《电子技术基础》课件1课题三

第3章多级放大电路及集成运算放大器3.1多级放大电路3.2

差动式放大电路3.3功率放大电路3.4集成运算放大器简介

在实际的电子设备中，为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求，一个放大电路往往由多级组成。多级放大电路由输入级、中间级及输出级组成，如图3.1所示。于是，可以分别考虑输入级如何与信号源配合，输出级如何满足负载的要求，中间级如何保证放大倍数足够大。各级放大电路可以针对自己的任务来满足技术指标的要求，本章只讨论由输入级到输出级组成的多级小信号放大电路。3.1多级放大电路

图3.1多级放大电路框图3.1.1级间耦合方式

1.阻容耦合阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后级连接起来。这个电容器称为耦合电容，如图3.2所示。第一级的输出信号通过电容器C2和第二级的输入端相连接。

图3.2阻容耦合两级放大电路

(a)电路;

(b)直流通路

阻容耦合的优点是：前级和后级直流通路彼此隔开，每一级的静态工件点相互独立，互不影响。便于分析和设计电路。因此，阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应用。阻容耦合的缺点是：信号在通过耦合电容加到下一级时会大幅衰减，对直流信号（或变化缓慢的信号）很难传输。在集成电路里制造大电容很困难，不利于集成化。所以，阻容耦合只适用于分立元件组成的电路。

2.变压器耦合

变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来，这种耦合方式称为变压器耦合，如图3.3所示。将V1的输出信号经过变压器T1送到V2的基极和发射极之间。V2的输出信号经T2耦合到负载RL上。Rb11、Rb12和Rb21、Rb22分别为V1管和V2管的偏置电阻，Cb2是Rb21和Rb22的旁路电容，用于防止信号被偏置电阻所衰减。

图3.3变压器耦合两级放大电路

变压器耦合的优点是：由于变压器不能传输直流信号，且有隔直作用，因此各级静态工作点相互独立，互不影响。变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗、电压、电流变换。变压器耦合的缺点是：体积大、笨重等，不能实现集成化应用。

3.直接耦合

直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式，这种耦合方式称为直接耦合，如图3.4所示。直接耦合所用元件少，体积小，低频特性好，便于集成化。直接耦合的缺点是：由于失去隔离作用，使前级和后级的直流通路相通，静态电位相互牵制，使得各级静态工作点相互影响。另外还存在着零点漂移现象。现讨论如下：（1）静态工作点相互牵制。如图3.4所示，不论V1管集电极电位在耦合前有多高，接入第二级后，被V2管的基极钳制在0.7V左右，致使V2管处于临界饱和状态，导致整个电路无法正常工作。

图3.4直接耦合放大电路

(2)零点漂移现象。由于温度变化等原因，使放大电路在输入信号为零时输出信号不为零的现象称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是由于温度变化而引起的。因而，零点漂移的大小主要由温度所决定。

3.1.2耦合对信号传输的影响

1.信号源和输入级之间的关系

信号源接放大电路的输入级，输入级的输入电阻就是它的负载，因此可归结为信号源与负载的关系。如图3.5所示，放大电路的输入电压和输入电流可用下面两式计算：(3—1)(3—2)

图3.5信号源内阻、放大电路输入电阻对输入信号的影响(a)信号源内阻降低输入电压;(b)信号源内阻降低输入电流

2.各级间关系中间级级间的相互关系归结为：前级的输出信号为后级的信号源，其输出电阻为信号源内阻，后级的输入电阻为前级的负载电阻。如图3.6所示,第二级的输入电阻为第一级的负载，第三级的输入电阻为第二级的负载，依次类推。图3.6多级放大器级间关系

1）多级放大电路电压放大倍数因为3.多级放大电路的动态分析

所以总的电压放大倍数为

(3-3)即总的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积。

2）多级放大电路的输入、输出电阻多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，其输出电阻就是最后一级的输出电阻，如图3.6所示。

