《电子技术及应用 第2版》 课件 张静之第3、4章 功率放大和场效应管放大、集成运算放大电路

主编：张静之电子技术及应用

第2版第三章功率放大和场效应管放大电路电子技术及应用

第2版主要内容

通过本章节的学习可以达到：1、理解功率放大器的分类；2、理解无输出电容（OCL）功率放大器的工作原理，掌握电路的分析方法；3、理解无输出变压器（OTL）功率放大器的工作原理，掌握电路的分析方法；4、了解绝缘栅场效应晶体管的结构，理解绝缘栅场效应晶体管的结构的工作原理，能够正确运用管子的参数；5、理解场效应管放大电路的连接方式，掌握场效应管放大电路的静态和动态分析方法。教学导航3.3场效应管放大电路3.1功率放大电路的概述3.2绝缘栅场效应晶体管电子技术及应用

第2版第三章功率放大和场效应管放大电路

1、在实际应用的电子电路中，有很多的大功率负载，如：扬声器、伺服电机、指示表头、记录器等，这就要求放大电路的输出要有足够大的功率；3.1功率放大电路3.1.1功率放大电路的要求

2、功率放大器简称功放，是要求给负载提供足够大功率的不失真的输出信号去驱动负载，并能高效率地实现能量转换的放大电路；

3、功率放大器一般设置在多级放大电路的最后一级，又称输出级；

4、功率放大器通常工作于大电压、大电流状态，管子的损耗功率和发热都会很严重，所以在使用时不仅要选用大功率三极管，而且要按照规定要求加装散热装置。电子技术及应用

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如图3-1所示，按照静态工作点设置位置不同，可以将功率放大器的工作状态可以分为甲类、乙类和甲乙类放大等形式。

3.1功率放大电路3.1.2功率放大电路的分类图3-1不同类型功放的静态工作点设置电子技术及应用

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甲类工作状态的静态工作点Q处于晶体管的放大区内，基本选在负载线的中点，如图3-1a所示。其优点是非线性失真小，缺点是整个周期内晶体管中都有电流流过，管耗大，在理想情况下功放管的效率也仅仅是50％，除了对保真度要求非常高的场合外已经很少应用。

3.1功率放大电路3.1.2功率放大电路的分类

如图3-1b所示为乙类工作状态，它是将静态工作点设置在放大区和截止区的交界处静态时电流为零,管耗低，效率高。从图3-1b中可以看出，在乙类工作状态下，输出信号只有输入信号的半个周期，另外半个周期被截止了。因此在实际应用中，往往选用两个不同管型的晶体管，在输入信号的正、负半周交替导通，然后在负载上合成一个完整的输出信号，称为乙类互补对称功率放大电路。

如图3-1c所示为甲乙类工作状态。在此状态下，功放管的静态工作点的位置设置低于甲类，高于乙类，静态时ICQ稍大于零，管耗不大，效率高。

电子技术及应用

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1、乙类双电源互补对称OCL电路的工作原理3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路

在如图3-2所示的电路中，晶体管VT1是NPN管型，晶体管VT1是PNP管型，两只管子的性能参数完全相同，均接成共集电极状态。电路由双电源供电（+UCC和-UEE），无输出电容，所以又称为OCL电路。图3-2乙类双电源互补对称OCL电路图3-3乙类双电源互补对称OCL电路的输出特性电子技术及应用

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1、乙类双电源互补对称OCL电路的工作原理3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路图3-2乙类双电源互补对称OCL电路图3-3乙类双电源互补对称OCL电路的输出特性图3-2乙类双电源互补对称OCL电路图3-3乙类双电源互补对称OCL电路的输出特性电子技术及应用

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1、乙类双电源互补对称OCL电路的工作原理3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路图3-2乙类双电源互补对称OCL电路图3-3乙类双电源互补对称OCL电路的输出特性电子技术及应用

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2、电路的参数分析3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路图3-3乙类双电源互补对称OCL电路的输出特性（1）最大输出功率电子技术及应用

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2、电路的参数分析3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路（2）管耗由此可得：电子技术及应用

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2、电路的参数分析3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路（3）直流电源供给的功率当输入信号足够大时:（4）效率电子技术及应用

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3、甲乙类双电源互补对称OCL电路3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路

