第三章 集成运算放大器的单元电路

第三章

集成运算放大器的单元电路主讲人：詹华伟1集成运算放大器的单元电路3.1集成运算放大器概述3.2直接耦合多级放大电路3.3差分放大电路3.4互补功率放大电路23.1集成运算放大器概述利用集成电路的制造工艺，将电子元器件和连线制作在同一片半导体芯片上，构成具有特定功能的电路，称为集成电路。集成运算放大器是一个直接耦合高增益的多级放大电路。早期主要用来完成一些数学运算，故此得名。它一般由三级组成：输入级是差分放大电路，中间级是高增益放大电路，输出级是互补推挽电路。另外还有一些辅助环节，例如偏置电流源、电位移动电路等。3集成电路的特点（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。4集成运算放大器的结构图输入级采用高性能的差分放大电路来提高对某些干扰信号的抑制能力中间放大级提供很高的电压增益，以保证运放应用电路的运算精度互补输出级由PNP和NPN两种极性的晶体管或复合管组成，以获得正、负两个极性的输出电压或电流，同时有较强的带负载能力。5集成运算放大器的结构图偏置电流源为各放大级提供稳定的静态工作电流，从而达到稳定各级静态工作点的目的。电位移动电路使各放大级静态工作点的电位合理，并且使输入为零时，输出也为零，即零输入零输出。63.2直接耦合多级放大电路3.2.1多级放大电路的耦合方式3.2.2零点漂移3.2.3直接耦合放大电路的电位移动3.2.4多级放大电路电压放大倍数的计算73.2.1多级放大电路的耦合方式

基本放大电路的放大倍数通常只能达到几十倍至一、二百倍，在要求放大倍数更高时，就要由多个单元电路级联成多级放大电路。多级放大电路的级与级之间、信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的连接均称为耦合。8对耦合电路要求：要求动态:

传送信号减少压降损失

静态：保证各级Q点不受影响波形不失真第一级第二级第n-1级第n级输入输出耦合9电抗性元件耦合变压器耦合方式

常见的耦合方式直接耦合方式阻容耦合方式10直接耦合方式级间电路通过电阻连接或者前一级输出端直接接到后一级输入端的耦合方式。优点：

各级放大器静态工作点相互影响。

输出温度漂移严重。缺点：

可放大缓慢变化的信号。

电路中无电容，便于集成化。集成电路中应用广泛11阻容耦合方式级间电路采用电容进行连接的耦合方式。优点：缺点：

各级放大器静态工作点独立。

输出温度漂移比较小。

不适合放大缓慢变化的信号。

不便于作成集成电路。分立元件电路中应用广泛123.2.2零点漂移

零点漂移：放大电路输入信号为零时，输出有缓慢变化的电压信号产生。简称零漂。产生原因：主要是由于晶体管参数（ICBO、ICEO、UBE、β）会随着温度的变化而波动，温度变化是产生零漂的主要原因，所以有时也称为温度漂移，简称温漂。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。13例如若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设

第一级是关键减小零漂的措施采用温度补偿采用差分式放大电路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV直流负反馈143.2.3直接耦合放大电路的电位移动

直接耦合放大电路VC1=VB2VC2=VB2+VCB2

=VC1+VCB2

＞

VC1

前后级的直接耦合

这种方式的缺点：各级静态工作点互相影响，集电极电位会逐级提高，难以设置正确的静态工作点。因此只适用于级数较少的放大电路。15解决方案一：NPN+PNP组合由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。NPN和PNP管组合16电流源电位移动电路在模拟集成电路中，常采用这种电位移动电路。电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电位移动。但电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时,输出端的直流电位并不高，实现了直流电位的合理移动。电流源电位移动电路

解决方案二：173.2.4多级放大电路电压放大倍数计算一、电压放大倍数二、输入电阻三、输出电阻

对电压放大电路的要求：Ri大，Ro小，Au数值大，最大不失真输出电压大。18

在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。输入电阻法开路电压法是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端。19现以NPN和PNP管组合的两级放大电路为例加以说明，三极管的参数为

1=2==100，VBE1=VBE2=0.7V。计算总电压放大倍数。分别用输入电阻法和开路电压法计算。两级放大电路20一、用输入电阻法求电压增益（1）求静态工作点212223（2）求电压放大倍数先计算三极管的输入电阻：24电压增益：25

