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第6章集成运算放大电路 6 1多级放大电路 实际应用中 放大电路的输入信号通常很微弱 毫伏或微伏数量级 为了使放大后的信号能够驱动负载 仅仅通过单管放大电路进行信号放大 很难达到实际要求 常常需要选择多个基本放大电路并将它们合理连接构成多级放大电路 以满足多方面性能的要求 多级放大电路中的每一个基本放大电路叫做一 级 而级与级之间的连接方式则叫做 耦合方式 6 1 1多级放大电路的耦合方式 常见耦合方式 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合等 1 阻容耦合 它是指各单级放大电路之间通过隔直耦合电容连接 图6 1 1所示为阻容耦合两级放大电路 图6 1 1阻容耦合两级放大电路 阻容耦合多级放大电路具有以下特点 1 各级放大电路的静态工作点相互独立 互不影响 利于放大器的设计 调试和维修 2 低频特性差 不适合放大直流及缓慢变化的信号 只能传递具有一定频率的交流信号 3 阻容耦合电路具有体积小 重量轻的优点 分立元件电路中应用较多 但在集成电路中 不易制作大容量的电容 因此阻容耦合放大电路不便于做成集成电路 2 直接耦合 它是指各级放大电路之间通过导线直接相连接 图6 1 2所示为直接耦合两级放大电路 前级的输出信号uo1 直接作为后一级的输入信号ui2 图6 1 2直接耦合两级放大电路 直接耦合电路的特点 1 各级放大电路的静态工作点相互影响 不利于电路的设计 调试和维修 2 频率特性好 可以放大直流 交流以及缓慢变化的信号 3 电路中无大的耦合电容 便于集成化 3 变压器耦合 它是指各级放大电路之间通过变压器耦合传递信号 图6 1 3所示为变压器耦合放大电路 通过变压器T1把前级的输出信号uo1 耦合传送到后级 作为后一级的输入信号ui2 变压器T2将第二级的输出信号耦合传递给负载RL 图6 1 3变压器耦合放大电路 变压器具有隔离直流 通交流的特性 因此变压器耦合放大电路具有如下特点 1 各级的静态工作点相互独立 互不影响 利于放大器的设计 调试和维修 2 同阻容耦合一样 变压器耦合低频特性差 不适合放大直流及缓慢变化的信号 只能传递具有一定频率的交流信号 3 可以实现电压 电流和阻抗的变换 容易获得较大的输出功率 4 变压器耦合电路体积和重量较大 不便于做成集成电路 6 1 2多级放大电路的动态分析 1 放大倍数的计算 Au1 Au2 Aun 考虑级与级之间的相互影响 计算各级电压放大倍数时 应把后级的输入电阻作为前级的负载处理 2 输入和输出电阻的计算 多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻 多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻 如图所示的两级电压放大电路 已知 1 2 50 T1和T2均为3DG8D RB1 C1 C2 RE1 RC2 C3 CE 24V T1 T2 1M 27k 82k 43k 7 5k 510 10k o u 1 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 2 求放大电路的输入电阻和输出电阻 例6 1 1 i u 1 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 第一级放大电路为射极输出器 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 o U 其中 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 o U 第二级放大电路为共发射极放大电路 总电压放大倍数 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 o U 2 计算ri和r0 由微变等效电路可知 放大电路的输入电阻ri等于第一级的输入电阻ri1 第一级是射极输出器 它的输入电阻ri1与负载有关 而射极输出器的负载即是第二级输入电阻ri2 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 o U 6 1 3多级放大电路的构成 实际应用中 可以根据对输入电阻 输出电阻 放大倍数 频带等方面的要求 选择几个基本放大电路 并把它们合理连接 组成多级放大电路 例如 共集电路因输入电阻大 常作为多级放大电路的输入级以减小放大电路从信号源索取的电流 使其获得尽可能大的输入电压 因输出电阻小 常作为多级放大电路的输出级 以增强带负载能力 而共射电路放大能力强 常作为多级放大电路的中间级 以获得足够大的电压放大倍数 6 1 4多级放大电路的频率响应 1 多级放大电路频率响应的分析 1 多级放大电路的幅频响应为各单级幅频响应的叠加 在多级放大电路中 有电压放大倍数 对数幅频特性表达式为 2 多级放大电路的相频响应为各单级相频响应的叠加 1 2 3 3 多级放大电路的通频带 图6 1 4所示为两级阻容耦合放大电路的幅频响应 其中假设每一级放大电路具有相同的幅频响应 图6 1 4两级放大电路的幅频响应 多级放大电路的下限频率高于组成它的任一单级放大电路的下限频率 而上限频率则低于组成它的任一单级放大电路的上限频率 通频带窄于组成它的任一单级放大电路的通频带 结论 6 2集成运算放大电路简介 6 2 1集成运放的电路特点 它体积小 性能却很好 2 按功能分类 数字集成和模拟集成电路 3 常用模拟集成电路 发展最早 应用最广的是集成运算放大电路 简称集成运放或运放 还有宽频带放大器 功率放大器 模拟乘法器 模拟锁相环 模数和数模转换器等及其他模拟电路 1 集成电路 把整个电路中的元件都制作在一块半导体基片上 构成特定功能的电子电路 4 运放的主要特点 1 因半导体硅片上不能制作大电容 故集成运放均采用直接耦合方式 2 大电阻用有源元件代替 大电容外接 3 二极管一般用三极管的发射结代替 B