在乙类双电源互补对称OCL电路中，由于没有直流偏置，当输入信号电压小于VT1和VT2的死区电压时，两只晶体管均处于截止状态，只有当输入信号电压大于死区电压时，VT1和VT2才能导通。由此可见，在乙类工作状态下，两只晶体管轮流导通衔接不好，会使输出信号在正弦波在过零点时产生了严重的失真现象，这种失真就称为交越失真，如图3-4所示。图3-4乙类工作状态交越失真电子技术及应用

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3、甲乙类双电源互补对称OCL电路3.1功率放大电路3.1.3双电源互补对称功率放大电路

从交越失真产生的原因可知，只要能够解决晶体管“死区”影响，就能克服交越失真。通常给晶体管VT1和VT2的发射结加上较小的正向偏置电压，使静态时晶体管VT1和VT2都工作在微导通的状态，即电路工作在甲乙类状态，如图3-5所示。图3-5甲乙类双电源互补对称OCL电路电子技术及应用

第2版3.1功率放大电路3.1.4单电源互补对称功率放大电路

双电源互补对称功率放大电路采用双电源供电，在使用和维护上有许多不便之处，为了克服这个缺点，可采用单电源供电的互补对称电路，这种电路的输出端不连接变压器，通过电容C与负载RL耦合，又称为OTL电路。如图3-6a所示为乙类工作状态单电源互补对称OTL放大电路。（a）（b）图3-6单电源互补对称OTL放大电路电子技术及应用

第2版3.1功率放大电路3.1.4单电源互补对称功率放大电路（b）图3-6单电源互补对称OTL放大电路电子技术及应用

第2版3.1功率放大电路3.1.4单电源互补对称功率放大电路（b）图3-6单电源互补对称OTL放大电路电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.1绝缘栅场效应晶体管的结构

场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。场效应管按照其结构可分为两大类：结型场效应管（JunctionFieldEffectTransistor）和绝缘栅场效应管（InsulatedGateFieldEffectTransistor）。

绝缘栅场效应晶体管按照其导电类型的不同，分为N沟道和P沟道，它们的工作原理相同，只是电源极性相反而已，每种结构的场效应管又可分为增强型和耗尽型两种。电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.1绝缘栅场效应晶体管的结构

（a）（b）图3-7N沟道增强型MOS管结构及图形符号电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.2绝缘栅场效应晶体管工作原理

图3-8N沟道增强型场效应管的工作过程1、增强型场效应晶体管工作原理电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.2绝缘栅场效应晶体管工作原理（a）(b)图3-9N沟道增强型场效应管的特性曲线电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.2绝缘栅场效应晶体管工作原理（a）(b)图3-10N沟道耗尽型绝缘栅场效应管工作原理和图形符号2、耗尽型场效应管工作原理电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.2绝缘栅场效应晶体管工作原理（a）(b)图3-12P沟道耗尽型和增强型绝缘栅场效应管的图形符号（a）(b)图3-11N沟道耗尽型场效应管转移特性曲线和输出特性曲线电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.3绝缘栅场效应晶体管主要参数电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.3绝缘栅场效应晶体管主要参数电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.4绝缘栅场效应晶体管特点和注意事项

1、特点（1）场效应管是电压控制器件，它通过栅源电压来控制漏极电流；

（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻（107～1015Ω）很大。（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；

（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于晶体管组成放大电路的电压放大系数；（5）场效应管的抗辐射能力强；（6）由于它不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。电子技术及应用

第2版3.2绝缘栅场效应晶体管3.2.4绝缘栅场效应晶体管特点和注意事项2、使用注意事项

（1）绝缘栅场效应管的输入电阻很高，栅极上很容易积累较高的静电电压将绝缘层击穿，在保存场效应管时应将它的3个电极短接起来，栅极禁止悬空；

（2）在电路中，栅、源极间应有固定电阻或稳压管并联，以保证有一定的直流通道；

（3）在进行绝缘栅场效应晶体管焊接时，应使电烙铁外壳良好接地，最好能够断电后在焊接。电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.1场效应管放大电路的三种接法

由场效应管构成的放大电路必须建立合适的静态工作点，以使场效应管工作在线性放大区。场效应管是电压控制器件，它的偏置电路只需栅极偏压，不需栅极偏流，其转移特性体现了栅极电压对漏极电流的控制作用。电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.1场效应管放大电路的三种接法

