。在输入信号小于一个周期，大于半个周期时间内管子上有电流流过。1.概述在输入信号的整个周期内，功率管上都有电流流PowerAmplifierClassesClassA:Highlinearity,lowefficiencyClassB:Highefficiency,lowlinearityClassAB:CompromisebetweenClassAandB84CH13OutputStagesandPowerAmplifiersPowerAmplifierClassesClassA3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)

1）静态分析VCEQ＝VCC－IERe≈VCC直流负载线是一条垂直于横轴、垂足在υCE＝VCC点的直线

3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)1）静态分析(续）在直流负载线上iC=ICQ的点就静态工作点

损耗在集电极上的功率为

VCEQICQ≈VCCICQ3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管放大器的能量分配关系静态时，直流电源提供的功率集电极损耗功率集电极电阻RC上消耗的功率可以看出放大器的能量分配关系静态时，直流电源提供的功率集电极损动态能量分配关系动态时，电源功率未变，在输入信号的作用下，原来消耗在集电结的功率的一部分转换为RC上的功率，若RC为负载，即在输入信号的作用下，电源提供的功率转换为输出功率。集电结上消耗的功率RC上消耗的功率电源提供的功率动态能量分配关系动态时，电源功率未变，在输入信号的作用下，原2）动态分析为使输出信号动态范围尽量大，Q点选择在负载线中点；若忽略管子的饱和压降，可得交流输出功率甲类放大器中，直流电源提供的功率集电结上消耗的功率2）动态分析为使输出信号动态范围尽量大，Q点选择在负载线中点3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)

2）动态分析

交流负载线一条通过静态工作点Q、斜率为的直线。

若变压器为理想变压器，与负载电阻RL的关系是

3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)2）动态分析（续）三极管的集电极电压υCE在输入信号的负半周大于电源电压VCC。这是因为在这段时间内，输出变压器初级绕组中感应电动势与电源电压的极性是一致的，此时管子集电极电压就等于电源电压与这个感应电动势之和。3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)例3-5-1电容Ce认为短路，若变压器为理想变压器，且匝数之N1∶N2=1000∶160，Rb1＝5.1kΩ，Rb2＝2kΩ，VCC=6V，Re＝51Ω，求：（1）负载上所得到的最大不失真功率POM；2）电路的效率η（3）三极管集电极消耗的最大容许功率PCM、最大输出电压UCEO、输出的最大电流ICM

解：1）静态VE=VB－VBE=1.69－0.7=0.99VICQ=VE/Re=0.99/0.051=19.4mAVCEQ=VCC－VE=6－0.99=5V3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(单管甲类功率放大器)例3-5-1解（续）2）动态R'L=n2RL=(1000/160)2×8=0.3125kα=tg－1(1/R'L)≈72o由此算出交流负载线与横轴的交点为：5+ICQ/tg72o=11.3V与纵轴的交点为：11.3×tg72o=34.8mAIcm=34.8－19.4=15.4mAVcem=5VPOmax=0.5VcemIcm=0.5×5×15.4=38.5(mW)3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(单管甲类3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(单管甲类功率放大器)例3-5-1解（续）（2）电路的效率：（3）极限参数：PCM≥2POmax=2×38.5=77mWV(BR)CEO≥2Vcem=2×5=10VICM≥(Icm＋ICQ)=15.4＋9.4=34.8mA3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(单管甲类影响功率传输效率的为集电结上消耗的功率静态功耗是造成效率低的主要原因解决办法：降低静态电流减小管子导通时间静态点下移采用乙类或者甲乙类放大器可以使静态点下移影响功率传输效率的为集电结上消耗的功率静态功耗是造成效率低的Push-PullStageAsVinincreases,Q1isonandpushesacurrentintoRL.AsVindecreases,Q2isonandpullsacurrentoutofRL.96CH13OutputStagesandPowerAmplifiersPush-PullStageAsVinincrease3.5.2互补对称功率放大电路（OCL）ic1ic2

静态时：vi=0VT1、T2均不工作

vo=0V动态时：vi

0VT1截止，T2导通vi>0VT1导通，T2截止iL=ic1

;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作1、工作原理（设vi为正弦波）3.5.2互补对称功率放大电路（OCL）ic1ic2VLmax负载上得到的最大功率为：iL-VCCRLviT1T2vL+VCC忽略晶体管的导通电压和饱和压降，则负载(RL)上的电压和电流分别为：2、性能分析VLmax负载上得到的最大功率为：iL-VCCRLviT1T电源提供的直流平均功率：每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：tic1效率为：电源提供的直流平均功率：每个电源中的Push-PullStagePowerRatingMaximumpoweroccursbetweenVp=0and4Vcc/π.100CH13OutputStagesandPowerAmplifiersPush-PullStagePowerRatingMaExample:Push-PullPav