例3.1电路如图3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50,C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，求：(1)电压放大倍数；(2)输入电阻、输出电阻。解

(1)电压放大倍数

在工程上电压放大倍数常用分贝表示，折算公式为上题用分贝可表示为(2）输入电阻、输出电阻3.1.3放大电路的频率特性在实际应用中，放大器所放大的信号并非单一频率，例如，语言、音乐信号的频率范围在20～20000Hz，图像信号的频率范围在0～6MHz，还有其它范围。所以，要求放大电路对信号频率范围内的所有频率都具有相同的放大效果，输出才能不失真地重显输入信号。实际电路中存在的电容、电感元件及三极管本身的结电容效应，对交流信号都具有一定的影响。所以，对不同频率具有不同的放大效果。因这种原因所产生的失真称为频率失真。

1.幅频特性共射极放大电路的幅频特性如图3.7所示。从幅频特性曲线上可以看出，在一个较宽的频率范围内，曲线平坦，这个频率范围称为中频区。在中频区之外的低频区和高频区，放大倍数都要下降。引起低频区放大倍数下降的原因是由于耦合电容C1、C2及Ce的容抗随频率下降而增大所引起。图3.7共射极放大电路的幅频特性(a)电路；

(b)幅频特性

高频区放大倍数的下降原因是由于三极管结电容和杂散电容的容抗随频率增加而减小所引起。结电容通常为几十到几百皮法，杂散电容也不大，因而频率不高时可视为开路。在高频时输入的电流被分流，使得IC减小，输出电压降低，导致高频区电压增益下降，如图3.8所示。

图

3.8高频通路

2.通频带

把放大倍数Aum下降到时对应的频率称为下限频率fL和上限频率fH，夹在上限频率和下限频率之间的频率范围称为通频带fBW。(3—4)

两级放大电路的幅频特性如图3.9所示。由图可见，多级放大电路虽然提高了中频区的放大倍数，但通频带变窄了，这是一个重要的概念。图3.9两级放大电路的通频带

3.2差动放大电路3.2.1差动放大电路的组成图3.10所示为典型差动放大电路，它由两个完全相同的单管共射极电路组成。差动式放大电路有两个输入端，两个输出端，要求电路对称，即V1、V2的特性相同，外接电阻对称相等，各元件的温度特性相同。输出信号从两个集电极输出，这种方式称为双端输出；VE

称为共发射极电阻，可使静态工作点稳定。图3.10典型差动放大

Uo=Uo1–Uo2=0

当温度变化时，两个单管放大电路的工作点都要发生变动，因而产生漂移ΔUo1和ΔUo2，但是，由于电路是对称的，所以ΔUo1=ΔUo2，差动放大电路的输出漂移ΔUod=ΔUo1－ΔUo2=0，,即消除了零点漂移。

3.2.2差动放大电路的工作原理

1.抑制零点漂移的原理

静态时Ui1=Ui2=0，由于电路左右对称，输入信号为零时,输出电压为

2.输入信号分析

（1）共模输入。在差动式放大电路的两个输入端加上一对大小相等极性相同的信号，即Ｕi1

=Ｕi2，这种输入方式称为共模输入。共模输入信号用Ｕic表示。共模输入时的输出电压Ｕoc1=Ｕoc2=AuＵicＵoc=Ｕoc1－Ｕoc2＝０共模电压放大倍数

（３－8）

（2）差模输入。当加在两个输入端之间的输入信号Uid被输入端对地的电阻分压，它们各分得Uid的一半，但极性相反。即

这相当于在两个输入端加上一对大小相等极性相反的信号，这样的信号称为差模信号。差模输入信号用Ｕid表示。因两侧电路对称，故放大倍数相等，则

V1管的输出电压

Uo1=AuUi1

V2管的输出电压

Uo2=Au

Ui2

差模输出电压

Uod=

Uo1－Uo2=Au（Ui1－Ui2）

=AuUid

差模电压放大倍数

可见，差模电压放大倍数等于单管共射极放大电路的电压放大倍数。

（3—5）

由于Rb>>rbe，如果接上RL，则式中

由于两管对称，RL电位不变，相当于交流的地电位，对于单管来说负载是RL的一半，即。输入电阻为

ri=2（Rs+rbe）（3—6）

因此输入回路经过两个管的发射极和两个Rs，则输出电阻为

ro=2Rc

（3—7）

因此输出端经过两个Rc。从上述分析可以看出，差动式放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零点漂移的抑制的能力。