如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻

Ri1=rbe1//Rb1//Rb2

=3.1//51//20

=3.1//14.4=2.55k26二、用开路电压法求电压增益

第一级的输出电阻：

第一级的开路电压增益：

第二级的电压增益：

总电压增益：27集成运算放大器的单元电路3.1集成运算放大器概述3.2直接耦合多级放大电路3.3差分放大电路3.4互补功率放大电路3.5运算放大器的参数和型号283.3差分放大电路

前面提到了在多级放大电路中采用直接耦合存在着两个特殊问题，一是静态工作点的相互影响，二是零点漂移。为了解决这两个问题，可采用差分放大电路。也叫做差动放大电路，简称差放。293.3.1差分放大电路的组成即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=

rbe

Rc1=Rc2=

RcRs1=Rs2=

Rs差分放大电路

对称性电路结构，其含义是两个三极管VT1、VT2的特性一致，电路参数对应相等。303.3.2差分放大电路的输入和输出方式信号从三极管的两个基极加入称为双端输入；信号从三极管的一个基极对地加入称为单端输入。反相输入端同相输入端在输入端ui1输入极性为正的信号，输出信号极性与其相反，称该输入端为反相输入端。在输入端ui2输入极性为正的信号，而输出信号极性与其相同，称该输入端为同相输入端。31

差分放大电路的四种输入输出方式:

1.双端输入、双端输出（双----双）

2.双端输入、单端输出（双----单）

3.单端输入、双端输出（单----双）

4.单端输入、单端输出（单----单）

差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1另一个是集电极C2。从C1

和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2

对地输出称为单端输出。3.3.2差分放大电路的输入和输出方式323.3.3差模信号和共模信号差模信号

共模信号Ot直流信号交直流信号Oui2tui1是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。333.3.3差模信号和共模信号

差模、共模混合信号是指两个极性相同（或不同）、幅度不等的信号加在差分放大电路的输入端，则相当于一组差模信号迭加在共模信号上，共同加在差分放大电路的输入端。差模、共模混合信号ui1、ui2如图所示。

差模、共模信号混合的情况34在差分放大电路中有两个输入信号ui1、ui2

。uid为差分放大电路的差模输入信号，显然uid是两个输入信号之差,即uic为差分放大电路的共模输入信号。它是两个输入信号的算术平均值，即3.3.3差模信号和共模信号35用共模信号和差模信号表示两个输入信号时，在差模信号和共模信号同时存在的情况下输出电压：

差分放大电路的差模电压增益差分放大电路的共模电压增益3.3.3差模信号和共模信号其中，uod与uoc分别是差模输出信号和共模输出信号36例如：ui1=10sinωt(mV),ui2=4sinωt(mV)，则

一般情况：对于任意输入的信号:ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量的组合形式。例:ui1=20mV,ui2=10mV则：uid=10mV,uic=15mV差模分量:共模分量:3.3.3差模信号和共模信号37

任意输入信号时差动放大器(a)原电路；(b)分解为差模和共模信号电路38差分放大电路对差模信号的放大示意图如图。两集电极电位一个升高（uC2增加），一个下降（uC1减小），就象跷跷板一样。差分放大电路对差模信号放大能力强。差模输入时集电极的输出情况3.3.3差模信号和共模信号39差分放大电路对共模信号的放大示意图如图。如果输入是共模信号且幅度相等，两集电极电位（uC1和uC2）同时以相同幅度、向相同方向变化。在电路对称的条件下，两集电极之间输出uo=0。所以，差分放大电路对共模信号放大能力弱（理想情况下无放大作用）。双端输出对共模信号有较强的抑制能力，而单端输出对共模信号抑制能力较弱。共模输入时集电极的输出情况3.3.3差模信号和共模信号40抑制零点漂移的原理在差分放大电路中，无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化,相当于在两输入端加入共模信号。由于电路的完全对称性,使得共模输出电压为零，共模电压放大倍数Ac=0，从而抑制了零点漂移。这时电路只放大差模信号。

