模电1第9章集成放大电路

第九章集成运算放大器9.2电流源电路9.4功率放大电路9.5集成运算放大器9.3差分放大电路9.1集成放大电路概述集成电路—集成制造在一块微小的半导体基片上、完成特定功能的电子电路称为单片集成（IntegratedCircuit，IC），半导体基片称为晶圆或衬底或芯片。9.1集成放大电路概述混合集成电路—将单片集成电路和无源元件制作在衬底或印制电路板上的小型化电子电路。单片集成电路分类：按制造工艺分：双极型、单极型和双极单极兼容型集成电路。按功能分：数字和模拟集成电路。

模拟集成电路又分为：集成运算放大器，集成功率放大器，集成比较器，集成乘法器集成稳压器。本章仅介绍单片集成的运算放大器和集成功率放大器。1．具有良好的对称性。由于采用相同的标准工艺，所以容易在同一块硅片上制作性能一致的同类有源元件和同类无源元件。并且工作温度基本相同，元件的温度特性也一致。9.1.1单片集成电路中的元件及特点主要有以下特点：（与分立元件比较）2．电阻和电容的数值有一定限制。3．用有源元件代替大电阻。由于双极型晶体管（BJT）和场效应管（FET）占用芯片面积小、性能好，常用这些有源元件构成电流源电路，取代大电阻。为了提高单位面积的元件数，电阻的阻值限制在数十欧姆到几个千欧之间，电容的容量一般小于100pF。电阻是用半导体材料的体电阻，电阻和电容的数值越大，占用的芯片面积也越大。电容则是PN结的结电容或MOS管的栅极电容。2.对于多级直耦放大电路，最末级的温度漂移最严重。因为前级的温度漂移直接耦合到下一级并将其放大，使后级漂移很大。图9.1.1集成放大电路组成框图9.1.2集成放大电路的组成框图集成放大电路通常是直接耦合的放大多级电路，如图9.1.1所示。直耦电路的优点：1.可以放大输入信号的直流分量和低频信号；2.电路不包含大电容和大电感，适合集成电路工艺制造。直耦电路的缺点：1.静态工作点受信号源内阻和负载的影响，并且随温度变化移动，称为温度漂移。因此，必须使每级放大电路的静态工作点稳定，特别是输入级。9.1.2集成放大电路的组成框图例如，电平移动电路，调节各级电压的配合，达到输入量为零时输出量也近似为零，使信号源和负载中没有由直流电源引起的直流分量；图9.1.1集成放大电路组成框图1.输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路。此外，还要求输入级的输入电阻大。2.中间级主要作电压放大，通常是共射放大电路或共源放大电路。3.输出级要求带负载能力强（输出电阻小）。

为了提高电压增益，常采用复合管放大，以及电流源作集电极（或漏极）负载（称为有源负载）。典型电路是射极输出器或互补对称电路。此外，集成电路还包含一些辅助电路。短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。9.2电流源电路作用：为放大电路提供稳定的偏流、有源负载。9.2.1BJT电流源1.微电流源2.镜像电流源3.多路电流源1.MOS管镜像电流源2.MOS管多路电流源9.2.2EFT电流源电流源：提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。可以用BJT或EFT组成恒流源电路。

IREF称为基准电流。1.镜像电流源（1）电路的构成

设T1和T2特性一致（β1=β2=β，ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2）。

(a)电路(b)电路符号Io（2）工作原理

由电路得VBE1=VBE2

，所以IB1=IB2，IC1=IC2

，即T1和T2的集电极电流相等，互为镜像。温度补偿作用：(a)电路(b)电路符号Io

即温度升高引起电流源电流的增加量被电路的自动补偿引起的减少量抵消，输出电流基本不随温度变化。计算输出电阻ro

等效电路如图(c)所示。图中左半部分电路无独立信号源，故ic2it+_Rerce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1vtrce1ro(c)交流等效电阻计算电路b1c2c1b22.微电流源（1）电路的构成（2）工作原理

利用T1和T2的基射电压差在射极电阻上产生微电流输出，即晶体管的发射结电流方程和电压方程分别为

式中，IS是发射结反向饱和电流，基射电压vBE>>VT=26mV。设T1和T2特性一致，则在式中，可先确定IREF和IO，然后计算Re。

在微电流源电路中，Re引入负反馈，温度补偿作用比镜像电流源更好。Re+_Rrce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1itvtrce1roRero1ve交流等效电阻计算电路计算输出电阻（略：）

ro1是除T2外基极回路的等效电阻。

，所以

由于上式中，第2项远远大于1，故微电流源的交流等效电阻很大。Re设T1、T2和T3特性一致，则

威尔逊电流源的输出电阻可按计算镜像电流源输出电阻的方法计算，表达式如下 3.威尔逊（Wilson）电流源图9.2.3威尔逊电流源4.多路电流源:图9.2.4多路电流源VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RIREFIC2IC3IC4上式说明电流源按射极电阻比例输出基本恒定的电流，所以也称为多路比列电流源。

如果全部射极电阻为零，则是多路镜像电流源。也可以将微电流源和镜像电流源组合成多路电流源。设各管的β，vBE相同图9.2.4多路电流源VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RIREFIC2IC3IC4上式中

