通信电子电工放大电路

第二章低频基本单元电路及应用2.1集成运算放大器

2.2集成运算放大器的应用

2.3负反馈放大电路

2.4低频功率放大电路

本节主要内容:

着重介绍由集成运放的相关知识。要求：了解集成运算放大器的基本概念及其图形符号和文字符号；了解集成运算放大器的一般概况；熟悉集成运放的主要技术指标、电压传输特性；掌握运用理想运放条件，分析线性集成运放电路的方法；理解“虚断”、“虚短”和“虚地”的概念；2.1集成运算放大器

1.集成电路的外形

早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。圆壳式双列直插式扁平式单列直插式直插式单列扁平式2.集成电路的组成

集成运放内部除了上述三个部分，还接有偏置电路，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。差动输入级中间放大级输出级ui+_u0运放的输入级。利用差动放大电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路

集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：集成运放管脚功能及元器件特点图示为常用μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连

调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋3.集成运放的电路符号组成4.集成运放的基本组成差动输入级中间放大级输出级ui+_u0偏置电路

集成运放的输入级通常采用差动放大电路，输入级又称作前置级，是决定运放性能好坏的关键。直接耦合放大电路需要解决的问题（1）各级静态工作点相互影响，互相牵制直接耦合电路前后级之间存在直流通道，当某一级静态工作点发生变化时，会对后级产生影响，因此需要合理地安排各级的直流电平，使它们之间能够正确配合。(2)存在零点漂移现象

直接耦合的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称为零点漂移，简称零漂或温漂。

为了抑制“零漂”，必须采用相应措施，其中最有效的措施就是采用差动放大电路。uOt0零漂有时会把有用信号淹没5.差动放大电路(1)差模信号和共模信号RC1RC2＋VCC＋u0－Re－VEE－ui2＋＋ui1－＋u02－＋u01－VT1VT2

差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中VT1、VT2是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电压ui1、ui2大小相等、相位相反。①差模信号

差动放大电路这种双端输入方式称为差模输入方式，所加信号称为差模信号，差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号，用uid表示，数值上等于两管输入信号的差值：uid=ui1－ui2②共模信号

温度变化、电源电压波动等引起的零漂电压，折合到放大电路输入端，相当于在放大电路输入端加了“共模信号”，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了“共模信号”。可见，所谓的共模信号对放大电路是一种干扰信号。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。RCRC＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui1－VT1VT2RBRBRL＋ui1－

依靠差动放大电路的完全对称性，使两管的零漂在输出端相抵消。因此，零点漂移被抑制。6.集成运放的主要参数(1)开环电压放大倍数Au0(2)差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0与输入电压U＋和U－之间的关系。闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。(4)最大共模输入电压Uicmax指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(5)共模抑制比KCMRKCMR为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比KCM越大，表明电路抑制共模信号的性能越好。2.2集成运算放大器的应用集成运放的应用电路都是在反相、同相和差动三种输入的基本电路的基础上发展起来的，为此，先引入理想运放的概念。

为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：①开环电压放大倍数Au0=∞②差模输入电阻ri=∞③输出电阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞1.集成运算放大器的理想化条件及传输特性

2.集成运放工作在线性区的特点由可知，理想运放工作在线性区时，输出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。因Au0=∞，所以可导出运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明，即理想运放的两个输入端电位相等。

两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。

又由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。

“虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。3.集成运算放大器的线性应用

在对集成运放应用电路的分析过程中，一般将实质运放视为理想运算放大器来处理，只有在需要研究应用电路的误差时，才会考虑实际运算放大器特性带来的影响。基本电路如图i2由“虚断”可推出：i2=0，故u+“虚地”u+u－根据“虚短”又可推出：u－=u+=0i1if反相输入端虚断，所以可得负号说明输入输出反相有整理后可得输出与输入的比例值（1）反相比例运算电路RFR1RPuoui－＋＋∞由可得电路闭环电压放大倍数该电路中的电阻RP称为平衡电阻，RFR1RPuoui－＋＋∞

