模拟电子电路基础（第2版）课件 刘圆圆 第6-8章 输出级与功率放大器、负反馈放大器及其稳定性分析、集成运放的典型应用

6输出级和功率放大器电压型运算放大器内部结构框图输出功率极低的输出电阻输出级性能参数输出功率PL(或Po)：运放输出级：几十mW及以上独立功率放大器：数百mW以上，比如音频功放功率转换效率

：电源直流功率耗散功率，管耗(或PD)输出级性能参数总谐波失真系数THD(totalharmonicdistortion)：功率管的最高结温TjM：硅管的最高结温TjM为150℃～200℃锗管的最高结温TjM约为90℃Vn:n次谐波RMS输出级分类——A类输出级A类(甲类)输出级：特征：IC≥Ic导通角：θ=360°效率η：理论上最高可达50%，但实际常常要低很多。常用组态：CC或CD输出级分类B类(乙类)输出级：特征：IC=0导通角：θ=180°效率η：理论上最高可达78.5%。先天缺陷：存在交越失真输出级分类AB类输出级：特征：IC略大于0，微导通导通角

：180°<θ<360°效率η：介于A类与B类之间，理论上最高效率可近似为78.5%结构：互补-推挽输出级分类C类(丙类)输出级：特征：IC<0导通角

：θ<180°效率η：一般在90%以上主要用于射频电路中小结及拓展模拟功率放大器（功放管导通时线性工作）A类，导通角θ=360°，ηA≤50%B类，θ=180°，ηB≤78.5%AB类，180°<θ<360°，ηA<ηAB<ηBC类，θ<180°，ηC>ηB，高频功放数字功率放大器（功放管处于开关状态）D类，理论上效率可达100%E/F类，高频功放输出级及功率放大器分析重点电路结构的辨识A类B类和AB类分析方法：直流分析：确定器件工作状态瞬时分析：输出功率、直流电源提供功率、管耗、效率设计思路：注意电路结构和器件选择重点B类及AB类输出级B类输出级电路结构VT1：NPN，VT2：PNP共集电极连接组态双电源互补对称结构OCL：OutputCapacitorLessAB类输出级的基础

B类输出级工作原理及传输特性曲线VT1和VT2均截止B类输出级工作原理及传输特性曲线B类输出级工作原理及传输特性曲线互补对称推挽放大器B类输出级的图解分析交越失真

B类输出级参数分析：输出功率PL假设电路输入一个正弦波，输出正弦波幅值记为VOM，那么负载上平均输出功率为:

iO由传输特性曲线可知，若VOM足够大，则可忽略晶体管饱和压降和交越失真，可得输出功率理论最大值为：B类输出级参数分析：电源功率PS假设电路输入一个正弦波，输出正弦波幅值记为VOM，那么电源VCC提供的功率为:

iOiB类输出级参数分析：管耗PC令当时，最大管耗为，可得单管的最大管耗为B类输出级参数分析：功率转换效率η假设电路输入一个正弦波，输出正弦波幅值记为VOM，那么功率转换效率为:

若忽略晶体管饱和压降和交越失真，可得功率转换效率理论上的最大值为：B类输出级分析示例：已知B类输出级需给8Ω的负载提供16W的平均输出功率，（1）要求VCC比输出电压峰值高4V，则VCC=？（2）电源提供的总功率PS=？（3）该电路的功率转换效率η=？（4）晶体管单管最大管耗为多少？B类输出级分析示例：已知B类输出级需给8Ω的负载提供16W的平均输出功率，（1）要求VCC比输出电压峰值高4V，则VCC=？（2）电源提供的总功率PS=？（3）该电路的功率转换效率η=？（4）晶体管单管最大管耗为多少？解：（1）由题可知，∴输出电压峰值VOM=16V，故VCC=20V；B类输出级分析示例：已知B类输出级需给8Ω的负载提供16W的平均输出功率，（1）要求VCC比输出电压峰值高4V，则VCC=？（2）电源提供的总功率PS=？（3）该电路的功率转换效率η=？（4）晶体管单管最大管耗为多少？解：（2）电源提供的总功率为B类输出级分析示例：已知B类输出级需给8Ω的负载提供16W的平均输出功率，（1）要求VCC比输出电压峰值高4V，则VCC=？（2）电压提供的总功率PS=？（3）该电路的功率转换效率η=？（4）晶体管单管管耗为多少？（3）该电路的功率转换效率为B类输出级分析示例：已知B类输出级需给8Ω的负载提供16W的平均输出功率，（1）要求VCC比输出电压峰值高4V，则VCC=？（2）电压提供的总功率PS=？（3）该电路的功率转换效率η=？（4）晶体管单管管耗为多少？（4）晶体管单管管耗为B类输出级中晶体管的选择B类输出级设计示例：已知B类输出级供电电压VCC=16V，负载RL=8Ω，目前我们有三个功率器件以供选择，它们的参数分别为：器件1：ICM=1A，|V(BR)CEO|=20V，PCM=4W；器件2：ICM=3A，|V(BR)CEO|=35V，PCM=4W；器件3：ICM=4A，|V(BR)CEO|=33V，PCM=3W；请问以上哪些器件可以满足该电路的设计要求？B类输出级设计示例：已知B类输出级供电电压VCC=16V，负载RL=8Ω，目前我们有三个功率器件以供选择，它们的参数分别为：器件1：ICM=1A，|V(BR)CEO|=20V，PCM=4W；器件2：ICM=3A，|V(BR)CEO|=35V，PCM=4W；器件3：ICM=4A，|V(BR)CEO|=33V，PCM=3W；请问以上哪些器件可以满足该电路的设计要求？解：由已知条件可知，该电路中的器件必须满足

显然只有器件2同时满足以上3个不等式，即只有器件2可以满足设计要求。AB类输出级的工作原理AB类输出级的常用偏置结构本章小结电路结构及分类依据A类、B类和AB类、C类B类和AB类结构的分析与设计分析方法：直流分析：确定器件工作状态瞬时分析：输出功率、直流电源提供功率、管耗、效率设计思路：注意电路结构和器件选择7负反馈放大器及其稳定性回顾：负反馈放大器中的基本关系式其中，A：开环增益，β：反馈系数闭环增益：环路增益：反馈深度：负反馈：Aβ为正；正反馈：Aβ为负正反馈：负反馈：深度负反馈条件：虚短、虚断负反馈放大器分类与判断负反馈放大器结构框图KVL→串联KCL→并联→并联VoIo→串联电压放大器的反馈：电压-串联负反馈输入部分：串联结构，电压混合，串联反馈

输出部分：并联结构，电压采样，电压反馈电压放大器的反馈：电压-串联负反馈电压-串联负反馈的理想等效电路模型Aβ+_vf+_vi'电压-串联负反馈的输入电阻IiRif电压-串联负反馈的输出电阻Rof电压-串联负反馈小结输入部分：串联结构，电压混合，串联反馈

输出部分：并联结构，电压采样，电压反馈电流放大器的反馈：电流-并联负反馈输入部分：并联结构，电流混合，并联反馈

输出部分：串联结构，电流采样，电流反馈电流-并联负反馈的理想等效电路模型电流-并联负反馈的输入电阻Rif+_Vi电流-并联负反馈的输出电阻Rof电流-并联负反馈小结输入部分：并联结构，电流混合，并联反馈