同样，可以用PNP管组成电流源，电路形式和原理与NPN管相似，不再赘述。

每路电流源的输出电阻为（略）

在总电源电压大于2个场效应管的开启电压（VDD+VSS>2VT）的情况下，则T1、T2和T3工作在恒流区。9.2.2FET电流源1．MOS管镜像电流源

将FET偏置在恒流状态.由MOS管的转移特性方程，得所以，再由电路得输出电阻等于的T2输出电阻，即由电路，得

图9.2.5MOS管镜像电流源ID1ID3设T1、T2和T3的特性一致

与BJT管一样，也可以用NMOS管组成威尔逊电流源。其电路形式与BJT管威尔逊电流源相似。图9.2.6MOS管多路电流源2.MOS管多路电流源

同样，可以用PMOS管组成电流源，电路形式和原理与NMOS管相似。设T0和T1的特性一致，则9.3差分式放大电路特点:静态工作点稳定，放大差模信号和抑制共模信号。通常用作直接耦合多级放大电路的输入级。图9.3.1共射差分放大电路9.31共射差分放大电路的组成和工作原理1．电路组成

电路从T1和T2的基极输入两个电压信号：vi1，vi2；从T1和T2的集电极输出电压信号：vO=vC1-vC2。这种连接方式称为双端输入双端输出。图中IO是电流源.要求电路参数对称

双端输出电压为零，即vO=VC1-VC2=0，接入负载对静态工作点没有影响。图9.3.1共射差分放大电路2．工作原理（1）静态工作点的稳定性即vi1=vi2=0时，由电路得/===21βIIIICBBB21===11IIIIOCCC====21VVVVVonBEEEE--===21IRVVVVCcCCCCC-静态工作点的计算

差分放大电路实现了零输入时零输出，输入输出不含电源引起的直流分量

即温度引起的集电极电流增加量被电路自动的负反馈引起的减少量抵消，静态工作点基本不变。IB1和IB22roΔICIC1和IC2↑输入特性T↑VEVBEIC1和IC2

当温度升高时，引起集电极电流增加ΔIC。考虑到电流源的动态电阻ro，下述自动的负反馈过程为真图9.3.1共射差分放大电路图9.3.2共射差分放大电路的共模输入vi1=vicvi2=vic(a)共模输入（b）交流通路vi1=vicvi2=vicro

输入共模信号vi1=vi2=vic时，则有下述过程（图(b)是交流通路，ro是电流源的动态电阻）。输出共模信号voc为零，抑制了共模信号输出。 （2）共模信号的抑制021=-=ccocvvv21=ccvv21=ccii21=bbiiicv

共模信号增加和温度升高对电路的影响相同，故共模信号属于无用信号。

输入差模信号，即vi1=-vi2=vid/2。在电路参数对称以及T1和T2特性一致的情况下，则有下述过程 此外，差模信号引起差分管2射极电流交流分量变化趋势相反，即ie1≈-ie2，射极电位的交流分量近似为零。即 因此，在差模输入信号的交流通路中，射极对地等效为虚断和虚短，对差模输入信号没有反馈。(a)差模输入ve≈0（b）交流通路（3）差模信号的放大10cv1212cccodvvvv=-=222000ccbvii>®<®<<10ci®>10bi®>0idv®>vvc2c1-=在(b)中，因ve≈0，差放电路可分解为2个相对独立的共射放大电路，称为差放电路的半电路。如图(c)，交流等效电路如(d)图。3．动态分析（1）输入差模信号①差模输入电阻（c)半边交流电路+T1RC1­vvo1i1Ic1ve≈0图9.3.3（b）交流通路（d)双管交流等效电路βibberRCicib-+vi2ibβberRC-+vi1icib-+o2v+o1v-②差模输出电阻是半电路输入电阻的2倍。同样是半电路输出电阻的2倍。

负载开路的差模电压增益为（d)双管交流等效电路βibberRCicib-+vi2ibβberRC-+vi1icib-+o2v+o1v-③差模电压增益带负载的差模电压增益为（c)半边交流电路+T1RC1­vvo1i1Ic1ve≈0

（b）交流通路

带载的共模电压增益为（2）输入共模信号vi1=vicvi2=vicro交流通路负载开路的共模电压增益为:对于任意的2个输入信号vi1和vi2，定义差模输入信号和共模输入信号依次如下：

则任意的2个输入信号均可表示为差模信号和共模信号的代数和由叠加原理，总的输出电压为 定义共模抑制比为（3）同时输入差模信号和共模信号即共模信号等效为对差模信号的干扰信号（误差信号），所以希望共模抑制比越大越好。

理想的双端输出差放电路，共模电压增益为零，共模抑制比为无穷大，即共模信号对差模信号没有干扰。例9.1差分放大电路如图所示。设T1和T2特性一致，β1=β2=β3=β=50；rce3=50kΩ，rz=100Ω，RL=50kΩ。（1）确定电路的静态工作点；（2）求电路的动态特性。 电流源的电流为图9.3.4例9.1图RLRbRb解（1）静态分析图9.3.4例9.1图RLRbRbT1、T2和T3的输入电阻为