IfVp=4VCC/π

→Pav=0ImpossiblesinceVpcannotgoabovesupply(VCC)101CH13OutputStagesandPowerAmplifiersExample:Push-PullPavIfVpEfficiencyEfficiencyisdefinedastheaveragepowerdeliveredtotheloaddividedbythepowerdrawnfromthesupplyEmitterFollowerPush-PullStageI1=VP/RLI1=VP/RL102CH13OutputStagesandPowerAmplifiersEfficiencyEfficiencyisdefineExample:EfficiencyEmitterFollowerVP=VCC/2Push-PullI1=(VP/RL)/β103CH13OutputStagesandPowerAmplifiersExample:EfficiencyEmitterFvi-VCCT1T2vo+VCCRLiLvivovovo

´交越失真死区电压3、存在的问题(1)静态电流

ICQ、IBQ等于零(2)每管导通时间小于半个周期(3)存在交越失真。特点：vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLvivovovo´SinusoidalResponseofPush-PullStageForlargeVin,theoutputfollowstheinputwithafixedDCoffset,howeverasVinbecomessmalltheoutputdropstozeroandcauses“CrossoverDistortion.”105CH13OutputStagesandPowerAmplifiersSinusoidalResponseofPush-PuiL-VCCRLviT1T2vL+VCC2）阻抗不匹配例如：RL=8Ω，PL=50w时 负载两端电压的有效值为幅值VLm=VL=28.3V电源电压应大于28.3V，功放管耐压要大于57V3）要求两种不同类型的功放管（NPN和PNP）且要求特性比较对称。4）需要两个电源供电。3、存在的问题1）存在交越失真。iL-VCCRLviT1T2vL+VCC2）阻抗不匹配负载两3.5.3准互补推挽输出级

克服交越失真的一种方法是给T1和T2加入一定的偏置

缺点：偏置电压不易调整3.5.3准互补推挽输出级克服交越失真的一种方法是给ImplementationofVBSinceVB=VBE1+|VBE2|,anaturalchoicewouldbetwodiodesinseries.I1infigure(b)isusedtobiasthediodesandQ1.108ImplementationofVBSinceVB=VAdditionofCEStageACEstage(Q4)isaddedtoprovidevoltagegainfromtheinputtothebasesofQ1andQ2.109CH13OutputStagesandPowerAmplifiersAdditionofCEStageACEstag3.5.3准互补推挽输出级VCE4＝VBE4（R1＋R2）/R2，因此，利用T4的VBE4基本为一固定值（硅管约为0.6-0.8V），只要调节R1、R2的比值，就可以调节的T1、T2偏压值，这种方法在集成电路中经常采用。缺点：双电源3.5.3准互补推挽输出级VCE4＝VBE4（R1＋R2）/3.5.3准互补推挽输出级(OTL)

使用单电源供电的输出级图中T3管组成前置放大级，T1、T2组成互补对称级。静态时，通常K点的电位VK＝VC＝VCC/2，为了提高工作点的稳定性，电压VK通过电阻Rb1、Rb2的分压与前置放大器的基极相连接，引入负反馈使VK稳定，从而使放大器的性能得到改善。

3.5.3准互补推挽输出级(OTL)使用单电源供电的输出3.5.3准互补推挽输出级图中T3管组成前置放大级，T1、T2组成互补对称级。在输入信号为0时，给T1、T2提供一个合适的偏置，从而使K点的电位为VK＝VC＝VCC/2；在输入信号不为0时:在信号的负半周T1导通，同时向C充电;在信号的正半周，T2导通，C通过RL放电，合理地选择时间常数RC（比信号的周期大得多）就可以电容C和一个电源可以代替原来的＋VCC和-VCC两个电源的作用。负载上得到最大的交流输出电压为Vom＝VCC/2缺点：输出电压的幅度明显小于VCC/23.5.3准互补推挽输出级图中T3管组成前置放大级，T1、T3.5.3准互补推挽输出级采用自举电路