(3—9)3.差动放大电路的功能在理想状态下，即电路完全对称时差动式放大电路对共模信号有完全的抑制作用。实际电路中，差动式放大电路不可能做到绝对对称，这时Ｕoc≠0，Auc≠0，即共模输出电压不等于零，共模电压放大倍数不等于零。为了衡量差动式电路对共模信号的抑制能力，将Aud与Auc之比称为共模抑制比，用KCMRR表示，即

由上式可以看出，KCMRR越大，差动式放大电路放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）的能力越强，即KCMRR越大越好。理想差动式电路的共模抑制比KCMRR→∞。后面我们将讨论如何提高共模抑制比。由于KCMRR＝|Ad/Ac|,即在保证Aud不变的情况下，如何降低Ac，从而提高KCMRR。3.2.3差动放大电路的计算一般情况下,电路不可能做到绝对对称,因此,两个单管放大电路的输出电压漂移不可能完全抵消,不能抵消的部分即为差动式放大电路的输出漂移。图3.10所示的原理电路中,两个单管放大电路的工作点都未加以稳定,输出漂移都比较大,所以,差动式放大电路零漂电压比较大，只有减小每个单管放大电路的输出电压漂移,才能有效地减小差动式放大电路的输出电压漂移,改进电路如图3.11所示,就是在图3.10所示电路的基础上增加了射极电阻Re和负电源ＵEE。

图3·11

带Re的差动式放大电路

例如当温度上升时，两个三极管射极电流同时增大，流过射极电阻Re的电流增加，射极电位升高，使两管发射结压降同时减小，基极电流也都减小，从而阻止了两管集电极电流随温度升高而增大。这就稳定了两个单管放大电路的工作点，使其输出电压漂移减小，也就是减小了差动式放大电路的零点漂移。而在差模信号输入时，由于两个单管放大电路的输入信号大小相等而极性相反，若输入信号使一个三极管射极电流增加多少，则必然会使另一个三极管射极电流减小多少。因此，流过射极电阻的电流保持不变，使射极电位恒定，射极电阻Re对差模信号而言相当于短路，并不影向差模电压放大倍数。由于零点漂移等效于共模输入，所以，射极电阻Re对于共模信号有很强的抑制能力。

射极电阻Re越大，对于零点漂移和共模信号的抑制作用越显著。但Re越大，产生的直流压降就越大。为了补偿Rb上的直流压降，使射极基本保持零电位，故增加负电源ＵEE，此时，基极电流Ｉb可由ＵEE提供，图3.10中的Rb1、Rb２可以省去。当Re选得较大时，维持正常工作电流所需的负电源将很高，例如，若选Re=100kΩ，则维持1mA射极电流所需的负电源ＵEE竞高达200V，显然是不可取的。为了解决这个问题，可以采用恒流源电路代替射极电阻Re，其电路如图3.12（ａ）所示。图中Ｖ3管采用分压式偏置电路，无论Ｖ1、Ｖ2管有无信号输入，Ib3恒定，IC3恒定，所以Ｖ3管称为恒流管。恒流源的静态电阻Ｕ/Ｉ很小，所以不需要太大的ＵEE就可以得到合适的工作电流。

在图3.12中，ＩC3＝IE3，由于ＩC3恒定，故IE3恒定，则ΔIE0,这时动态电阻rd为

恒流源对动态信号呈现高达几兆欧的电阻，rd相当于Re，所以，对差模电压放大倍数Aud无影响。对共模信号有很强的抑制能力，使Auc→0，这时KCMRR→∞。实现了在不增加负电源UEE的同时，提高了共模抑制比的目的。恒流源电路可用恒流源图形符号表示，如图３.12所示。