实际上，差分放大电路对零漂的抑制，一是靠对称，而是靠Re。双端输出这两条都可以利用，而单端输出只利用Re这一条。413.3.4差分放大电路的静态分析双端输入双端输出差分放大电路o+-u

双端输入双端输出差分放大电路如图所示。

42双端输入双端输出差分放大电路对IE1来说,等效2Re433.3.5差分放大电路的差模动态分析3.3.5.1差模电压放大倍数ic1ic2ie1ie2

双端输入双端输出差分放大电路-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRou+-+idui1ui2uRRLR+

1.双端输入双端输出

Re=0

RL的中点相当于公共端（等效地）,对VT1、VT2各取

44微变等效电路如图所示:

差模电压放大倍数

45微变等效电路如图所示:

差模输入电阻差模输出电阻差模输入电阻：差模输出电阻：

此电路适用于输入、输出不需要接地，对称输入，对称输出的场合。-+idui2usRsrbeRc2RLrbeRc2RLbiodu+-+-+-uod2uod2+--+bibibibbibi1uR46

差模输入：放大器的两个输入端分别输入大小相等极性相反的信号(即ui1=-ui2)，这种输入方式称为差模输入。差模输出电压

差模输入信号47差模电压放大倍数

即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管共射极电路的电压放大倍数。

式中

482.

双端输入单端输出Lod1u-idui2uRsRsrbeRcrbeRcRbi+-+-+-+bibibibbibi1u-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRod1u+-+idui1ui2uRRLR+（a）从C1输出其中输入与输出反相49-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRod2u+-+idui1ui2uRRLR+（b）从C2输出Lod2u+idui2uRsRsrbeRcrbeRcRbi+-+-+--bibibibbibi1u输入与输出同相50微变等效电路如图所示:

差模输入电阻差模输出电阻差模输入电阻：差模输出电阻：此电路适用于双端输入转换成单端输出的场合。od-idui2usRsrbeRcrbeRcRLbi+-+-+-u+bibibibbibi1uR513.

单端输入双端输出+-+-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouiuLR+(a)单端输入双端输出差分电路+-+-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouLR+-+iu2iu2iu2+-(b)对输入信号进行等效变换523.

单端输入双端输出由于输入信号中有差模和共模信号两部分，则输出信号也由两部分组成。就差模信号而言，单端输入时电路的工作状态与双端输入时的工作状态一致，故单端输入双端输出的差模电压放大倍数与双端输入双端输出的差模电压放大倍数相同。此电路适用于单端输入转换成双端输出的场合。534.

单端输入单端输出由前面的分析可知，单端输入时差分电路的工作状态与双端输入时的工作状态一致，所以其单端输入单端输出的差模电压放大倍数与双端输入单端输出的差模电压放大倍数相同。-+-+CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouiuLR+此电路适用于输入输出均有一端接地的场合54从几种电路的接法来看，输入方式对电路差模输入电阻没有影响,只有输出方式对差模放大倍数和输出电阻有影响，不论哪一种输入方式，只要是双端输出，其差模放大倍数就等于单管放大倍数，单端输出差模电压放大倍数为双端输出的一半。3.3.5.2差模输入电阻和输出电阻55共模输入分析：△uI1=△

uI2=△uIc，称之为共模输入信号。3.3.6差分放大电路的共模动态分析56

以上计算结果表明：（1）单端输出时，差放电路对共模信号的抑制是通过Re的强烈负反馈实现的；（2）双端输出时，差放电路对共模信号的抑制主要是通过电路参数的对称性实现的；在电路参数不完全对称时，通过Re的强烈负反馈作用，进一步抑制共模信号。Re称为共模抑制电阻。共模电压放大倍数共模电压放大倍数573.3.6.2共模抑制比，或反映抑制零漂能力的指标定义：双端输出，理想情况下

KCMR→∞。单端输出共模抑制比：增大KCMR，可以通过增大Re来实现58长尾式差分放大电路分析Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的影响。长尾式差分放大电路-+-CCVEEV-c2Rc1R1VT2VTeRous1Rs2R+i1ui2u+-+59

Re稳定静态工作点的过程加Re后，当温度上升时，由于IC1和IC2同时增大，稳定过程实质上是一个负反馈过程。T(°C)↑→IC1↓IC1↑IC2↑IC2↓→IE↑→URe↑→UE↑→UBE1↓→IB1↓