输出部分：串联结构，电流采样，电流反馈互导放大器的反馈：电流-串联负反馈输入部分：串联结构输出部分：串联结构互阻放大器的反馈：电压-并联负反馈输入部分：并联结构输出部分：并联结构反馈类型放大器类型输入xi净输入xi'输出xo反馈xf开环增益A(单位)闭环增益Af(单位)反馈系数β(单位)输入电阻Rif输出电阻Rof电压串联电压vivi'vovfAv(V/V)=vo/vi'Avf(V/V)=vo/viβv(V/V)=vf/vo(1+Avβv)RiRo/(1+Avβv)电流串联互导vivi'iovfAg(A/V)=io/vi'Agf(A/V)=io/viβr(V/A)=vf/io(1+Agβr)Ri(1+Agβr)Ro电压并联互阻iiii'voifAr(V/A)=vo/ii'Arf(V/A)=vo/iiβg(A/V)=if/voRi/(1+Arβg)Ro/(1+Arβg)电流并联电流iiii'ioifAi(A/A)=io/ii'Aif(A/A)=io/iiβi(A/A)=if/ioRi/(1+Aiβi)(1+Aiβi)Ro反馈类型输入反馈类型：并联反馈or串联反馈输出反馈类型：电压反馈or电流反馈并联反馈串联反馈电压反馈电流反馈反馈分析有无反馈：输入输出之间除基本放大器外，是否还有其他通路，且同时满足反馈四要素。+_vi'开环工作本级反馈和级间反馈本级反馈：反馈只存在于某一级放大器中级间反馈：反馈存在于两级以上的放大器中反馈分析直流反馈和交流反馈直流反馈：直流通路中，稳定静态工作点交流反馈：交流通路中，改善交流性能反馈类型判断反馈极性判断反馈分析反馈类型的判断输入反馈类型的判断并联反馈or串联反馈区分点：A和β在输入部分的拓扑连接方法：在基本放大器的输入端上是否存在公共交点(公共节点)，有则为并联反馈，没有则为串联反馈并联反馈串联反馈反馈判断分析示例☆

☆☆注意：首先确定反馈网络中的关键元件反馈类型的判断输出反馈类型的判断电压反馈or电流反馈区分点：A和β在输出部分的拓扑连接方法1：在基本放大器的输出端上是否存在公共交点(公共节点)，有则为电压反馈，没有则为电流反馈电压反馈电流反馈反馈判断分析示例反馈类型的判断输出反馈类型的判断电压反馈or电流反馈方法2：输出短路法，即令Vo=0，若反馈消失，则为电压反馈，若反馈依然存在，则为电流反馈。电压反馈电流反馈反馈判断分析示例反馈极性的判断：瞬时极性法ViXi'若Xi'增大，则为正反馈若Xi'减小，则为负反馈反馈判断分析示例反馈电路分析思路整理有无反馈，如果有，找到其中关键的反馈元件若有反馈，观察A和β在输入输出的连接方式，判断反馈类型利用瞬时极性法判断反馈极性根据分析过程，找出所有组成反馈网络的反馈元件，为后续的分析计算做好准备反馈判断分析示例1反馈元件：反馈类型：反馈极性：反馈判断分析示例1反馈元件：R1、R2反馈类型：电压-串联反馈极性：负反馈(+)(+)(+)Vf+-反馈判断分析示例2反馈元件：反馈类型：反馈极性：反馈判断分析示例2(-)(+)(+)(-)反馈元件：Rf、RE2反馈类型：电流-并联反馈极性：负反馈反馈判断分析示例3反馈元件：反馈类型：反馈极性：反馈判断分析示例3反馈元件：R1，R2和R3反馈类型：电流-串联反馈极性：负反馈(+)(+)(+)(+)Vf+-反馈判断分析示例4反馈元件：反馈类型：反馈极性：反馈判断分析示例4反馈元件：R反馈类型：电压-并联反馈极性：负反馈(+)(-)反馈判断分析示例5反馈元件：反馈类型：反馈极性：反馈判断分析示例5反馈元件：R1，R2反馈类型：电压-串联反馈极性：负反馈(+)(+)(+)(+)Vf+-负反馈对放大器性能的影响负反馈对增益稳定性的影响负反馈对放大器输入输出电阻的影响负反馈对放大器带宽的影响负反馈对放大器增益非线性失真的影响负反馈对放大器噪声的影响负反馈对增益稳定性的影响增益灵敏度定义负反馈对增益稳定性的影响负反馈对放大器输入输出电阻的影响输入电阻：串联反馈并联反馈输出电阻：电压反馈电流反馈负反馈对放大器带宽的影响fHftfHfAf0负反馈对放大器带宽的影响fHft增益带宽积单位增益频率Af0fHf负反馈对放大器带宽的影响fHffLfBWf“牺牲增益”负反馈对放大器增益非线性失真的影响A1=1000A2=100A2=100β=0.01负反馈对放大器增益非线性失真的影响A1=1000A2=100A2=100β=0.01Af1=90.9Af2=50Af2=50负反馈对放大器噪声的影响负反馈对放大器噪声的影响闭环开环闭环负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器最本质的改善，是降低了放大器的增益灵敏度，也就是提高了增益稳定性，从而换取稳定的信号输出负反馈以“牺牲增益”为代价来换取其他性能的改善，双方的平衡均由反馈深度(1+Aβ)来控制：放大器输入输出电阻特性的有效改善，使其趋于理想设计拓展放大器带宽降低反馈环内噪声影响和非线性失真深度负反馈条件下放大器分析特点深度负反馈条件：