图3.12

具有恒流源的差动式放大电路（ａ）恒流源差放电路；（ｂ）图形符号

3.2.5差动式放大电路的输入和输出方式差动式放大电路有两个输入端和两个输出端,除了前面讨论的是双端输入双端输出式电路以外,还经常采用单端输入方式和单端输出方式。共有四种输入输出方式的差动式放大电路，如图3.13所示。其中，图（a）为双端输入双端输出方式，图（b）为双端输入单端输出方式，图（c）为单端输入双端输出方式，图（d）为单端输入单端输出方式。

图3.13差动式放大电的输入和输出方式双端输入双端输出;

（b）双端输入单端输出;（c）单端输入双端输出;单端输入单端输出3.3功率放大电路

3.3.1功率放大电路的特点及分类

1.特点（1）输出功率足够大。（2）效率高。（3）非线性失真小。

(4)保护及散热。

2.功率放大器的分类功率放大器一般是根据功放管工作点选择的不同进行分类的。有甲类、乙类及甲乙类功率放大器。当静态工作点Q设在负载线性段的中点，整个信号周期内都有电流IC通过时，如图3.14（a）所示，称为甲类功放。若将静态工作点Q设在横轴上，则IC仅在半个信号周期内通过，其输出波形被削掉一半，如图3.14（b）所示，称为乙类功放。若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止区，则其IC的流通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉一部分。如图3.14（c）所示，称为甲乙类功放。图3.14功率放大器的分类（a）

甲类功放;（b）

乙类功放;（c）

甲乙类功放

3.3.2乙类互补对称功放

1.电路组成及工作原理选用两个特性接近的管子，使之都工作在乙类状态。一个在正弦信号的正半周工作，另一个在负半周工作，便可得到一个完整的正弦波形。图3.15乙类互补对称电路2.分析计算由于在正常互补对称功率放大电路中，V1、V2管交替对称各工作半周，因此，分析V1、V2管工作的半周情况，可推知整个放大器的电压、电流波形。现以V1管工作的半周情况为例进行分析。当ui=0时，iB1=iB=0，iC1=iC=0，uCE1=uCE=UCC。电路工作在Q点，如图3.16所示，当ui≠0时，交流负载线的斜率为-1/Rc。因此，过Q点作斜率为-1/RL′的直线即为交流负载线。如输入信号ui足够大，则可求出Ic的最大幅值Icm和Uce的最大幅值Ucem=UCC-Uces=IcmRL≈UCC。根据以上分析，可求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率Po、管耗PV、直流电源供给的功率PU和效率η。图3·16ui为正半周时的工作情况

（1）输出功率Po。输出功率用输出电压有效值和输出电流有效值的乘积来表示。设输出电压的幅值为Uom，则因为

即(2）管耗PV。设uo=Uomsinωt时，则V1管的管耗为两管管耗

（3）直流供给功率PU。直流电源供给的功率包括负载得到的功率和V1、V2管消耗的功率两部分。当ui=0时：当ui≠0时：则（4）效率η。当Uom≈UCC时：

由于Uom≈UCC忽略了管子的饱和压降Uces，所以实际效率比这个数值要低一些。

3.3.3甲乙类互补对称电路乙类互补对称电路效率比较高，但由于三极管的输入特性存在有死区，而形成交越失真。采用甲乙类互补对称电路(如图3.17所示)，可以克服交越失真问题。其原理是静态时，在V1、V2管上产生的压降为V3、V4管提供了一个适当的正偏电压，使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时iC1=iC2，io=0，Uo=0。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使ui很小，也基本上可线性放大。图3.17二极管偏置互补对称电路