由式（9.2.5），电流源的输出电阻为：

（因为此时RL中没有电流）

在交流回路中，Rb与T1和T2的输入电阻rbe串联，所以用Rb+rbe替代rbe，即差模输入电阻为差模电压增益为 差模输出电阻为 差分对管的静态电流越小，差模输入电阻越大。（2）动态分析图9.3.4例9.1图RLRbRb由于电路参数对称和双端输出，所以共模电压增益为0。计算表明：差模电压增益远远大于共模电压增益；共模输入电阻远远大于差模输入电阻；共模和差模信号的输出电阻相同；图9.3.5单端输入双端输出方式RL9.3.2共射差分放大电路的输入输出方式和动态性能双端输入:在两个输入端同时输入电压信号（vi1≠0和vi2≠0）.单端输入:只在任何一个输入端输入电压信号（（vi1≠0和vi2=0）或者（vi1=0和vi2≠0））双端输出:负载跨接于两个输出端之间（浮地负载）.单端输出:负载连接在任何一个输出端与参考电位之间（接地负载）则称为单端输出。输入输出方式分为：双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出，单端输入单端输出。4种vi1≠0和vi2=0，负载RL跨接于两个集电极之间。图9.3.5单端输入双端输出方式RL1.单端输入双端输出方式的动态性能输入信号可分解为差模信号（vid

=vi1）和共模信号（vic

=vi1/2）。

静态工作点的计算亦相同，不再赘述动态性能相同单端输入双端输出双端输入双端输出

图9.3.6双端输入单端输出方式RLvi1≠0和vi2≠0，负载电阻RL接在集电极C1和地之间。

（但是，T1的集电极静态电位却不同，修正为下式

2.双端输入单端输出方式的动态性能1）静态时，由于T1和T2的输入回路参数对称，仍有

2）当输入差模信号时，由于T1和T2的参数对称，差分对管射极电流的变化量大小相等，符号相反，射极仍然是虚短和虚断。输出电阻为差模电压增益为单端输出的电压增益近似是双端输出的一半。

若RL接在C2与地之间（输入信号和输出信号不在同一个管子的电极上），则单端输出的差模电压增益表达式中没有“－”。ve≈09.3.7（a）差模输入信号交流通路RL因此，差模输入电阻与双端输入双端输出方式相同，为共模抑制比为ve≈09.3.7（a）差模输入信号交流通路RL由图9.3.6电路，得共模电压增益为共模输入电阻:与双端输入双端输出方式相同.（略）输出电阻仍是:3.单端输入单端输出方式的动态性能输入信号分解为差模信号（vid

=vi1）和共模信号（vic

=vi1/2）。图9.3.5双端输入单端输出方式RL如图vi1≠0和vi2=0，则是单端输入单端输出电路。

综上所述（1）输入方式仅影响差模输入信号和共模输入信号的大小（见式（9.3.10），不影响差分放大电路的性能参数；

（2）4种方式的输入电阻相同；

（3）电压增益和输出电阻则与输出方式有关；单端输出时，差模增益和输出电阻是双端输出的一半。

因此，动态性能与双端输入单端输出的动态性能相同，

静态工作点的计算亦相同，不再赘述。例9.2有源负载共射差放电路如图(a)所示。试求电路的差模电压增益、差模输入电阻和输出电阻的表达式。（略）

解：T1和T2作差放，T3和T4是T1和T2的有源负载，且T3和T4的集电极电流互为镜像。

当差模输入时，差分对管的发射极交流电位近似为零。

小信号等效电路如图(b)。

IO(a)rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4βib2βib1βib3βib4ib1ib2ib3ib4vid/2+--vid/2+-ve≈0evo2(b)

由于rbe远远小于rce，故2者并联可忽略rce。由图(b)得

上式说明，差模电压增益等于半电路的电压增益。虽然电路是单端输出，但其电压增益却与双端输出的表达式相同。rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4βib2βib1βib3βib4ib1ib2ib3ib4vid/2+--vid/2+-ve≈0evo2（b）负载开路的差模电压增益为

因此，有源负载将双端输出转换为单端输出，并保持增益表达式与双端输出相同。此外，有源负载的交流等效电阻大，可以有效地提高增益。差模输入电阻为

当输入信号为零时，ib1=ib2=0，使ib4=0。所以，

输出电阻较大。rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4βib2βib1βib3βib4ib1ib2ib3ib4vid/2+--vid/2+-ve≈0evo2（b）输出电阻图9.3.9共射差分放大电路

当输入信号大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特性。而是利用晶体管的电流方程推导输出电压与输入电压的函数关系，即传输特性。由BJT发射结的电流方程,并考虑到T1和T2特性一致，得

所以，9.33共射差分放大电路的电压传输特性(略讲)由电路，得 图9.3.9共射差分放大电路再由电路，得

当输入共模信号时，vBE1=vBE2。vO=0，即抑制共模信号。th(x)是非线性的双曲正切函数。

当输入差模信号时，vBE1-vBE2=vid。由上式，得

由上式可绘出差分放大电路的传输特性曲线，如图9.3.10的实线所示。 忽略上式中的2次以上高次项，输入输出电压近似为线性关系，即因为 所以，图9.3.9共射差分放大电路0246810120.2-12