虚短、虚断回顾：深度负反馈条件下放大器分析特点输入电阻：串联反馈并联反馈输出电阻：电压反馈电流反馈∞∞00↑↓↓↑深度负反馈条件下放大器分析步骤判断反馈类型及反馈极性，确定对应的放大器类型；判断电路是否满足深度负反馈条件；若反馈类型与放大器类型相匹配，则电路的增益Af≈1/β，否则需根据Xi≈Xf，Xi‘≈0等条件进行增益转换；根据反馈类型，确定输入输出电阻的变化趋势实例1

负反馈放大器如图所示。假设运放A为理想运放，求该放大电路电压增益实例2

多级放大器电路如图所示，求该电路电压增益Avf。由虚短可得，又由于实例2

多级放大器电路如图所示，求该电路电压增益Avf。实例3多级放大器电路如图所示，已知，，求该电路电压增益Avf。由“虚断”可知由于实例3多级放大器电路如图所示，已知，，求该电路电压增益Avf。由差分放大器和集成运放构成的反馈放大器如图所示。（1）VBE=0.7V，假设，（2）要使级间反馈为电压-串联负反馈，则C1和C2分别应接到放哪个输入端？（3）引入电压-串联负反馈后，闭环电压放大器的增益Avf为多少？假设A为理想运放。（4）若要引入电流-并联负反馈，则C1和C2分别应接到运放哪个位置？R8应如何连接？此时Agf为多少？均很大。实例4很大实例4（2）要使级间反馈为电压串联负反馈，C1接集成运放A的反相输入端“-”，C2接集成运放A的同相输入端“+”

。（3）实例4（4）若要引入电流-并联负反馈，连接方法如图所示。

实例4负反馈放大器稳定性分析负反馈放大器自激负反馈放大器稳定性判断方法回顾：负反馈对放大器的影响负反馈提高了增益稳定性负反馈以“牺牲增益”为代价来换取其他性能的改善：改善放大器输入输出电阻特性，使其趋于理想设计拓展放大器带宽降低反馈环内噪声影响和非线性失真负反馈正反馈负反馈放大器的自激放大器自激振荡∞负反馈放大器产生自激振荡的条件自激振荡幅值条件自激振荡相位条件什么样的负反馈放大器有可能会自激呢？负反馈放大器不自激条件或时或正反馈时A↓L↓自激负反馈放大器稳定性的判断方法1基于环路增益的判断方法会自激不会自激f0：幅值交界频率f180：相位交界频率f0

<f180f0

>f180负反馈放大器稳定性的判断方法2基于稳定裕量的判断方法增益裕量相位裕量工程上负反馈放大器稳定性的判断方法3基于开环增益的判断方法fH2≥10fH1，fH3≥10fH2f0：幅值交界频率负反馈放大器稳定性的判断方法3基于开环增益的判断方法①在第一个极点处引入反馈，γφ(105)=135°②在第二个极点处引入反馈，γφ(105)=45°③在第三个极点处引入反馈，γφ(105)=-45°作图：20lg(1/β)稳定！8集成运放的典型应用集成运算放大器简称运放，是目前最广泛使用的线性集成电路OperationalAmplifier，缩写为op-amp运放内部含有很多电阻、电容和半导体器件,但分析时可看作单一器件使用时更关注从外部来看运放如何工作集成运放参数及其理想化条件实际电压型运放参数：差模增益一般在100dB以上共模抑制比一般在100dB以上输入电阻一般在MΩ及以上输出电阻一般为Ω级带宽极低失调和漂移很低理想运算放大器的条件：无限大差模开环增益无限大共模抑制比或零共模增益无限大输入阻抗零输出阻抗无限大带宽零失调和零漂移理想运放的等效电路模型和传输特性曲线图实际运放建模线性放大区非线性区非线性区集成运放的线性应用线性应用基本组态：同相和反相组态线性应用电路加减法电路仪用放大器积分和微分电路线性区工作的理想运放特点

