2多级放大器与集成电路

(4-1)第四章差动放大器与集成运算放大器

多级放大电路和集成运算放大器(4-2)

多级放大电路和集成运算放大器1

多级放大器2

直接耦合放大电路及其零点漂移问题

3

差动放大电路4集成电路的基本知识5集成运算放大器的基本知识(4-3)耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。一、多级放大器耦合：即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：1.静态：保证各级Q点设置2.动态:传送信号。第一级放大电路输入输出第二级放大电路第n级放大电路……第n-1

级放大电路功放级要求：波形不失真，减少压降损失。

(4-4)设:

1=

2=50,rbe1=2.9k

,rbe2=1.7k

1多级放大器的组成前级后级+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET2(4-5)关键:考虑级间影响。1.静态:

Q点同单级。2.动态性能:方法:ri2=RL1ri2+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET22多级放大电路的分析(4-6)考虑级间影响2ri

,

ro

:概念同单级1rirori2+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET2(4-7)1.ri

=R1//[rbe1

+（

+1)RL1']其中:RL1

=RE1//ri2=RE1//R2//R3

//rbe1=RE1//RL1

=RE1//ri2=27//1.7

1.7k

ri

=1000//(2.9+51×1.7)

82k

2.ro

=RC2=10k

RE1R2R3RC2RLRSR1(4-8)3.中频电压放大倍数:其中：RE1R2R3RC2RLRSR1(4-9)RE1R2R3RC2RLRSR1(4-10)多级阻容耦合放大器的特点：(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。(5)总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1。(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。(4-11)例1：放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V，R1=100k，R2=33k，RE1=2.5k，RC=5k，

1=60，；RB=570k，RE2=5.6k，

2

=100，RS=20k，RL=5k

+ECR1RCC11C12R2CERE1uiriuoT1放大电路一RB+ECC21C22RE2uiuoT2放大电路二(4-12)求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro。若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus。+ECR1RCC11C12R2CERE1uiriuoT1RB+ECC21C22RE2uiuoT2(4-13)ri=

R1//R2//rbe

=1.52k

(1)由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低；(2)放大倍数与负载的大小有关。例：

RL=5k时,Au=-93；RL=1k时,Au=-31。求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。+ECR1RCC1C2R2CERERLuiuousRSriT1rbe1=1.62k，rbe2=2.36k

(4-14)2.若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro。

usRSRB+ECC22RE2uoT2RLR1RCC11R2CERE1uiriT1rbe2=2.36k

rbe1=1.62k

ro1=RC=5k

(4-15)(4-16)讨论：带负载能力。2.输出不接射极输出器时的带负载能力：RL=5k时：Au=-93RL=1k时：Au=-31即：当RL由5k

变为1k

时，放大倍数降低到原来的92.3%。放大倍数降低到原来的30%RL=5k时：

Au1=-185，Au2=0.99，ri2=173k

Au=Au1Au2=-183RL=1k时：

Au1=-174，Au2=0.97，ri2=76k

Au=Au1Au2=-1691.输出接射极输出器时的带负载能力：可见输出级接射极输出器后，可稳定放大倍数Au。(4-17)3.若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus。Au2=-93ri2=1.52k

Au1=0.98ri=101k

+ECR1RCC12R2CERE1riuoT1uiRBC21RE2T2usRS(4-18)输入不接射极输出器时：可见输入级接射极输出器后，由于从信号源取的信号增加，从而可提高整个放大电路的放大倍数Aus。(4-19)思考题：若首级接射极输出器、中间级接共射放大电路、末级接射极输出器，射极输出器和共射放大电路的参数同前。求该三级放大电路的放大倍数Au、Aus、ri和ro。RB+ECC4RE2uoT3RLR1RCC2R2CERE1T2uiRBC1RE2T1usRSC3