-10-8

-6-4

-20.40.60.81.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0IORe=10VT图9.3.10差放电路的传输特性

电压增益与使用小信号模型获得的相同。当时，

综上所述，差分放大电路的线性区很窄。在室温下，线性区约为

为了扩展线性区，可在差分对管的射极分别接入一个电阻，如图9.3.11所示。th(2)≈1，传输特性曲线进入饱和区。0246810120.2-12

-10-8

-6-4

-20.40.60.81.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0IORe=10VT图9.3.10差放电路的传输特性图9.3.11共射差分放大电路ReRe

射极电阻对差模信号引入串联负反馈，从而扩展线性区。如图9.3.10的虚线所示。FET的栅极输入电流近似为零，使FET差放电路的静态输入电流近似为零，动态输入电阻很大。

图9.3.12(a)是MOS管电路，图(b)是JFET管电路。T1和T2为放大管；T3及其外围元件组成是电流源电路，向T1和T2输出恒定的静态电流。9.34共源差分放大电路（略）RD图9.3.12共源差分放大电路

参照BJT差放电路的分析方法，并考虑场效应管的特点，可以分析电路的性能，见表113.2。表9.3.2共源差分放大电路的主要特性输入输出方式双端输入双端输出单端输入双端输出双端输入单端输出单端输入单端输出差模电压增益共模电压增益0共模抑制比∞输出电阻差模输入电阻∞共模输入电阻∞备注ro是电流源的输出电阻补充：反馈组态判断举例（交流）电压并联负反馈9.4.1功率放大电路概述9.4功率放大电路

能够向负载提供足够信号功率的放大电路称功率放大电路，或功率放大器，简称为功放。

由于功率放大器的输出电压幅度和输出电流幅度都很大，才能向负载提供足够的功率。这就产生了一些特殊问题。（5）电路分析方法（1）功放管工作在接近极限状态（2）非线性失真较大（3）功率转换效率（4）功放管的散热和保护1.功率放大电路的概念及其一般问题

输出信号功率源自直流电源发出的功率，前者与后者比值的百分数称为功率转换效率。加散热片和过流保护。采用图解法分析电路(因为工作在大信号状态)。2.功率放大电路的类型（b）乙类（d）丙类（c）甲乙类0π2πωtiC

iC

vCE

Q

0ICEOθ=πiC

0ICωtθ>ππ2πiC

vCE

Q

0ICEO0πθ<π0ωt2πiC

iC

vCE

Q

ICEO（a）甲类iC

vCE

Q（VCE，IC）

iC

ωt0ICπ2πθ=2π0ICEO斜率为-1/R’L最大静态损耗最大信号功率根据功放管的导通角大小，功放电路分为甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类等。若功放管工作在开关状态，即饱和或截止状态，则称丁类放大。合适的静态工作点不设置静态工作点不合适的静态工作点晶体管消耗的平均功率为3.提高效率的主要途径晶体管的静态损耗等效负载获得的信号功率

因此，提高功放电路效率的途径是减小功放管的管耗。RL+VCC+_vovi-VCC（a）电路T1T2ioiC1iC29.4.2乙类OCL功率放大电路1.电路组成和工作原理0vo/V

0vi

ωt0π2π（b）输入输出理想波形T1放大T2放大ωt

图(a)负载与放大电路是直接耦合，输出端无电容，故称为OCL（OutputCapacitor-Less）功率放大电路，简称OCL电路。

设T1、T2特性一致

当vi=0时，T1和T2截止，vo=0。

在vi的正半周，T2

截止；T1放大。为NPN管射极输出器，故vo=vi。在vi的负半周，T1截止；T2

放大，为PNP管射极输出器，故vo=vi。

可见，2管轮流工作半个周期（互补），组合为一个射极输出器（互补射极输出器），消除了单个乙类射极输出器的失真。电路因此命名为乙类互补对称功率放大电路。2.图解分析在T1的输出特性上做出交流负载线，通过静态工作点（VCC，0），如图I区所示。

将2个坐标系在静态工作点处对接。因为T1和T2特性一致，所以，2个交流负载线互为延长线，如图所示。在信号的正半周，T1工作，由电路得交流负载线方程在信号的负半周，T2工作，由电路得交流负载线方程其交流负载线，如图II区所示。+VCC+_vovi-VCC（a）电路T1T2ioiC1iC2最大不失真输出电压幅度、最大不失真输出电流幅度和最大集射电压：

Vomm=Vcemm=VCC-VCES_-VCC+VCC+voviT1T2ioiC1iC2设输入是正弦电压，则输出亦是与输入同相的正弦电压，即忽略基极回路的电流，电源VCC发出的电流等于的集电极电流，也等于负载电流。所以，电源VCC和-VCC发出的平均功率为（2）直流电源提供的功率PV和功率转换效率η3.电路的性能参数最大输出平均功率为（1）输出功率+VCC+_vovi-VCCT1T2ioiC1iC2

