模拟电子电路及技术基础第六章

6.1基本要求及重点、难点

6.2习题类型分析及例题精解

6.3习题解答第六章集成运算放大器电路原理

1.基本要求

(1)了解集成运算放大器的组成和电路特点。

(2)了解电流源在集成运放中的作用；掌握单管、镜像、比例、微电流和负反馈型电流源以及有源负载放大器的组成、特点以及电路的分析、计算。

(3)掌握差动放大器的结构特点、基本工作原理、主要性能指标、传输特性以及差动电路的分析、计算；了解差动电路的推广应用。

6.1基本要求及重点、难点

(4)了解集成运算放大器的输出级电路(即互补对称型射极输出器)分析以及交越失真的概念和克服方法。

(5)理解以F007为例的集成运算放大器内部电路组成和分析方法。

(6)了解MOS集成运算放大器的电路组成和分析方法。

(7)理解集成运算放大器的主要性能指标。

2.重点、难点

重点：电流源电路的分析、计算，差动放大器的特点、工作原理、性能指标、传输特性，以及电路的分析、计算。

难点：差动放大器的分析、计算和集成运放内部电路的分析。

1.晶体管电流源电路计算

偏置在放大状态下的晶体管在其集电极(漏极)端等效为一电流源。因此，电流源电路的计算本质上就是恒流管直流工作点ICQ或IDQ的计算。对于镜像、比例和小电流电流源，首先应确定其参考电流，然后或按镜像或按比例或按对数关系确定电流源管的电流。

另外，要保证导通下的电流源管在任何情况下既不饱和也不击穿，则电流源集电极输出端的电位应满足：|UCB|≥0且|UCE|<U(BR)CEO。6.2习题类型分析及例题精解

【例6-1】晶体管压控电流源电路如图6-1所示。已知各晶体管的UBE相同，β足够大，uc为控制电压。

(1)试推导电流源输出电流IC4与uc的关系式，并说明uc允许的取值范围；

(2)若UBE=0.7V，取UCC=12V，R=23kΩ，RA=4kΩ，求uc=6V时的IC4，并确定IC4受控变化的范围；

(3)若V4管的击穿电压U(BR)CEO=40V，试确定电流源输出端电位UC4允许的取值范围。图6-1例6-1电路图解(1)

为保证V2、V3管放大导通，uc的最大值ucmax≤UCC－UBE2－UBE3=UCC－2UBE2。而当IC4趋于零时，为保证V4管不截止(即V3管不饱和)，则uc的最小值ucmin≥IC2RA。故uc的取值范围为

(2)

而IC4的最小值趋于零。因此，IC4的受控变化范围为0~

2.15mA。

(3)由于V4管的基极电位UB4=uc+UBE，而射极电位UE4=

uc，因此使其不饱和也不击穿的UC4允许取值范围为

uc+UBE≤UC4<40+uc

2.差动放大器性能分析

(1)差放管直流工作点计算。计算必须从差放管的耦合元件支路入手。若是电阻耦合，可直接算出电阻上的电流；若是电流源耦合，应算出电流源的输出电流，则差放管的工作电流为该电流的一半。

(2)差动放大器差模指标计算。由于差动放大器建立在结构对称的基础上，因而差模指标的计算可转化为耦合支路接地的单边放大器的计算。具体地说：双端输出的电压放大倍数为单边放大器的电压放大倍数，输出电阻为单边的两倍；单端输出的电压放大倍数为单边接负载的放大器电压放大倍数的一半，输出电阻为单边的输出电阻；双端输出和单端输出的输入电阻均为单边输入电阻的两倍。

(3)差动双向限幅器。根据射极耦合差动放大器电压传输特性的非线性，当输入电压超过100mV时，输出电压将被限幅。因此，差动放大器在输入幅度超过1V的正弦波、三角波等信号时，其输出变为近似方波。

【例6-2】差动放大器电路如图6-2所示。已知晶体管的UBE=0.7V，β=100,rbe1=rbe2=3kΩ，试解答下列各问题。

(1)若要求差放管的静态工作电流为1mA，求R3。

(2)静态时(ui1=ui2=0)，若将电位器Rw的动臂左、右移动，其输出端uo1和uo2的直流电位将如何变化？并说明Rw的作用。

(3)若输入信号分别为ui1=20sinωt(mV)，ui2=50mV，且两输出端接有RL=8kΩ负载，求此时双端输出电压uo(uo1－uo2)及单端输出电压uo2;

(4)在上题中，若将负载接于uo1端输出，则V1管静态工作点有何变化？此时输出电压uo1是多少？

(5)当输入信号时，若将电位器Rw的动臂左、右移动，试问输出电压和输入电阻是否随其改变？

(6)确定电路允许输入共模电压的范围。图6-2例6-2电路图

解(1)要求差放管静态电流为1mA，则比例电流源的V3管输出电流应为IC3=2mA。由于比例电流源的参考电流为

故

(2)当Rw的动臂左移时，接于V1管射极的电阻减小，而V2管射极电阻增大，从而使ICQ1增大，ICQ2减小，进而引起uo1端的电位降低，uo2端的电位升高。反之，当动臂右移时，则uo1端的电位升高而uo2端的电位降低。