1=100，

2=60，

3=100(4-20)RB+ECC4RE2uoT3RLR1RCC2R2CERE1T2uiRBC1RE2T1usRSC3

1=100，

2=60，

3=100rbe1=2.36k，rbe2=1.62k，rbe3=2.36k

(4-21)RB+ECC4RE2uoT3RLR1RCC2R2CERE1T2uiRBC1RE2T1usRSC3(4-22)RB+ECC4RE2uoT3RLR1RCC2R2CERE1T2uiRBC1RE2T1usRSC3(4-23)RB+ECC4RE2uoT3RLR1RCC2R2CERE1T2uiRBC1RE2T1usRSC3RL=5k时：

ri2=173k

，

Au2=-185，Au3=0.99RL=1k时：

ri2=76k

，

Au2=-174，Au3=0.97(4-24)RL=5k时：

ri2=173k

，

Au2=-185，Au3=0.99RL=1k时：

ri2=76k

，

Au2=-174，Au3=0.97，RS=20k，RL=5k时：RL=1k时：(4-25)例2：设gm=3mA/V，

=50，rbe=1.7k前级:场效应管共源极放大器后级:晶体管共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+UCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21M(4-26)（1）估算各级静态工作点:（略）（2）动态分析:

微变等效电路首先计算第二级的输入电阻：

ri2=

R3//R4//rbe=82//43//1.7=1.7k

R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds(4-27)第二步：计算各级电压放大倍数R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds(4-28)第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1//R2=3//1=0.75M

ro=RC=10k

R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds(4-29)第四步：计算总电压放大倍数Au=Au1Au2=(-4.4)

(-147)=647R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds(4-30)阻容耦合电路的频率特性：fA耦合电容造成三极管结电容造成采用直接耦合的方式可放大缓慢变化的信号，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。阻容耦合电路缺点：不能放大直流信号。(4-31)

二、差动放大器1、概述2、基本差动放大器3、实用（典型）的差动放大电路的组成及工作原理4、

集成运放的内部结构及特点5、集成运放基本知识6、集成运放简单计算(4-32)uiRC1R1T1一、直接耦合放大电路及其存在问题增加R2

、RE2

:用于设置合适的Q点。+UCCuoRC2T2R2RE2直接耦合电路存在的问题问题1:前后级Q点相互影响。V1的集电极电位等于V2的基极电位（0.7、0.3）所以V1的集电极电位很低工作点接近饱和区，工作范围受限。(4-33)问题2:零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当

ui等于零时，uo不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将信号淹没(4-34)1、结构特点：结构对称。一）差动放大电路基本概念及基本电路ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB二、差动放大器(4-35)2、抑制零漂的原理uo=UC1-UC2

=0uo=(UC1+

uC1

)-(UC2+

uC2)=0当ui1

=

ui2=0

时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2(4-36)3、共模电压放大倍数AC+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：

ui1=ui2=uC

（大小相等，极性相同）理想情况：ui1=ui2

uC1=uC2

uo=0共模电压放大倍数：（很小，<1)但因两侧不完全对称，uo

0(4-37)uoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui24、差模电压放大倍数Ad差模输入信号：

ui1=-ui2=ud

（大小相等，极性相反）(很大，>1)设uC1=UC1+

uC1，uC2=UC2+

uC2。因ui1=-ui2，

uC1=-

uC2

uo=uC1-uC2=

uC1-

uC2=2

uC1

差模电压放大倍数：+UCC(4-38)总结差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差值时，才能进行放大，即

基本差动放大器的差模放大倍数等于电路中每个单管放大电路的放大倍数，该电路用多一倍元件的代价换来了对零漂的抑制能力。(4-39)5、共模抑制比(CMRR)的定义例:

Ad=-200

Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR

(dB)=(分贝)(4-40)输入方式的分析实际加到差分放大器的两个输入端的信号往往既非共模，又非差模，而是两个大小和极性都任意的信号，此种方式称为比较输入方式。分析时可将上述两种单独作用的情况叠加起来，即ui1=uid/2+uic，ｕi2=-uid/2+uic将上面两个式子进行加减处理，得到：uid=ui1-ui2,uic=(ui1+ui2)/2输出信号：uo=Ad*uid+Ac*uic(4-41)差动放大电路有两个输入，两个输出端，根据实际需要，通常有四种组合方式，即四种组态：双入双出，双入单出，单入双出，单入单出。理论表明双端输入和单端输入效果相同，等于电路中每个单管放大器的放大倍数。输出方式不同，导致放大倍数不同(4-42)实用差动放大器的演进基本差动放大器是靠电路完全对称、双端输出来抑制零漂，若采用单端输出的方式，漂移就无法抑制，而且完全对称的情况也不存在，因此，为了限制各单管输出漂移电压，实现电路对称的情况，常采用以下电路(4-43)1、结构为了使左右平衡，可设置调零电位器:三）典型差动放大电路