功率转换效率定义为输出功率与电源提供的直流功率之比，即+VCC+_vovi-VCCT1T2ioiC1iC2根据功率守恒原则，电源发出的功率PV等于输出功率和T1、T2管的损耗PT1、PT2之和。故单管管耗为当Vom使以下方程成立时，管耗最大解得 代入（9.4.7）式，得最大管耗

（3）功放管的损耗：最大管耗（9.4.7）电源发出的平均功率输出功率(4)功放管的选择

主要根据功放管实际工作时的最大集电极电流、最大集射电压和最大功耗选择功放管。①集电极最大允许电流ICM②最大反向电压V（BR）CEO考虑留有一定的余量，选择考虑留有一定的余量，选择V(BR)CEO=（1.5~2）×（2VCC）③最大管耗PTmPCM=（1.5~2）×（0.2Pom）（9.4.10）（9.4.11）（9.4.12）例9.1电路如图9.4.2所示，已知RL=8Ω，功放管的饱和压降为2V。试问（1）要获得12W的最大功率输出，则电源电压至少为多少伏？（2）选择此时功放管的型号。（3）当输入电压幅值Vim=8V时，负载获得的最大功率为多少？（2）功放管的选择应根据式（9.4.10）、（9.4.11）和（9.4.12），得+VCC+_vovi-VCC9.4.2（a）电路T1T2ioiC1iC2RL由，得VCC=16V解：（1）求电源电压V(BR)CEO=1.5×(2VCC)=1.5×2×16=48VPT1m=1.5×(0.2Pom)=0.3×12W=3.6W

查晶体管手册，选择3DD57B，其集电极最大电流为3A,最大管压降为50V,最大功耗为10W，符合要求。

与单管射极输出器一样，互补射极输出器的电压增益近似等于1。当Vim=8V时，Vom=Vim=8V，输出功率

可见，功放电路的输出功率除了取决于功放电路自身参数外，还与输入电压的幅度是否足够大有关。+VCC+_vovi-VCC9.4.2（a）电路T1T2ioiC1iC2RL（3）求

Vim=8V时，负载获得的最大功率RL++_vovi+VCC/2T1T2+VCCvEC9.4.3乙类OTL电路和乙类BTL电路图9.4.4（a）OTL电路1．乙类OTL电路：单电源OTL电路：负载与放大电路电容耦合，输出端无变压器，故称为OTL（OutputTransformer-Less）功率放大电路，简称OTL电路。功率管工作在乙类状态，静态偏置使发射极电位和电容电压等于半电源电压：

在vi的正半周，T2

截止；T1工作在放大状态，vo=vi，并且电容充电。

在vi的负半周，T1截止；T2

导通，电容放电（其等效为一个VCC/2的电源）使T2工作在放大状态，vo=vi。

每个射极输出器轮流工作半个周期，负载获得完整的正弦电压。

因为功率放大电路的负载电阻很小，为了保证可靠的信号耦合，输出电容容量必须很大。RL++_vovi+VCC/2T1T2+VCCvEC图9.4.4（a）OTL电路

在OCL电路的全部参数计算表达式中，用VCC/2替换VCC就得到OTL电路的全部参数计算表达式。OTL电路的缺点低频响应差，输出电容容量很大。OTL电路参数计算

动态时，vo1=vi，vo2=-vi，vo=vo1-vo2=2vi。在相同的电源电压时，输出功率是OTL电路的4倍，而与OCL电路相同。2．乙类BTL电路（略）图9.4.4（b）BTL电路+VCCRL+vo-T1T2T3T4vi+VCC/2-vi+VCC/2vo1vo2

在图（b）中，T1和T2、T3和T4各形成一个互补射极输出器，负载跨接在2个输出之间，输出端无变压器。要求T1、T2、T3和T4的特性一致（组成平衡电桥），2个互补射极输出器输入信号相位相反，故称为BTL（BalancedTransformer-Less）功率放大电路，简称BTL电路。

静态时，各管集电极电流为零，功率管工作在乙类状态，发射极电位等于半电源电压，vo=0。9.4.4甲乙类互补对称功率放大电路1．乙类功率放大电路存在的问题

前述的OCL、OTL和BTL电路统称为乙类互补对称功率放大电路。其特点是输出功率大，效率高，输出电阻小，带负载能力强。但还存在下述问题：图9.4.5复合管乙类OCL电路+VCCRL+_vovi-VCCT1T2io+VCCRL_vovi-VCCT1T2ioT3+(1)要求输入电压幅度大(2)功率管的对称性

要求NPN和PNP功放管的特性一致。由于制造工艺的限制，很难实现。可用复合管组成PNP管（或NPN管），如图9.4.5所示。(3)交越失真图9.4.5乙类互补对称电路的交越失真（b）交越失真的波形vi

交越失真0vo/V

Vth-Vthωt+VCCRL+_vovi-VCC（a）电路T1T2ωt

克服交越失真的方法是适当增加静态电流，使功率管工作在甲乙类状态（微导通），组成甲乙类互补对称功率放大电路。在过零处，输出电压与输入电压的波形不同，出现失真，称为交越失真。放电充电图9.4.6甲乙类OTL电路RL+_vovi+VCCR3RPR4D1T1T2KiC1IvCC1+_R1+CT3D2iB2iB1b1b2R22．甲乙类OTL电路（OTL单电源；OCL：双电源）T1和T2是功率输出级，二极管D1和D2是其静态偏置电路；T3、R3及其外围元件组成共射级放大电路，称为功率输出级的前置放大电路。