但上述偏置方法的偏置电压不易调整，而在图3.18所示电路中，设流入V4管的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则可求出Uce4=UBE4（R1+R2）/R2。因此，利用V4管的UBE4基本为一固定值（0.6~0.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变V1、V2管的偏压值。这种方法常称为UBE扩大电路，在集成电路中经常用到。图3.18扩大电路

3.3.4采用复合管的互补对称功率放大电路

1.复合管在功率放大电路中，如果负载电阻较小，并要求得到较大的功率，则电路必须为负载提供很大的电流。如RL=4Ω，额定功率PN=16W，则由PN=I2RL可得负载电流有效值为2A，若管子的β=20，则基极电流IB=100mA。一般很难从前级获得这样大的电流，因此需设法进行电流放大。通常在电路中采用复合管。

所谓复合管就是把两只或两只以上的三极管适当地连接起来等效成一只三极管。连接时，应遵守两条规则：①在串联点，必须保证电流的连续性；②在并接点，必须保证总电流为两个管子电流的代数和。复合管的连接形式共有四种，如图3.19所示。图3.19复合管的四种连接形式

观察图3.19可知：

(1)复合管的极性取决于推动级。即V1为NPN型，则复合管就为NPN型。

(2)输出功率的大小取决于输出管V2。

(3)若V1和V2管的电流放大系数为β1、β2，则复合管的电流放大系数β≈β1·β2。

2.复合管互补对称功率放大电路

利用图3.19（a）、（b）形式的复合管代替图3.25中的V１和V２管，就构成了采用复合管的互补对称输出级，如图3.20所示。它可以降低对前级推动电流的要求，不过其直接为负载RL提供电流的两个末级对管V3、V4的类型截然不同。在大功率情况下，两者很难选配到完全对称。图3.21则与之不同，其两个末级对管是同一类型，因此比较容易配对。这种电路被称为准互补对称电路。电路中Re1、Re2的作用是使V3和V２管能有一个合适的静态工作点。图3.20复合管互补对称电路

图3.21准互补对称电路

3.3.5集成功率放大电路

1.ＯＴＬ互补对称功率放大电路图3.22为一典型OTL功率放大电路。由运算放大器Ａ组成前置放大电路，对输入信号进行放大，Ｖ１～Ｖ７组成互补对称电路，其中，Ｖ4和Ｖ6组成NPN型复合管，V5和V7组成PNP型复合管。V1、V2和V3为两复合管基极提供偏置电压，R7、R8用于减小复合管的穿透电流，稳定电路静态工作点，因此，R7、R8也称为泄放电阻。Ｖ4集电极所接电阻R6是Ｖ4、V5管的平衡电阻。R9、R10分别是Ｖ6、V7的发射极电阻，用以稳定静态工作点，减小非线性失真，还具有过流保护作用。R11和R1构成电压并联负反馈电路，用来稳定电路的电压放大倍数，提高电路的带负载能力。图3.22集成运放驱动的ＯＴＬ功率放大器

该电路工作原理简述如下：静态时，由R4、R5、V1、V2、V3提供偏置电压使V4～V7微到通，且ie6=ie7，中点电位为UCC/2，uo

=0V。当输入信号ui为负半周时，经集成运放对输入信号进行放大，使互补对称管基极电位升高,推动V4、Ｖ6管导通，V5、V7管趋于截止，ie6自上而下流经负载，输出电压uo为正半周。当输入信号ui为正半周时，由运放对输入信号进行放大，使互补对称管基极电位降低，V4、Ｖ6管趋于截止，V5、V7管依靠C2上的存储电压（UCC/2）进一步导通，ie7自下而上流经负载,输出电压uo为负半周。这样，就在负载上得到了一个完整的正弦电压波形。

2.OCL互补对称功率放大电路图3.23是一种集成运放驱动的实际OCL功率放大器。集成运算放大器主要起前置电压放大作用。V4～V7组成OCL互补对称电路，其中，Ｖ4和Ｖ6组成NPN型复合管，V5和V7组成PNP型复合管。V1、V2和V3为两个复合管基极提供偏置电压。R3、R1和C2构成电压串联负反馈电路，用来稳定电路的电压放大倍数，提高电路的带负载能力。该电路的工作过程与前面讨论的OTL基本相同。