R1=10k

,RF=20k,ui=－1V。求:uo

，RP应为多大？例解RFR1RPuoui－＋＋∞（2）同相比例运算电路i2由“虚断”可推出：i2=0，因此u+≈uiu+u－根据“虚短”又可推出：u－=u+≈uii1if由图可知可得故整理后可得输出与输入的比例值

显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，平衡电阻RP=R1//RFRFR1RPuoui－＋＋∞

R1=10k

,RF=20k,ui=－1V。求:uo

，RP应为多大？例解RFR1RPuoui－＋＋∞（3）电压跟随器由“虚断”可推出：i2=0，因此u+≈ui根据“虚短”又可推出：

u－=u+≈ui＝uoi2RPuoui－＋＋∞（4）反相求和电路反相电路存在“虚地”现象，因此因为可得u－=u+=“地”将各电流代入如果取各输入电阻则有若再取则实现了反相求和运算整理上式可得u+u－u0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if－＋＋∞u0RFui1R1ui2R2R3－＋＋∞（5）双端输入减法运算i1if若R2=R3，则因为不存在“虚地”现象所以整理得若R1=RF，则电路可实现输出对输入的减法运算。实现了输出对输入的差分比例运算。根据分压关系可得u+u－集成运算放大器有4种分类方法：按其用途分类可分为两大类：通用型和专用型集成运算放大器。按其供电电源分类可分为两类：双电源集成运算放大器、单电源集成运算放大器。按其制作工艺分类可分为三类：双极型集成运算放大器、单极型集成运算放大器、双极-单极兼容型集成运算放大器。按运放级数分类按单片封装中的运放级数分类，可分为四类：单运放、双运放、三运放、四运放。

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。

通用型运算放大器μA741单运放LM386双运放LM324四运放（2）高阻型运算放大器（3）低温漂型运算放大器（4）高速型运算放大器（5）低功耗型运算放大器（6）高压大功率型运算放大器2.3负反馈放大电路

从放大电路输出回路中取出部分或全部的输出信号，通过适当的途径回送到输入端，对输入信号进行调控的过程称为反馈。基本放大电路A取样Xid叠加X0Xi反馈电路FXF

基本放大电路的输入信号(净输入信号)放大电路输出信号

反馈信号放大电路输入信号反馈放大电路的方框图1.反馈的基本概念（1）反馈的框图放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器开环闭环负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈网络±叠加反馈信号实际被放大信号反馈框图：(2)负反馈框图基本放大电路Ao反馈回路F

+–输出信号输入信号反馈信号差值信号A0为开环放大倍数F为反馈系数设Xf和Xi同相Af为闭环放大倍数

式中称为环路增益，称为反馈深度

①当

时，②当

时，③当

时，基本放大电路输入信号被消弱，反馈形式为负反馈；基本放大电路输入信号被增强，反馈形式为正反馈；基本放大电路即使没有输入信号也会有输出信号，此时放大电路自激

反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能使净输入信号增强的反馈称为正反馈；使净输入信号削弱的反馈称为负反馈。有无反馈的判断

通过寻找电路中有无反馈通路，既可以判断出电路是否引入了反馈。反馈通路将输出回路与输入回路连接的通路2.负反馈的基本类型

引入直流负反馈的作用就是稳定静态工作点；引入交流负反馈的作用：一.使输入电阻提高二.使输出电阻降低三.扩展通频带四.稳定放大电路的电压增益（2）按反馈成份分为：直流反馈，交流反馈

判断时，通常使用极性判断法，反馈使净输入量减弱即为负反馈；反馈若使净输入量增强的则为正反馈。

需要指出的是：放大电路中的反馈都是负反馈，集成运放的线性应用中也都是采用的深度负反馈；而在集成运放的非线性应用中，通常采用开环或是正反馈。（1）反馈性质：正反馈、负反馈

判断电压反馈还是电流反馈的方法：

从输出端入手，令输出电压uo＝0，观察反馈元件上是否还存在反馈量，若反馈量不再存在，则为电压反馈，若反馈量仍然存在时，即为电流反馈。

判断串联反馈还是关联反馈的方法：

从输入端入手，以输入端反馈量与输入端的净输入量是以电流相量求和关系出现，还是以电压相量求和关系出现来判断，前者为并联反馈，后者为串联反馈。或者看反馈信号与输入信号是否接到同一个节点上，是则为并联反馈，否则为串联反馈。