------长尾型（双电源供电的差动放大电路）特点：加入射极电阻RE；加入负电源-UEE

，采用正负双电源供电。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE(4-44)双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE(4-45)比较典型差动和基本差动的区别1、增设Rp，通过调节Rp，可以使Ic1=Ic2,使电路对称，达到零输入，零输出的目的。2、增设共模反馈电阻Re，对共模信号起到负反馈的作用，抑制每个管子的零漂。RE对差模信号不起作用3、增设负电源。因增设高阻值的Re将使两个差动管的静态UCE减小，管子容易进入饱和区，因此可接入一个-Vee来抵偿Re上的直流压降，以保持两管的原有静态管压降基本不变。4、删除了两个基极偏置电阻Rb。由于增设的负电源Vee可以为差动放大管提供静态基极电流IB，可以删掉两个偏置电阻(4-46)该电路形如“风筝”，且尾巴越长（即Re越大），风筝在空中越稳定，因此，该电路被命名为“长尾差动放大电路”(4-47)2、静态分析温度TICIE

=2ICUEUBEIBIC1）RE的作用

设ui1

=ui2

=0自动稳定RE具有强负反馈作用——抑制温度漂移，稳定静态工作点。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE(4-48)2）Q点的计算直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=

IB

UC1=UC2=UCC－IC×RC

UE1=UE2

=－IB×RB－UBE

UCE1=UCE2

=UC1－UE1(4-49)3、动态分析1）输入信号分类(1)差模(differentialmode)输入ui1=-ui2=ud(2)共模(commonmode)输入ui1

=ui2=uC差模电压放大倍数:共模电压放大倍数:(4-50)结论：任意输入的信号:ui1,

ui2，都可分解成差模分量和共模分量。注意：ui1

=uC

+

ud

；ui2=uC-

ud例:ui1=20mV,ui2=10mV则：ud=5mV,uc=15mV差模分量:共模分量:(4-51)差模输入均压器RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UEE(4-52)RE对差模信号作用ui1ui2ib1

,ic1ib2

,ic2ic1

=-ic2iRE

=ie1+

ie2

=0uRE

=0RE对差模信号不起作用RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UEEib2ib1ic2ic1iRE(4-53)差模信号通路T1单边微变等效电路uod1RBB1EC1RC

ib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E(4-54)放大倍数单边差模放大倍数:uod1RBB1EC1RC

ib1ui1rbe1ib1(4-55)若差动电路带负载RL(接在C1与C2之间),对于差动信号而言，RL中点电位为0,所以放大倍数：即：总的差动电压放大倍数为：差模电压放大倍数:RRuodui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E(4-56)ro=2RC

ri

ri

ro输入电阻：输出电阻：输入输出电阻RRuoui1+UCCRCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E思考题：电路去掉RB能正常工作吗？RB的作用是什么？(4-57)共模输入RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）

。uC

ic1、

ic2

iRE

、uRE

+UCCuocRCT1RBRCT2RBRE–UEEuCuoc2uoc1ic1ic2iREuRE(4-58)共模信号通路:uocRCT1RBRCT2RB2REuc1uoc2uoc1ic1ic2uc22RE(4-59)T1单边微变等效电路RCRB2REic1uc1uc2ib1

ib1ie1rbe1(4-60)KCMRR

AC

0问题：负载影响共模放大倍数吗？不影响！(4-61)RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCC四、恒流源式差放电路电路结构:IC3R2T3R1R3-UEE(4-62)

rce3

1M

恒流源T3:放大区RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCCIC3R2T3R1R3-UEEuCEIB3iCUCE3IC3Q

UCE3静态分析：主要分析T3管。VB3

VE3

IE3

IC3(4-63)电路改进：加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）IE4温度

IE3

温度

UBE4

UB3

IE3

结论：T4稳定IE3。RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCCIC3R2T3R1R3-UEET4IE3

UBE4

Q变化(4-64)1.恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，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的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用(4-65)五、差放电路的其他接法输入端接法双端单端输出端接法双端单端双端输入双端输出：Ad

=Ad1双端输入单端输出：ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE(4-66)双端输出：Ad

=Ad1单端输出：对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEEib2ib1ud

=0.5ui,uc

=0双端输入：ui1=-ui2=0.5uiud

=0.5ui,uc

=0.5ui单端输入：ui1=-ui，ui2=0(4-67)集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

六、集成运放的内部结构及特点(4-68)集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。(4-69)UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与uo同相(4-70)对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KC