图3.23集成运放驱动的OCL功率放大器

3.3.6功率放大器应用中的几个问题

1.功放管散热问题功率放大器的工作电压、电流都很大。功放管一般工作在极限状态下，所以在给负载输出功率的同时，功放管也要消耗部分功率，使管子升温发热，致使晶体管损坏。为此，应注意功放管的散热措施，通常是给功放管加装由铜、铝等导热性良好的金属材料制成的散热片，由于功放管管壳很小，温升的热量主要通过散热片传送。

2.功放管的二次击穿问题

图3.24所示为晶体管击穿特性曲线。AB段为一次击穿，是由于Uce过大引起的雪崩击穿，是可逆的，当外加电压减小或消失后管子可恢复原状。若在一次击穿后，iC继续增大，管子将进入二次击穿BC段，二次击穿是不可逆的，致使管子毁坏。防止功放管二次击穿的主要措施为：①改善管子散热情况，使其工作在安全区；②应用时避免电源剧烈波动，输入信号突然大幅度增加，负载开路或短路等，以免出现过压、过流；③在负载两端并联二极管和电容，以防止负载的感性引起功放管过压或过流。在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬时过压。图3.24晶体管二次击穿曲线3.4集成运算放大器简介3.4.1集成运算放大器件外形图常见的集成运算放大器有圆形、扁平形、双列直插式等,按管脚有8管脚、14管脚等,其外形如图3.25所示。其引线脚号排列顺序标记,一般有色点、凹槽、管键及封装时压出的圆形等。

图3.25集成运放外形结构示意图（ａ）、（b）

圆形结构；（c）、（d）

扁平形双列直插式结构

3.4.2集成运算放大器内部组成原理集成运算放大器内部组成原理框图如图3.26所示。图3.26集成运算放大器内部组成原理框图

1.输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高,为了能减小零点漂移和抑制共摸干扰信号,输入级都采用具有恒流源的差动式放大电路,故也称为差动输入级。

2.中间级中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数，故又称为电压放大级。,要求中间级本身具有较高的电压增益。为了减小前级的影响，还应具有较高的输入电阻。另外，中间级还应向输出级提供较大的驱动电流，并能根据需要实现单端输入、双端差动输出，或双端差动输入、单端输出。

3.输出级数输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较高的输入电阻和较低的输出电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。输出级一般由射级输出器组成，以降低输出电阻，从而提高电路的带负载能力。

4.偏置电路偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。此外，还有一些辅助环节，如电平移动电路，过载保护电路和高频补偿环节等。下面以通用型集成运算放大器μA741作为模拟集成电路的典型例子，其原理电路如图3.27所示。图3.27μA741内部电路

从图3.27可以看出，集成电路内部是很复杂的，但对于使用者来说，重点是要掌握它们的管脚用途和放大器的主要参数，不一定要了解它们的内部结构。从原理图可以看出，这种运放电路有7个端点需要与外电路连接，通过7个管脚引出，各管脚的作用是：

2脚为反相输入端，由此端接入输入信号，则输出信号与输入信号反相；

3脚为同相输入端，由此端接入输入信号，则输出信号与输入信号同相；

6脚为输出端；

4脚为负电源端，接－3V～—18V电源；

7脚为正电源端，接＋3V～＋18V电源；

1脚和5脚为外接调零电位器的两个端子，一般情况，在这两个引脚上接入10kΩ的线绕电位器，即可调零；

8脚为空脚。其管脚排列方式见图3.25。3.4.3集成运放的符号、管脚构成及主要参数

1.集成运放的符号与管脚构成集成运放内部电路随型号的不同而不同，但基本框图相同。集成运放有两个输入端：一个是同相输入端，用“+”表示;另一个是反相输入端，用“-”表示。输出端用“+”表示。若将反相输入端接地，信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信