C极接在一起 4 高增益 高输入电阻 低输出电阻 1 运放的符号 6 2 2集成运放的方框图 uP为同相输入端 uN为反相输入端 uO为输出端 对地 Aod为差模开环放大倍数 当运放工作在线性区时 有 uO Aod uP uN 2 运放的外形 输入级 采用差分放大电路 大大减少温漂 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 输出级 又称为功放级 多采用互补输出级电路 带负载能力强 镜像电流源或微电流源 给各级电路提供一个合适的静态电流 从而提供稳定的Q点 偏置电路 3 运放的方框图 6 3差分放大电路 6 3 1直接耦合放大电路的零点漂移现象 零点漂移现象 uI 0 uO 0的现象 产生原因 温度变化 直流电源波动 器件老化 其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因 故也称零漂为温漂 克服温漂的方法 输入级采用差分放大电路 6 3 2基本差分放大电路 1 电路组成及其静态分析 一 电路组成 静态时uI1 uI2 0 忽略RB上的电压降 二 静态分析 温度T IC IE 2IC VE UBE IB IC 2 RE的作用 设uI1 uI2 0 RE具有强负反馈作用 抑制温度漂移 稳定静态工作点 三 动态分析 1 输入信号分类 1 差模 differentialmode 输入 uI1 uI2 ud 2 uI1 uI2 uC 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数 2 共模 commonmode 输入 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 2 uI2 uC ud 2 例 uI1 20mV uI2 10mV 则 ud 10mV uc 15mV 差模分量 2 差模输入 RE对差模信号作用 uI1 uI2 iB1 iC1 iB2 iC2 iC1 iC2 iRE iE1 iE2 0 uRE 0 RE对差模信号不起作用 差模信号通路 T1单边微变等效电路 1 放大倍数 单边差模放大倍数 即 总的差模电压放大倍数为 差模电压放大倍数 uod ui1 RC T1 RB RC T2 RB ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 uod1 uod2 E 若差分电路带负载RL 接在C1与C2之间 对于差模信号而言 RL中点电位为0 所以放大倍数 以上所求差模电压放大倍数为双端输入 双端输出 双端输入 单端输出时 2 输入输出电阻 E RC ib rbe ib ib rbe ib RC ud RB RB uo 输入电阻 输出电阻 单端输出时 双端输出时 3 共模输入 VCC uOC RC T1 RB RC T2 RB RE VEE uOC1 iC2 iC1 iRE uRE uOC2 RE对共模信号起作用 称之为共模负反馈电阻 uC iC1 iC2 iRE uRE RE越大 负反馈作用越强 共模信号通路 因为iRE 2ie1 所以共模通路如下 双端输出的共模电压增益为 实际上 要达到电路完全对称是不可能的 但即使这样 这种电路抑制共模信号的能力还是很强的 单端输出的共模电压增益为 RE大 Ac1小 抑制共模信号的能力强 根据叠加原理 在差分电路中 温度的变化等会引起两管集电极电流 集电极电压的变化 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号 由于电路特殊的结构 能对有用的差模信号进行放大 对共模信号具有抑制作用 从而抑制了零点漂移 因为Ad较大 Ac较小 差分放大电路对差模信号具有放大能力 对共模信号具有抑制能力 共模抑制比 Common ModeRejectionRatio 的定义 KCMRR KCMRR dB 分贝 电路结构 6 3 3具有恒流源的差分放大电路 T3 放大区 uO uI1 RC T1 RB RC T2 RB iB2 iB1 iC2 iC1 uI2 A VCC IC3 R2 T3 R1 R3 VEE 静态分析 主要分析T3管 VB3 VE3 IE3 IC3 1M B AB两端的交流电阻 康华光第五版P316 恒流源的交流电阻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 理想的恒流源的交流电阻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 差分电路的几种接法 双端输入双端输出 Ad Ad1 双端输入单端输出 从C1端输出 理想情况下 单端输入与双端输入效果是一样的 ud ui uc 0 ud ui uc 0 5ui 单端输出 6 4功率放大电路 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 6 4 1功率放大电路概述 1 功率放大电路的特点 1 输出功率Po尽可能大 2 功放电路中电流 电压都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM U BR CEO PCM 3 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 4 电源提供的能量尽可能转换给负载 减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Pom 负载上得到的交流信号功率 PV 电源提供的直流功率 5 功放管散热和保护问题 2 晶体管的几种工作状态 甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大 波形好 管耗大效率低 乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通 静态IC 0 波形严重失真 管耗小效率高 甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期 