静态时，

+VCC、D1、D2、T3、R4和地组成的直流通路使二极管微导通，在功率管T1和T2的基极之间产生电压VB1B2=VD1+VD2

调整电位器RP，使VB1B2略大于T1和T2的发射结开启电压之和，则使两管都处于甲乙类工作状态，同时，使K点电位为半电源电压（VCC/2）。

此外，RP和R1引入交直流负反馈，稳定静态工作点，减小非线性失真。补充题1、(10分)在图4所示电路中，Rf为反馈元件，设三极管饱和管压降为0V。为稳定输出电压vO，正确引入负反馈，画出连线图，说明引入的反馈组态；若使闭环电压增益Avf=10，确定Rf=？求最大不失真输出电压功率Pomax=？以及最大不失真输出功率时的输入电压幅值为多少？图示为引入电压串联负反馈，不可以引入电压并联负反馈。（正反馈）

Rf=90k最大输出时Vom=VCC-0=AvfVimVim=1.5V补充题2、计算题（15分）在图示电路中，T3和T5的饱和压降为|VCES|=2V，导通时|VBE|=0.6V

，VCC=18V，RL=4Ω，输入电压足够大。试解：1.静态时A、B、K点的电位各为多少？2.D1、D2中任意一个开路，可能会产生什么后果？3.T5、T4复合后管子为什么类型？4、电路的最大输出功率Pom和效率η各为多少？（1）补充题2、计算题（15分）在图示电路中，T3和T5的饱和压降为|VCES|=2V，导通时|VBE|=0.6V

，VCC=18V，RL=4Ω，输入电压足够大。试解：1.静态时A、B、K点的电位各为多少？2.D1、D2中任意一个开路，可能会产生什么后果？3.T5、T4复合后管子为什么类型？

4、电路的最大输出功率Pom和效率η各为多少？2.静态时，T2、T3可能饱和；动态时，在输出信号的正半周，T4、T5导通，电源两端形成低阻通路，电流大，可能损坏T2或T3或T4或T5。3.T5、T4复合后管子PNP型补充题2、计算题（15分）在图示电路中，T3和T5的饱和压降为|VCES|=2V，导通时|VBE|=0.6V

，VCC=18V，RL=4Ω，输入电压足够大。试解：1.静态时A、B、K点的电位各为多少？2.D1、D2中任意一个开路，可能会产生什么后果？3.T5、T4复合后管子为什么类型？4、电路的最大输出功率Pom和效率η各为多少？图9.4.7集成音频功率放大器LM386原理电路图T2T1T3T4T5T6T7T8T9T10D1D2R1R2R3R4R5R6R7同相输入端增益调节vo反相输入端7旁路I1

9.4.5集成功率放大器（略）分类：按工作频率，集成功率放大器可分为集成低频功放（或音频功放）、集成高频功放和集成宽带功放；按电路结构，分为集成OCL功放、集成OTL功放和集成BTL功放等。下面介绍集成功率放大器LM386。LM386是单电源供电(VS)，属于OTL功放，输出信号采用电容耦合。T1、T2

、T3和T4组成复合管共射极差分放大电路；T5和T6是镜像电流源，作差放的有源负载，实现双端输出到单端输出的转换；T6和电流源I1组成有源负载共射放大电路；图9.4.7集成音频功率放大器LM386原理电路图T2T1T3T4T5T6T7T8T9T10D1D2R1R2R3R4R5R6R7同相输入端增益调节vo反相输入端7旁路I1

T8和T9等效为一个PNP管，与T10组成互补射极输出器，D1和D2是它的偏置电路，使功放管工作在甲乙类状态，消除交越失真。

应用瞬时极性法，3端输入信号与5端输出信号同相，是同相输入端；而1端输入信号与5端输出信号反相，是反相输入端。图9.4.7集成音频功率放大器LM386原理电路图T2T1T3T4T5T6T7T8T9T10D1D2R1R2R3R4R5R6R7同相输入端增益调节vo反相输入端7旁路I1

电阻R3、R4、R5、R6、R7引入直流负反馈，稳定静态工作点。而R5、R6、R7则对差模信号引入交流电压串联负反馈，减小非线性失真。

在LM386的输入级中，注意到射极电阻R5和R6的平均阻值点是差模信号的电位零点，故反馈系数为图9.4.7集成音频功率放大器LM386原理电路图T2T1T3T4T5T6T7T8T9T10D1D2R1R2R3R4R5R6R7同相输入端增益调节vo反相输入端7旁路I1

电压增益为代入电路参数，得最小电压增益为20，即26dB。

在1端和8端外接阻容串联支路，则可调整电压增益。注意1端和8端只能外接阻容串联支路（或电容支路），否则将影响功放的静态工作点。图9.4.7集成音频功率放大器LM386原理电路图T2T1T3T4T5T6T7T8T9T10D1D2R1R2R3R4R5R6R7同相输入端增益调节vo反相输入端7旁路I1