由于差动放大器不可能做到完全对称，因而静态时双端输出电压不为零，即产生失调。根据上述原理，可通过人为调整Rw，使得零输入时输出为零。这一过程通常称为调零，而Rw即为调零电位器。

(3)因为双端输出的差模电压放大倍数为

所以

uo=uo1－uo2=Aud(ui1－ui2)=-20×(0.02sinωt-0.05)

=1-0.4sinωt(V)

由于uo2端输出的差模电压放大倍数为双端输出的负一半，故

(4)将负载RL接于uo1端输出时，V1管集电极部分电路如图6-3(a)所示，图中IC1Q保持不变。为了确定UCE1Q，首先利用戴维南定理从集电极端看进去可等效为一开路电压UCC′和一内阻RL′，如图6-3(b)所示。其中

RL′

=RC∥RL=8∥8=4kΩ

由此可得

UCE1Q=UCC′－IC1QRL′－UE1=7.5－1×4－(－0.7)=4.2V

在不接RL时

UCE1Q=UCC－IC1QRC－UE1=15－1×8－(－0.7)=7.7V相比之下，接负载后V1管静态工作点电压UCE1Q减小了。

uo1端输出的差模电压放大倍数为双端输出的一半，但要注意，此时双端输出的负载不是RL/2而是RL，即

因此

uo1=Aud1(ui1－ui2)=－15×(0.02sinωt－0.05)

=0.75－0.3sinωt(V)图6-3

(5)电位器Rw的动臂左、右移动时，差模电压放大倍数保持不变，因而输出电压也不变。这是因为动臂在移动时，加在Rw两端的输入差模电压固定不变，两管发射结分到的输入差模电压也将保持不变，从而保持了两管的输出电流与动臂在中点时的输出电流相同。同理，输入电阻也保持不变，仍为

Ri=2rbe+(1+β)Rw=2×3+(1+100)×0.2=26kΩ

(6)由于射极耦合电流源的共模负反馈作用，当输入共模电压时，其共模输出电流近似为零，即两差放管的射极电位将跟随输入共模电压变化。因此，为使差放管不饱和，输入共模电压uic的最大值uicmax应满足

uicmax≤UC1(2)Q=UCC－IC1(2)QRC=15－1×8=7V

同时为保证恒流管V3不饱和，则uic的最小值uicmin应满足

uicmin≥UB3=－UEE+IrR1=－15+1×11.3=-3.7V

故而允许输入共模电压的范围为

7V≥uic≥－3.7V

当输入同时加有差模电压uid时，若其最大和最小值分别为uidmax和uidmin，则

7V－uidmax≥uic≥－3.7V－uidmin

【例6-3】差动电路如图6-4(a)所示。已知输入电压ui=1.2cosωt(V)。

(1)试画出输出电压uo对应输入的波形，并标明波形的幅度；

(2)若输入不变，RC改为5kΩ,试分析uo的波形有何变化。

图6-4例6-3电路图及波形图

解(1)由于输入电压ui为远大于100mV的余弦波，所以在ui的正半周，V1很快截止，这时uC1=－UCC=-12V，而V2放大导通，IC2=I=3mA，uC2=－UCC+IC2RC=－12V+2×3=

－6V。所以uo=uC1－uC2=－6V。在ui的负半周，情况正好相反，V2很快截止而V1放大导通，此时uo=6V。据此，对应输入画出的uo波形分别如图6-4(b)、(c)所示。

(2)当RC变为5kΩ时，情况有所不同，这时两管的临界饱和电流(约为2.4mA)小于电流源电流。因此，在ui的正半周，V1截止而V2饱和导通。V2进入饱和后，其射极电位升高，基极电流明显增大，而饱和压降UEC2S和IC2相应减小，使得UC2≈0，故此uo≈－12V。反之，在ui的负半周，V2截止而V1饱和导通，uo≈12V。对应的波形如图6-4(d)所示。

6-1集成运放F007的电流源组如图P6-1所示，设UBE=0.7V。

(1)若V3、V4管的β=2,试求IC4；

(2)若要求IC1=26μA,试求R1。

解(1)

6.3习题解答

图P6-1

(2)

图P6-2

6-2由电流源组成的电流放大器如图P6-2所示，试估算电流放大倍数Ai=Io/Ii。

解IE1≈IC1=Ii

IE2≈IC2≈IC3≈IE3

IE4≈IC4≈Io

IE1·2R≈IE2R,IE2=2IE1=2Ii

IE3·3R≈IE4R,IE4=3IE3=6Ii

故Io≈IE4=6Ii

6-3用电阻R2取代晶体管的威尔逊电流源，如图P6-3所示，试证明IC2为

解

而

故有图P6-3

6-4电路见图P6-4，已知UCC=UEE=15V,V1、V2管的β=100,rbb′=200Ω,RE=7.2kΩ,RC=RL=6kΩ。

(1)估算V1、V2管的静态工作点ICQ、UCEQ；

(2)试求及Rid、Rod。

解(1)