3.5.3准互补推挽输出级3.6集成运算放大器的整体电路(LM741)读图差分放大输入级共集－共基组合双入－单出互补对称功放互补对称功放2个二极管甲乙类功放++++-相位---中间放大级复合管－共射前置放大共集缓冲3.6集成运算放大器的整体电路(LM741)读图差分放大输入3.6.2集成运算放大器的性能参数

1、输入失调电压VIO

在室温下（25˚C）以及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压。测量方法

3.6.2集成运算放大器的性能参数1、输入失调电3.6.2集成运算放大器的性能参数2、输入失调电流IIO

输出电压为0时，运算放大器的两个输入端的静态电流的差称为输入失调电流

测量方法3.6.2集成运算放大器的性能参数2、输入失调电流IIO3.6.2集成运算放大器的性能参数3、开环电压增益

开环电压增益是指运放没有反馈时的差模电压增益，即集成运算放大器的输出电压与差模输入电压的比值开环电压增益的测试3.6.2集成运算放大器的性能参数3、开环电压增益3.6.2集成运算放大器的性能参数4、差模输入电阻

差模输入电阻是在运算放大器输入差模信号时，运算放大器的两个输入端看进去的等效电阻。测量方法3.6.2集成运算放大器的性能参数4、差模输入电阻3.6.2集成运算放大器的性能参数5、转换速率（摆率）

运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号能够达到的最大变换率称为转换速率或者摆率，用SR表示，单位为V/uS。测量方法3.6.2集成运算放大器的性能参数5、转换速率（摆率）测CH8OperationalAmplifierasABlackBox120SlewRateofOpAmpInthelinearregion,whentheinputdoubles,theoutputandtheoutputslopealsodouble.However,whentheinputislarge,theopampslewssotheoutputslopeisfixedbyaconstantcurrentsourcechargingacapacitor.Thisfurtherlimitsthespeedoftheopamp.CH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox121ComparisonofSettlingwithandwithoutSlewRateAsitcanbeseen,thesettlingspeedisfasterwithoutslewrate(asdeterminedbytheclosed-looptimeconstant).CH8OperationalAmplifierasA122SlewRateLimitonSinusoidalSignalsAslongastheoutputslopeislessthantheslewrate,theopampcanavoidslewing.However,asoperatingfrequencyand/oramplitudeisincreased,theslewratebecomesinsufficientandtheoutputbecomesdistorted.122SlewRateLimitonSinusoid3.6.2集成运算放大器的性能参数

6、温度漂移

输入失调电压的温度漂移是指在规定的温度范围内输入失调电压的温度系数；输入失调电流的温度漂移是指在规定的温度范围内输入失调电流的温度系数

7、最大的差模输入电压Vidmax

指运算放大器的同相与反相端能够承受的最大电压值

8、最大的共模输入电压Vicmax

指运算放大器能够承受的最大的共模输入电压

3.6.2集成运算放大器的性能参数6、温度漂移3.7集成运算放大器的基本应用

集成运算放大器的理想化参数为：（1）开环差模电压增益（放大倍数）Aυd无穷大；两个输入端的电压为无穷小，υid=V+-V-=0，这种现象称为“虚短”。

（2）差模输入电阻Rid无穷大；故两个输入端的电流趋于零，这种现象叫做“虚断”（3)输出电阻为0；(4）共模抑制比无穷大；（5）上限截止频率无穷大；（6）输入失调电压，输入失调电流和它们的温漂均为0，而且无任何内部噪声

3.7集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的理3.7.2集成运算放大器组成的基本电路

1、反相放大器

电压增益只与运算放大器的外部电阻Rf，R1有关而与运算放大器无关

3.7.2集成运算放大器组成的基本电路1、反相放大器电压3.7.2集成运算放大器组成的基本电路

2、同相放大器

同相放大器的输出电压与输入电压同相，放大器的放大倍数只与外加的电阻有关3.7.2集成运算放大器组成的基本电路2、同相放大器同相127BasicOpAmpOpampisacircuitthathastwoinputsandoneoutput.Itamplifiesthedifferencebetweenthetwoinputs.127BasicOpAmpOpampisacirCH8OperationalAmplifierasABlackBox128InvertingandNon-invertingOpAmpIfthenegativeinputisgrounded,thegainispositive.Ifthepositiveinputisgrounded,thegainisnegative.CH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox129IdealOpAmpInfinitegainInfiniteinputimpedanceZerooutputimpedanceInfinitespeedCH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox130VirtualShortDuetoinfinitegainofopamp,thecircuitforcesVin2tobeclosetoVin1,thuscreatingavirtualshort.CH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox131UnityGainAmplifierCH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox132OpAmpwithSupplyRailsToexplicitlyshowthesupplyvoltages,VCCandVEEareshown.Insomecases,VEEiszero.CH8OperationalAmplifierasACH8OperationalAmplifierasABlackBox133NoninvertingAmplifier(InfiniteA0)Anoninvertingamplifierreturnsafractionofoutputsignalthruaresistordividertothenegativeinput.WithahighAo,Vout/Vindependsonlyonratioofresistors,whichisveryprecise.CH8OperationalAmplifierasA3.7.3非理想集成运算放大器的误差分析