场效应管组成放大电路时也有三种组态，即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以N沟道结型场效应管为例，如图a所示为共源放大电路交流通路；如图b所示为共漏放大电路交流通路；如图c所示为共栅放大电路交流通路。场效应管放大电路的三种组态电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.2场效应管放大电路静态分析电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.2场效应管放大电路静态分析1、自给偏压电路图3-13自给偏压共源极放大电路电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.2场效应管放大电路静态分析2、分压式偏置电路图3-14分压式偏置共源极放大电路电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析1、MOS管的微变等效模型图3-15MOS管及其微变等效模型电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析2、利用微变等效电路计算参数

把MOS管用其微变等效模型代替，作出放大电路的微变等效电路，就可以计算放大电路的性能指标，下面以图3-14为例说明计算过程。图3-14分压式偏置共源极放大电路图3-16图3-14的微变等效电路电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析2、利用微变等效电路计算参数如图3-16所示所以电压放大倍数为：电路的输入电阻为：图3-16图3-14的微变等效电路电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析图3-17源极输出器

图3-17是源极输出器的电路，它与晶体管构成的射极输出器一样，具有电压放大倍数小于1但接近1，输入电阻高和输出电阻低的特点。电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析解：（1）由图可知

因此，静态工作点可由下列方程组求得解之得或者

由此得：电子技术及应用

第2版3.3场效应管放大电路3.3.3场效应管放大电路动态分析(2)电压放大倍数为:输入电阻为:输出电阻为：电子技术及应用

第2版主编：张静之电子技术及应用

第2版第四章集成运算放大器主要内容

通过本章节的学习可以达到：1、理解零点漂移的现象；掌握差动放大电路的工作原理及放大作用；2、理解集成运算放大器的基本组成，掌握理想集成运算放大器的特性；3、掌握集成运算放大器在线性区的基本运算电路；

4、理解集成运算放大器非线性应用；电子技术及应用

第2版教学导航第四章集成运算放大器4.1差动放大电路4.2集成运算放大器4.3集成运算放大的线性应用4.4集成运算放大构成的比较电路电子技术及应用

第2版

在实际的电子线路中，经常采用直接耦合的放大电路来传递一些变化缓慢的信号和直流信号，直接耦合也存在这一些问题。首先，直接耦合方式前后级之间静态工作点相互影响；其次，直接耦合电路存在零点漂移的问题。4.1差动放大电路4.1.1差动放大电路的结构

零点漂移是指当输入信号为零时，在放大器的输出端出现缓慢而无规则的电压波动。这主要是由于晶体管的参数受温度影响较大，或者电源电压不稳定等因素造成的。差动放大电路也称差分放大电路，能够有效的抑制零点漂移。电子技术及应用

第2版（a）（b）图4-1基本差动放大电路

如图4-1a所示是基本差动放大电路的原理图。图中，晶体管VT1和VT2是两个特性相同的晶体管，由发射极电阻RE耦合成对称的共射极电路，左右两边RC相等；电路由正负电源（+UCC和-UEE）供电，且UCC=UEE；电路具有两个输入端，输入信号从两个基极与地之间输入；两个输出端，输出信号从两个集电极输出，所以又称为双端输入双端输出。4.1.1差动放大电路的结构4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版（b）图4-1基本差动放大电路4.1.2双端输入双端输出差动放大电路的静态分析4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版图4-2共模信号输入时的交流通路4.1.3双端输入双端输出差动放大电路的动态分析1、共模信号输入及共模放大倍数4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版图4-3差模信号输入时的交流通路4.1.3双端输入双端输出差动放大电路的动态分析2、差模信号输入和差模放大倍数4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.3双端输入双端输出差动放大电路的动态分析3、双端输入双端输出差动放大电路的共模抑制比4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.3双端输入双端输出差动放大电路的动态分析4、双端输入双端输出差动放大电路的差模输入电阻和差模输出电阻图4-4差模输入电阻的计算