UCEQ=UCC+0.7－ICQRC=15+0.7－1×6=9.7V图P6-4

(2)

Rid=2rbe=2×2.8=5.6kΩ

Rod=2RC=2×6=12kΩ

6-5差动放大器如图P6-5所示。已知UCC=UEE=

15V，RB=2kΩ,RC=RE=RL=10kΩ,V1、V2管的β=100,rbe=3.8kΩ。

(1)估算V2的静态工作点IC2Q、UCE2Q；

(2)估算共模抑制比KCMR；

(3)求Rid和Roc。

图P6-5

解(1)

由戴维南定理求得V2管集电极端的等效电源电压U′

和内阻RC′

分别为

因而

UCE2Q=UCC′

－IC2QRC′

+0.7=7.5－0.72×5+0.7=4.6V(2)

(3)Rid=2(RB+rbe)=2×(2+3.8)=11.6kΩ

Roc=RC=10kΩ

6-6电路见图P6-6。已知V1、V2和V3管的β=50,

rbb′=200Ω,UCC=UEE=15V,RC=6kΩ,R1=20kΩ,R2=10kΩ,R3=2.1kΩ。

(1)若ui1=0,ui2=10sinωt(mV),试求uo；

(2)若ui1=10sinωt

(mV),ui2=5mV,试画出uo的波形图；

(3)若ui1=ui2=Uic,试求Uic允许的最大变化范围；

(4)当R1增大时，Aud、Rid将如何变化?图P6-6解(1)

(2)

uo=Aud(ui1－ui2)=－200×(10sinωt－5)=1－2sinωt(V)

其波形如图P6-6′所示。图P6-6′(3)

UC1=UCC－ICQRC=15－1×6=9V

故共模输入电压Uic应满足：－10V<Uic<9V。

(4)R1↑→UR2↓→IE3(IC3)↓→IE1Q(IE2Q)↓→

rbe1(rbe2)↑,使得Aud减小，而Rid增大。

6-7场效应管差动放大器如图P6-7所示。已知V1、V2管的gm=5mS。

(1)若IDQ=0.5mA,试求Rr；

(2)试求差模电压放大倍数Aud=Uo/Ui。图P6-7

解(1)

(2)

6-8在图P6-8所示的共射-共基组合差动放大电路中，设超β管V1、V2的β=2000,V3、V4的β3=β4=100,试求差模电压放大倍数Aud和差模输入电阻Rid。

解电路为共射-共基组合电路的差动放大器。其差模电压放大倍数为

其中

故

图P6-8

6-9电路如图P6-9所示。设β1=β2=β3=100,rbe1

=rbe2=5kΩ,rbe3=1.5kΩ。

(1)静态时，若要求Uo=0,试估算I；

(2)计算电压放大倍数Au=Uo/Ui。

解(1)当Uo=0时，有

图P6-9

(2)

6-10电路见图P6-10。设UCC=UEE=15V,I=2mA,RC=

5kΩ,uid=1.2sinωt(V)。

(1)试画出uo的波形，并标出波形的幅度；

(2)若RC变为10kΩ，uo波形有何变化?为什么?

解(1)由于Uid=1.2V>>0.1V，电路呈现限幅特性，其uo波形如图P6-10′所示。

(2)当RC变为10kΩ时，uo幅度增大，其值接近±15V，此时，一管饱和，另一管截止。图P6-10

图P6-10′

6-11电路见图P6-11。已知β1=β2=100,rbe1=rbe2=

5kΩ,Rs=2kΩ,Rw=0.5kΩ,RC=8kΩ。

(1)静态时，若uo<0，试问电位器Rw的动臂应向哪个方向调整才能使uo=0?

(2)若在V1管输入端加输入信号Ui,试求差模电压放大倍数和差模输入电阻。图P6-11解(1)若uo<0,Rw的动臂应向右移动。

(2)

6-12有源负载差动放大器如图P6-12所示。

(1)试分析在输入信号作用下，输出电流ΔIo与V1、

Ｖ2管输出电流之间的关系；

(2)计算差模电压放大倍数Aud=Uo/Ui。

解(1)因为ΔIC1=ΔIC2，而ΔIC1≈ΔIC3≈ΔIC4,所以

ΔIo=ΔIC4+ΔIC2=ΔIC1+ΔIC2=2ΔIC2

(2)

图P6-12

6-13集成运放5G23电路原理图如图P6-13所示。

(1)简要叙述电路的组成原理；

(2)说明二极管VD1的作用；

(3)判断2、3端哪个是同相输入端，哪个是反相输入端。

解(1)