UBE2↓→IB2↓Re越大工作点越稳定，但Re过大会导致UE过高使静态电流减小，加入负电源-VEE可补偿Re上的压降。60射极电阻Re的作用：（1）直流负反馈，稳定静态工作点（2）Re对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于Re的负反馈作用，使Ie基本不变）（3）Re对差模信号相当于短路61

通过对带Re的差动式放大电路的分析可知，Re越大，KCMR越大，但增大Re，相应的负电源VEE也要增大。显然，使用过高的VEE是不经济的。此外,Re直流能耗也相应增大。而且，集成电路里制造大电阻也很困难。所以，靠增大Re来提高共模抑制比是不现实的为解决这个问题，可以用恒流源电路来代替Re，电路如图所示。T3管采用稳压管VZ提供稳定的基极偏置电压，无论T1、T2管有无信号输入，Ib3恒定，IC3恒定，所以T3称为恒流管。3.3.7恒流源差分放大电路62

图中IC3=IE3，由于IC3恒定，IE3恒定，则ΔIE→0，这时动态电阻rd为

恒流源对动态信号呈现出高达几兆欧的电阻，而直流压降不大，可以不增大-UEE。rd相当于Re，所以对差模电压放大倍数Aud无影响。对共模电压放大倍数Auc相当于接了一个无穷大的Re，所以Auc→0，这时KCMR→∞。实现了在不增加-UEE的同时，提高了共模抑制比的目的。恒流源电路可用恒流源符号表示63

具有恒流源的差动式放大电路-+-CCVEEV-c2Rc1R1VT2VTous1Rs2R+i1ui2u+-+IS64恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。恒流源的作用65重要结论要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比，两个关键因素是：

电路对称性； 共射极电阻。66集成运算放大器的单元电路3.1集成运算放大器概述3.2直接耦合多级放大电路3.3差分放大电路3.4互补功率放大电路3.5运算放大器的参数和型号673.4互补功率放大电路功率放大电路与电压放大器的区别是，电压放大器是多级放大器的前级，它主要对小信号进行电压放大，主要技术指标为电压放大倍数、输入阻抗及输出阻抗等。而功率放大电路则是多级放大器的最后一级，它要带动一定负载，如扬声器、电动机、仪表、继电器等，所以，功率放大电路要求获得一定的不失真输出功率。68例：

扩音系统执行机构功率放大电压放大信号提取69功率放大电路的特点

（1）输出功率足够大。常常工作在大信号状态，接近极限工作状态。

（2）效率高。功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。70

（3）非线性失真小。功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区造成输出波形的非线性失真。因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。

（4）保护及散热。功放管承受高电压、大电流，因而功放管的保护及散热问题也应重视。71分析功放电路应注意的问题(1)功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM

、UCEM

、

PCM

。ICMPCMUCEMIcuce72(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(3)电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。Pomax

:负载上得到的交流信号最大功率。PV：

电源提供的直流功率。733.4.1三极管的工作状态乙类（B类）甲类（A类）甲乙类（AB类）丙类（C类）丁类（D类）导通角为360°；效率低≤50%。OωtiC2PIPI3PIIC甲类共射极放大电路74导通角为180°；效率≤78.5%。零偏置共射极放大电路乙类tiC2PIPI3PIωO75甲乙类OωtiCIC导通角≥180°；效率接近乙类导通角≤

180°；效率可达90%OωtiC丙类2PIPI3PI76

3.4.2乙类互补输出电路OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称功放的类型：

互补对称功放的类型

无输出变压器形式（OTL电路）无输出电容形式（OCL电路）771电路组成管耗小效率高失真严重

3.4.2乙类互补输出电路78基极输入

射极输出

负载

PNPNPN乙类互补功率放大电路（OCL）79

(a)(b)(c)乙类互补功率放大电路两个射极输出器组合而成

射极输出器输出电阻小、带负载能力强

802工作原理乙类互补功率放大电路iE181uiuououo

´交越失真死区电压交越失真：输入信号ui在过零前后，因三极管存在开启电压而在输出端形成的非线性失真便为交越失真。输入输出波形图3交越失真及其消除IB=0

82(1)静态电流

IC