（自学）3.7.3非理想集成运算放大器的误差分析（自学3.8电流模电路基础

以节点电压作为处理变量的电路称为电压模电路（Voltage-ModeCircuits），以各节点电流作为处理变量的电路称为电流模电路（Current-ModeCircuits）。随着被处理信号频率的不断提高，电压模电路的高频性能受到了限制，而在电流模电路中除了BJT的结电压有微小变化外，没有其他任何电压变量，也不需要进行电流—电压转换，而是在低阻抗结点直接对电流量进行处理，因此电流模电路速度可高达2000V/μs以上，频带宽可接近BJT的截止频率。

3.8电流模电路基础以节点电压作为处理变量3.8.1电流模电路的一般概念

各种模拟功能的线性和非线性电流模集成电路与系统也都是由基本电流模单元组成的。在各种电流模集成电路中，基本电流模电路大致为以下几种。1.跨导线性电路

2.电流镜和电流传输器3.开关电流电路

4.支撑电路

3.8.1电流模电路的一般概念各种模拟功能的线3.8.2跨导线性（TL）的基本概念

跨导线性电路是电流模电路的重要组成部分。跨导线性原理是许多线性和非线性模拟集成电路的理论基础。三极管的跨导（Transconductance）是与其集电极静态工作电流IC呈线性（Linearly）比例关系。故此出现了跨导线性（TransLinear，简写TL）这个概念。

3.8.2跨导线性（TL）的基本概念跨导线性电路是电流3.8.3跨导线性（TL）回路原理

闭环电流模电路中每个三极管的发射结都被偏置到正向工作状态（图中未画出偏置电路），则闭环TL回路中所有发射结正向电压之和恒为零，即

υBE2＋υBE4－υBE3－υBE1＝0相应即可得到由n个正向结组成的TL回路方程

3.8.3跨导线性（TL）回路原理闭环电流模电路中每个3.8.3跨导线性（TL）回路原理回路满足两个条件：（1）

在TL回路中必须有偶数个（至少两个）正偏发射结；(2)顺时针方向（CW）排列的正偏结的数目与反时针方向（CCW）排列的正偏结的数目必须相等。

3.8.3跨导线性（TL）回路原理回路满足两个条件：3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路

1.典型甲乙类推挽电流模单元

3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路1.典型甲乙3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路1.典型甲乙类推挽电流模单元

即为“甲类”状态

“乙类”状态

3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路1.典型甲乙类3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路

2一象限乘除器T2和T4的发射结顺时针方向，T1和T3的发射结反时针方向，根据TL回路原理分析可知，组成电路为乘除器。

3.8.4由TL回路构成的基本电流模电路2一象限乘3.8.5电流模电路的特点

1.阻抗电平的区别

低阻抗节点上的电量关系主要表现为电流叠加2.动态范围大

3.速度快、频带宽

4.传输特性非线性误差小，非线性失真小

5.动态电流镜的电流存储和转移功能6.电流模电路技术特长的限制

3.8.5电流模电路的特点1.阻抗电平的区别第3章集成电路与运算放大器

集成电路:采用一定的制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等许多元器件组成的具有特定功能的电路在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成运算放大器的特点（1）同一芯片上的元件是同一工艺制造出来的，故具有同相偏差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。（2）尽量采用三极管代替电阻、电容和二极管等元件。大电阻，大电容常采用外接。第3章集成电路与运算放大器集成电路:采用一定的制造工艺将按集成度划分：

小规模集成电路（0~100个元件）中规模集成电路（100~1000个元件）大规模集成电路（1000个元件以上）超大规模集成电路（十万个元件以上）

模拟集成电路据应用划分：

运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源等

集成电路的分类：据功能来划分:模拟集成电路数字集成电路按集成度划分：模拟集成电路据应用划分：集成电路的分类：据功能3.1集成电路与运算放大器基础

3.1.1集成工艺与集成元器件

3.1.2

集成