（3）反馈来源：电压反馈和电流反馈（4）反馈信号在输入端的连接方式：并联还是串联假设输出端信号有一定极性的瞬时变化，依次经过反馈、比较、放大后，再回到输出端，若输出信号与原输出信号的变化极性相反，则为负反馈。反之为正反馈。判断时在输入端也要反映出反馈信号与输入信号的比较关系。瞬时极性法3.判断负反馈的方法+-+正反馈++例：判断下列反馈是正反馈还是负反馈？瞬时极性法+-++负反馈（1）交流反馈与直流反馈交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用。Rb1+VCCRcC1C2Rb2CEReRLuiuo由于旁路电容CE的存在，Re只对直流起反馈作用。旁路电容CE☆直流反馈稳定静态工作点增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+VCCuoui+–T1T2RfRE1C增加旁路电容C后，Rf只对直流起反馈作用。C+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1（2）电压反馈与电流反馈（输出端）电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。

根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。☆电压反馈与电流反馈的判断

规律：

若输出信号与反馈信号接在同一个输出端则为电压反馈，反之电流反馈。例：判断下列电路是电压还是电流的反馈组态？电压反馈反馈信号与输出信号接在同一端电流反馈反馈信号与输出信号接在不同端（3）串联反馈与并联反馈（输入端）

根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。串联反馈使电路的输入电阻增大；并联反馈使电路的输入电阻减小。☆串联反馈与并联反馈的判断

规律：若输入信号与反馈信号接在同一个输入端则为并联反馈，反之串联反馈。iifibib=i-if并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈例：判断下列电路的反馈组态串联反馈反馈信号与输入信号接在不同端并联反馈反馈信号与输入信号接在同一端负反馈的分类小结负反馈交流反馈直流反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点电压串联反馈电压并联反馈电流串联反馈电流并联反馈

判断下图所示各电路是电压反馈还是电流反馈。例

左图所示电路解因此是串联负反馈电路；

又因为反馈取自于输出电流，所以是电流反馈。因此是串联负反馈电路。右图所示电路反馈取自于输出电压，因此是电压反馈；又因为+－+++瞬时极性法负反馈电压串联负反馈、交流反馈判断是何种反馈？例：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。电流反馈并联反馈瞬时极性法+--负反馈电流并联负反馈uouiiiBiFuFRE2RfRE1RC1RC2+VCCiE2例：判断如图电路中RE1、RE2的负反馈作用。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+VCCuouiubeieRE2对交流反馈不起作用RE1：电流串联负反馈。4.负反馈对放大电路的影响基本放大电路A反馈回电路F

+–反馈电路的基本方程（1）对放大倍数的影响A开环放大倍数AF闭环放大倍数反馈深度定义：相当于引入负反馈。相当于引入正反馈。相当于输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”。当

AF

>>1时称为深度负反馈，相当于

1+AF

>>1。于是闭环放大倍数:

由此可知，深度负反馈放大电路的放大倍数仅取决于反馈网络的元件参数，不需要求出基本放大器得开环放大倍数。（2）改善波形的失真Aoui加反馈前加反馈后uiudAoF+–

改善！uououfuo（3）对输入、输出电阻的影响①串联负反馈使电路的输入电阻增加：理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。②并联负反馈使电路的输入电阻减小：理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。③电压负反馈使电路的输出电阻减小：理解：电压负反馈目的是阻止

uo的变化，稳定输出电压。理解：电流负反馈目的是阻止

io的变化，稳定输出电流。④电流负反馈使电路的输出电阻增加：为改善性能引入负反馈的一般原则

要稳定直流量——引入直流负反馈

要稳定交流量——引入交流负反馈

要稳定输出电压——引入电压负反馈

要增大输入电阻——引入串联负反馈

要稳定输出电流——引入电流负反馈

要减小输入电阻——引入并联负反馈1.概述2.4低频功率放大电路扩音系统执行机构功率放大器的作用：

用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。

功率放大电压放大信号提取功率放大电路与电压放大电路的主要区别

(1)本质相同电压或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路:主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，只是输出量不同而已。(2)任务不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大,在小信号状态下工作。功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。(3)指标不同电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗。功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。(4)研究方法不同电压放大电路：图解法、等效电路法功率放大电路：图解法2.功率放大电路的特点（1）要求输出功率尽可能的大