如图4-4所示，双端输入双端输出差动放大电路差模输入电阻的定义为：经推导可得，双端输入双端输出差动放大电路的差模输出电阻为：4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.3双端输入双端输出差动放大电路的动态分析5、比较信号（a）（b）图4-5比较输入时的交流通路及输入信号等效变换或4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.4差动放大电路其他输入方式的动态分析（a）（b）图4-6单端输入双端输出差动放大电路的交流通路及信号变换

差动放大电路除了双端输入双端输出方式外，还可以采用双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出三种工作状态。1、单端输入双端输出4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.4差动放大电路其他输入方式的动态分析（a）（b）图4-7基本差动放大电路双端输入单端输出的交流通路及信号变换2、双端输入单端输出

如图4-7a所示为双端输入单端输出差动放大电路的交流通路电路，设电路的输入信号是一对比较输入信号，将信号分解成共模信号与差模信号线性叠加的等效变换电路如图4-7b所示。输出电阻为：4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.1.4差动放大电路其他输入方式的动态分析（3）单端输入单端输出

在单端输入单端输出差动放大电路分析时，先将输入端的输入信号分解成一对差模信号和一对共模信号，然后再进行性能指标的分析，就可以得出相应的结论了，请读者自行分析不再赘述。4.1差动放大电路电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.1集成运算放大器的基本结构

图4-8是典型集成运放的原理框图，它主要由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个主要环节构成。图4-8集成运算放大器原理框图

输入级通常采用差动放大电路，它有同相和反相两个输入端。要求其输入电阻高，抑制干扰，减小零点漂移。它是集成运算放大器性能的关键环节。

中间级主要是完成电压放大任务，要求有较高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。

输出级的作用是驱动负载，要求其输出电阻低，带负载能力抢，能够提供一定的功率，一般采用互补对称的功率放大器。

偏置电路是为上述各级电路提供稳定、合理的偏置电流，使各级电路有合适的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.2集成运算放大器的主要参数

集成运放的参数是评价其性能好坏的主要指标，是正确选择和使用各种不同类型的集成运放的依据，常用的参数如下：电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.3理想集成运算放大器的特性

1、理想集成运算放大器的符号和特点图4-9集成运算放大器的符号电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.3理想集成运算放大器的特性

2、电压传输特性（a）（b）4-10运算放大器的电压传输特性电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.3理想集成运算放大器的特性

3、运算放大器的重要特性

理想运算放大器同相输入端与反相输入端电位相等称为“虚短”。电子技术及应用

第2版4.2集成运算放大器简介4.2.3理想集成运算放大器的特性

3、运算放大器的重要特性

（2）如果集成运算放大器处于开环状态或者引入了正反馈时，集成运放就工作在非线性区，此时微小的输入电压变化都会使运算放大器的输出电压达到饱和，即：电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.1集成运算放大器的比例运算电路1、反相比例运算电路

将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路，包括反向比例运算电路和同相比例运算电路。图4-11反相比例运算电路就构成了一个反相器，即：若：则：且：即：可得：或：电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.1集成运算放大器的比例运算电路2．同相比例运算电路（a）（b）图4-12同相比例运算电路和电压跟随器由于运算放大器的虚短和虚断可得出：可得：

整理得：或：

电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.2集成运算放大器的加法运算电路1、反相输入加法运算电路图4-13反相输入加法运算电路且：

可得：又因为：

因为：可得：整理得：当：则：电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.2集成运算放大器的加法运算电路2、同相输入加法运算电路图4-14同相输入加法运算电路同相输入端电压满足关系式：

该电路运放的反相输入端电压为：当：则：

由同相输入加法运算电路的推导过程可以看出，该电路的电阻阻值调整比较麻烦，实际使用中不如反相输入加法运算电路方便。电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.3集成运算放大器的减法运算电路图4-15减法运算电路当：则：由图4-15可得：所以从上列式可得出：当：则：电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.3集成运算放大器的减法运算电路例4-1电路如图4-16所示为有运算放大器构成的两级电路，试求输出电压图4-16例3-1电路图电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.4集成运算放大器的积分和微分运算电路1、积分运算电路（a）（b）图4-17积分运算电路根据电路可知:电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.4集成运算放大器的积分和微分运算电路图4-18例4-2积分电路图4-19例4-2输入和输出波形输出电压的波形如图4-19b所示。电子技术及应用

第2版4.3集成运算放大器的线性应用4.3.4集成运算放大器的积分和微分运算