当R6被交流短路时，代入电路参数，得最大电压增益为200，即46dB。

此外，7端对地接交流旁路电容，完成电源退耦功能。即减小通过电源支路的信号耦合和电源电压纹波对输入级的影响，提高电源电压抑制比.图9.4.8 LM386组成OTL电路+-+++Vs-LM386viC1C2C3C4C5C6R12347561810μF10μF10μF10μF0.05μF500μF10Ω16V32Ω

同相端输入音频（20Hz~20kHz）电压信号，反相端交流接地。输出通过大电容耦合接扬声器负载，将音频输出电压信号转换为声音信号。扬声器获得的最大输出电压幅度和最大功率近似为

实际上，由于功率管的饱和压降（大略1.4V），输出最大功率0.7W是合理的。2．集成功率放大器LM386的应用（1）OTL电路

用LM386组成的OTL电路如图9.4.8所示。（2）BTL电路但是，由于每个LM386的最大输出功率是1W，故实际的输出功率只能是2W，A1组成同相音频功率放大器，A2组成反相音频功率放大器，扬声器负载跨接于2个功放的输出端，形成BTL电路。输出信号幅度是单个功率放大器的2倍，最大电压增益达52dB。理论上，扬声器获得的最大输出电压幅度和最大功率近似为最大输出电压幅度为

因此，必须限制输入电压幅度，否则，当输入信号过大时，可能损坏LM386。图9.4.9 LM386组成BTL电路+-+VsLM386C6C7C8C92347561810μF10μF10μF10μF16V+-+++Vs-LM386viC1C2C3C4C5R12347561810μF10μF10μF10μF0.05μF10Ω16V32Ω-A1A2

功率器件的允许功耗与散热片有着密切的关系，在同样的环境温度下，如果采用适当的散热措施（如通风、加大散热片等），可增加功放器件的输出功率。反之，可能使管子的结温过高而损坏。

上式表明，热阻就是传导单位功率时所产生的温差，它是衡量功放管散热能力的重要参数，单位为0C/W。*9.4.6功率器件的散热(略)

如晶体管3DD100，无散热片时允许功耗为1W，加装适当散热片后可达20W。热在传导过程中所受到的阻力称为热阻RT

。1.热阻的概念

设管芯温度为Tj，环境温度为Ta，热阻RT定义为温差Tj-Ta与管芯耗散功率PC的比值，即例如，双列直插式封装的LM386的热阻是1070C/W。

管芯允许的最高温度是PN结的结温，硅功率器件允许的最高结温大略为1500C，锗功率器件大略为850C。当达到最高结温TjM时，实际管芯耗散功率PCR为

由于功率器件封装（管壳）的面积小，管壳到环境（自由空间）的热阻大，加装金属散热片可以有效地减少热阻，如图9.4.10（a）所示。散热途径为因此，在环境温度一定时，要想增大PCR，只有减小RT。2.功率器件热阻的估算热阻RTc垫片热阻RTc功率管热阻RTj环境热阻RTa散热片f环境a环境a管芯j管壳c9.4.10(a)散热片安装示意图（9.4.15）

图9.4.6功率器件加装散热片(b)功率器件的等效热路jcsaRTj

RTcRTsPcRTa(a)散热片安装示意图热阻RTc垫片热阻RTc功率管热阻RTj环境热阻RTa散热片s环境a环境a管芯j管壳cRTs是散热片至周围环境的热阻（与散热片的材料、面积、厚薄和形式等有关）。RT≈RTj+RTc+RTs等效热路如图（b）所示。通常，RTa>>RTc+RTs。当忽略管壳至周围环境的热阻时，可求出散热回路的总热阻PC是管芯耗散功率(热源)，RTj是管芯至管壳的热阻（可从手册中查出），RTa是管芯至环境的热阻，RTc是管壳至散热片的热阻（与有否垫片、接触面积、紧固程度等有关），例9.3

某功放电路中采用3DD100低频大功率管，由晶体管手册查出，最大允许功耗PCM=20W，最高允许结温TjM=1780C，RTj=30C/W，若要求环境温度为400C，RTc=10C/W，试问应选用热阻为多大的散热片？RTs=RT-RTj-RTc=（6.75-3-1）0C/W=2.750C/W由式（9.4.16）得散热片的热阻为应选用热阻小于2.750C/W的散热片。解：由式9.4.15可得总热阻为

由于集成运放通常不直接驱动终端负载，故不必像集成功率放大器那样输出较大功率，但要求输出电阻小，增益和输入电阻大，频率特性好。9.5集成运算放大器（略讲）

利用运放的高增益和对其引入的反馈，极易组成各种模拟信号处理电路，故由此而得名。分类：有双极型、单极型及双极单极兼容型产品。集成放大器的符号和外形运算放大器外形图PNO_vi1△∞vovi2+(a)+

(a)国家标准符号

(b)原符号(旧符号)(b)vo+_vi1vi2+A

运放由电流源偏置电路、差分输入级、中间放大级和互补输出级组成，如图中的分块虚线所示。图9.5.1集成运算放大器LM741电路原理图 9.5.1双极型集成运算放大器LM741由电路，得基准电流PNP管T12和T13组成镜像电流源。由（9.2.1）式，得