最大输出功率Pomax（2）要求效率要高

功率放大电路的输出交流功率是由直流电源功率转换而来的。转换效率负载有用功率直流电源提供的功率另一部分是晶体管的损耗PT，使晶体管发热。因此，功率放大电路的效率和保证管子安全可靠工作就成为必须认真考虑的问题。（3）非线性失真要小

由于功率放大电路的晶体管处于大信号工作状态，信号的作用范围接近晶体管的截止区和饱和区，由于晶体管特性的非线性，将使功率放大电路不可避免地产生较大的失真。因此，对于功率放大电路说，在得到最大输出功率的同时，尽可能的减小它的非线性失真，把它限制在允许的范围之内。（4）晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区如图所示。（5）功放管的散热要好（6）采用图解分析方法

3.功率放大电路的分类

功率放大器的种类很多当输入信号为正弦波时，按晶体管工作状态（导通时间）的不同放大电路可分为甲类、甲乙类和乙类等。①甲类放大器：这种功放在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动。这种功放失真小，但效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用在家庭的高档机较多。②乙类放大器：两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号的半个周期内导通，另半个周期内截止。该类功放效率较高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真。③甲乙类放大器：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点，被广泛应用于家庭、专业、汽车音响系统中。

Q点较高，选在线性放大区的位置电路的特点是：静态电流较大，在输入信号的整个周期内晶体管均导通（即导通角θ=360º）均有集电极电流。放大电路输出信号波形与输出信号波形相似不会产生失真。甲类(

=2

)

tiCO

Icm

2ICQ大a.静态功耗b.能量转换效率低特点c.放大管的导通角θ=2π（1）甲类（2）乙类

Q点低，选在截止区的位置。电路的特点是：静态电流为零，晶体管只有半个周期导通，另半个周期截止（即导通角θ=180º）输出波形只保持半个周期，产生了严重的失真。

tiCO

Icm

2ICQ乙类(

=

)b.能量转换效率高c.输出失真大特点

d.放大管的导通角θ=πa.静态功耗（3）甲乙类

Q点较低，选在靠近截止区的位置。电路的特点是：静态电流较小，晶体管的导通时间大于半个周期且小于一个周期（即θ=180º～360º之间），输出只有半个波形与输入波形相似，另半个波形有严重的截止失真。

tiCO

Icm

ICQ2甲乙类(

<

<2

)a.静态功耗较小b.能量转换效率较高c.输出失真较大特点

d.放大管的导通角

π<θ<2π

第三章总复习1、与一般电压放大器相比，功放电路在性能要求上有什么不同点？从能量控制的观点来看，功率放大器和电压放大器并没有本质上的区别。但是，从完成任务的角度和对电路的要求来看，它们之间有着很大的差别。电压放大电路主要要求它能够向负载提供不失真的放大信号，其主要指标是电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。功率放大器主要考虑获得最大的交流输出功率，而功率是电压与电流的乘积，因此功放电路不但要有足够大的输出电压，而且还应有足够大的输出电流。2、能说出甲类、乙类和甲乙类三种功放电路的特点吗？甲类功放电路的特点是高保真，但效率较低；乙类功放电路效率较高但存在“交越失真”，甲乙类功放电路兼顾了甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点。3、集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？集成电路主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路四部分构成。其中输入级是决定运放性能好坏的关键，要求输入电阻高，差模电压放大倍数大，共模抑制比大，静态电流小，通常由一个高性能的双端输入差动放大器组成。中间放大级是整个集成运放的主放大器，其性能的好坏直接影响运放的放大倍数，主要作用是提高电压增益，通常采用复合管的共发射极电路构成。输出级又称功放级，要求有较小的输出电阻以提高带负载能力，通常采用电压跟随器或互补的电压