——虚短∵输入电阻——虚断

有限值1集成运放线性基本运算电路反相组态电路结构参数分析反相组态的增益①②③0

④⑤⑥虚地“虚短”“虚断”反相组态增益+0V-反相组态的输入电阻根据输入电阻的定义，可推导反相组态的Ri：虚地ii反相组态的输出电阻反相组态小结电压增益输入电阻输出电阻Q：该电路符合理想电压放大器要求？电路设计在取值上有什么地方需要特别注意的？集成运放线性基本运算电路同相组态电路结构参数分析同相组态的增益①②③④0⑤⑥同相组态增益同相组态的输入电阻同相组态的输出电阻同相组态小结电压增益输入电阻输出电阻电压跟随器——同相组态的特例2基于理想运放的加减法电路求和电路求差电路反相求和电路同相求和电路求差电路(减法电路)差分放大器设计故可以令一般取，，则最终表达式为差分放大器设计该电路的输入电阻为该电路的输出电阻为0微弱信号检测与处理传感器送出的待处理信号往往是很微弱的埋藏于各种干扰之中放大的同时需要滤除干扰仪用运算放大器2015年：第一次测到的引力波传感器测出的波动顶多只有10-21数量级3仪用运算放大器(三运放电路)两级放大器级联对共模信号(干扰)的抑制对差模信号的放大近乎理想的输入输出电阻本质上也是差分放大器2R1R2R2R3R3R4R4A2A1A3

vovi2vi1vi1vi2vo1vo2A1：A2：

且仪用运算放大器的增益仪用运算放大器的增益仪用放大器小结增益输入电阻→∞输出电阻→04积分电路和微分电路积分本质上是求和过程微分是确定函数瞬时变化率的过程信号处理模块中重要的单元电路理想积分电路假设电容的初始电压为

又，因此如果输入信号中有直流分量会发生什么情况？理想积分电路若vi中有直流信号，当t→∞时，vo会达到饱和电压值。失去积分功能！！改进的积分电路——米勒积分器增加一个大电阻RF高频时电阻影响小或无影响低频时提供电容器放电通路，减小积分器的直流增益A+-RvivoCRF积分电路的应用对左图所示的积分器，采用如由图所示的方波激励，在t

=

0时，电容的初始电压为0，运放的电源为±10V，试画出输出电压vo的波形。积分电路的应用当时，

A+-RviCvo10kΩ

5nF积分电路的应用

积分电路的应用积分电路也可以用于实现波形变换微分电路微分电路除了可作微分运算外，还可以实现波形转换，比如将三角波转换为矩形波。实际应用中为减少高频噪声，常在电容器前串联一个小电阻。A+-vivoi1i2RC例9.2

在自动控制系统中，常采用如图所示的PID(Propotional

IntegtalDifferential，比例-积分-微分)调节器，试推导该电路输入与输出的关系式。解：由“虚短”和“虚断”可得：其中

5有源滤波器5有源滤波器a.基本滤波器响应(1)低通滤波器通带BW上限截止频率fc过渡区阻带1.基本滤波器响应(1)低通滤波器通带，截止频率fc，过渡区，阻带滤波器使用的极点数越多，滤波器响应的过渡区将越陡(2)高通滤波器极大衰减频率低于fc的信号，并让频率高于fc的信号通过(2)高通滤波器极大衰减频率低于fc的信号，并让频率高于fc的信号通过滤波器使用的极点数越多，滤波器响应的过渡区将越陡(3)带通滤波器带宽：中心频率：品质因数：阻尼系数：(4)带阻滤波器也称陷波滤波器、频带抑制滤波器带宽：中心频率：品质因数：阻尼系数：例9.5语音信号的频率范围为300