NPN管T10和T11组成为微电流源。由（9.2.4）式，得解为PNP管T8和T9组成镜像电流源。由（9.2.1）式，得

电流源偏置电路图9.5.2输入级交流通路NPN管T1和T2组成共集差分放大电路，T8是电流源，射极双端输出；PNP管T3和T4组成共基差分放大电路，T5、T6和T7以及R1、R2和R3组成有源负载，实现双端输出到单端输出的转换。2.差分放大输入级

由于输入级静态电流很小，rbe较大，使差模输入电阻可达2MΩ。

差模信号时输入级的交流通路如图9.5.2所示，Ri2是中间级的输入电阻。电路是一个共集共基组合差分放大电路。T1、T2、T3、T4

、T5和T6的静态电流近似等于T8静态电流的一半，即14μA。差模输入电阻是半电路输入电阻的2倍，即

差模电压增益等于半电路的电压增益。考虑到Ri2远远小于本级的输出电阻，则差模电压增益为图9.5.2输入级交流通路NPN管T16和T17构成复合管共射极放大电路，电流源T13是其有源负载。由于T13的输出电阻rce13远远大于R7、R8和T15组合支路的动态电阻，电压增益为Ri3是输出级的输入电阻。3.中间放大级中间放大级的输入电阻为图9.5.1集成运算放大器LM741电路原理图 另外，电容C作相位补偿，避免自激振荡。4.输出级R7、R8和T15组合支路是输出级的偏置电路。偏置电路的电压为远远小于的T13输出电阻rce13。

偏置电压与发射结成正比，故称VBE倍增电路。在集成电路中，电阻比值是较准确的，故可以较准确设定倍增电路的端电压。甲乙类互补对称电路的输出电阻近似为甲乙类互补对称电路的输出电阻近似为

甲乙类互补对称电路的电压增益近似为1。所以，LM741总的差模电压增益为

电压增益可达106dB。负号说明vi1与输出电压vo同相、vi2与输出电压vo反相，即3端是同相输入端，2端是反相输入端。输出电阻小于200Ω。5．限流保护电路二极管D1、D2和电阻R9、R10是过流保护电路。

正常工作时，R9和R10上的电压很小，D1、和D2均截止，不影响电路的正常工作。

过流时，在输出电流的正半周，R9上的电压明显增大，致使D1导通，从T14的基极分流，限制T14的集电极电流，保护T14管。在输出电流的负半周，R10上的电压明显增大，使D2导通，从T18的基极分流，限制T19的集电极电流，保护T19管。

在LM741电路中，通过PNP管和NPN管的配合，使得在零输入电压时输出电压也近似为零。实际使用时还可以在①、⑤端外接调零电位器。

通过对双极型运放LM741的分析可知，双极型集成运放的输入偏置电流及器件功耗较大，输入电阻较小。但是由于采用多种改进技术，所以品种多、功能强。图9.5.3CMOS集成运算放大器MC14573

PMOS管T5、T6、T8和外接电阻R组成多路电流源，基准电流下述方程组的解：9.5.2CMOS集成运算放大器MC14573

电路由增强型PMOS管和NMOS管组成，称为CMOS(Complementarymetal–oxide–semiconductor)集成运算放大器。3部分组成：电流源电路、共源差分差分放大输入级和共源放大输出级。1．电流源电路图9.5.3CMOS集成运算放大器MC145732．共源差分放大输入级PMOS管T1和T2是差分对管，组成共源差分放大电路；NMOS管T3和T4是其有源负载，实现双端输出到单端输出的转换；T1、T2、T3和T4的静态电流等于T6静态电流的一半。差模电压增益等于半电路的电压增益，即差模输入电阻和共模输入电阻髙达1012Ω。3．共源放大输出级电压增益为T7的静态电流等于T8的静态电流。输出电阻为MC14573总差模电压增益为图9.5.3CMOS集成运算放大器MC14573代入MC14573的设计参数，可计算出总电压增益，达到90dB左右。另外，电容C作相位补偿，避免自激振荡。

上述可知，单极型运放的输入MC14573总差模电压增益为电阻特别大，功耗低，电路简单。但是，输出电阻也较大。

对于要求输入电阻大、输出电阻小的应用，可选用双极型单极型兼容型的运放。这种运放用单极型场效应管作输入级，用双极型晶体管作输出级。9.5.3集成运算放大器的主要参数1.绝对最大额定值（1）最大电源电压

最大正电源电压和最大负电源电压。LM741的电源电压额定值是±18V。（2）最大差模输入电压Vidmax

从运放的两个输入端看进去，常有两个或多个PN结串联。加上差模电压，一些PN结承受反向电压，另一些承受正向电压。对应于反偏PN结击穿的差模输入电压就是最大差模输入电压。LM741的Vidmax是30V。（3）最大共模输入电压Vicmax

当共模电压超过一定范围时，运放输入级的差放管出现饱和或截止，电路不能正常放大差模信号。该范围的边界共模电压就是最大共模输入电压。LM74