静态IC 0 一般功放常采用 几种工作状态 在几种工作状态中 正弦信号整个周期内的三极管导通情况如下 乙类 导通角等于180 甲类 一个周期内均导通 甲乙类 导通角大于180 如何解决效率低的问题 办法 降低Q点 既降低Q点又不会引起截止失真的办法 采用推挽式电路 或互补对称电路 缺点 但又会引起截止失真 甲类工作状态 乙类工作状态 6 4 2OCL电路 动态分析 ui 0V时 T1截止 T2导通 ui 0V时 T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 T1 T2只在半个周期内工作 称为互补对称电路 静态分析 ui 0V T1 T2均不工作 uo 0V 1 电路组成及工作原理 由两个性能对称的NPN型和PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成 2 消除交越失真的OCL电路 死区电压 交越失真 输入信号ui在过零前后 输出信号出现的失真便为交越失真 乙类放大的交越失真 克服交越失真的措施 静态时 T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 动态时 设ui加入正弦信号 正半周T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 而T2基极电位升高则由导通变为截止 负半周与此相反 电路中增加R1 D1 D2 R2支路 T1 T2工作均超过半个周期 处于甲乙类工作状态 为更好地和T1 T2两发射结电位配合 克服交越失真 电路中的D1 D2两二极管可以用UBE倍增电路替代 UBE倍增电路 合理选择R3 R4大小 B1 B2间便可得到UBE任意倍数的电压 图中B1 B2分别接T1 T2的基极 假设I IB 则 增加复合管的目的是 扩大电流的驱动能力 复合管的构成方式 方式一 3 复合管 1 2 NPN NPN NPN PNP PNP PNP NPN PNP NPN PNP NPN PNP 4 准互补输出级 T1 电压推动级 T2 R2 R3 UBE倍增电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成的输出级 准互补 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 5 互补电路的输出功率及效率 求解输出功率和效率的方法 然后求出电源的平均功率 效率 1 输出功率 在已知RL的情况下 先求出Uom 则 2 效率 6 功放管的选择 PT对UOM求导 并令其为0 可得 在输出功率最大时 因管压降最小 故管子损耗不大 输出功率最小时 因集电极电流最小 故管子损耗也不大 管子功耗与输出电压峰值的关系为 因此 选择晶体管时 其极限参数 将UOM代入PT的表达式 可得 6 4 3其他类型的功率放大电路 1 OTL电路 输入电压的正半周 VCC T1 C RL 地C充电 输入电压的负半周 C的 T2 地 RL C C放电 C足够大 才能保证输出电压的波形正负对称 其最大输出功率 效率等参数求取只需将OCL电路中的对应式 VCC用VCC 2替代即可 可消除交越失真的OTL甲乙类互补电路如下 2 BTL电路 输入电压的正半周 VCC T1 RL T4 地 输入电压的负半周 VCC T2 RL T3 地 是双端输入 双端输出形式 输入信号 负载电阻均无接地点 管子多 损耗大 使效率低 6 5集成运放中的电流源 6 5 1基本电流源电路 1 镜像电流源 镜像电流源 其中 基准电流是稳定的 故输出电流也是稳定的 IC2和IR是镜像关系 2 微电流源 微电流源电路 接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源 适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中 IC2远小于IREF 当R取几k 时 IREF为mA量级 而IC2可降至 A量级的微电流源 且IC2的稳定性也比IREF的稳定性好 晶体管发射极电流与b e间电压关系为 则 由两只管子的特性完全相同 3 比例电流源 在镜象电流源电路的基础上 增加两个发射极电阻 使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系 即可构成比例电流源 因两三极管基极对地电位相等 6 5 2多路电流源 当 较大时 由于各管的 UBE相同 当IREF确定后 改变各Re的阻值 就能获得不同比例的输出电流 通过一个基准电流源IREF稳定多个三极管的工作点电流IC1 IC2 即可构成多路电流源 6 5 3改进型电流源 由于有T3存在 IB3比镜象电流源的2IB小 1 倍 因此IC2和IR更加接近 6 5 4以电流源作为有源负载的放大电路 1 有源负载共射放大电路 T2和T3组成的镜像电流源一方面为T1管提供静态电流 另一方面作为有源负载 静态分析 动态分析 交流等效电路如下 2 有源负载差分放大电路 T3和T4组成的镜像电流源作为差分放大电路有源负载 静态分析 动态分析 有差模输入信号时 6 6集成运放原理电路 输入级 中间级 输出级 通用型集成运算放大器741简化电路 判断同相输入端和反相输入端 共集 共基组合差分电路 V5 V6 有源负载 构成双端变单端电路 中间级 V7 V8 复合管 共发射极 具有高增益 输出级 甲乙类互补对称功率放大电路 OCL V11 V13 输入级 V1 V3和V2 V4 6 7集成运放的主要技术指标和集成运放的种类 6 7 1集成运放的主要技术指标 1 开环差模电压放大倍数Aod 运放在无外加反馈条件下 输出电压的变化量与输入电压的变化量之比 2 差模输入电阻rid 输入差模信号时 运放的输入电阻 3 共模抑制比KCMR 是差模电压增益Aod与共模电压增益Aoc之比 常用分贝数来表示 KCMR 20lg Aod Aoc dB 4 最大共模输入电压Uicmax 5 最大差模输入电压Uidmax 6 输入偏置电流IIB 7 输入失调电流IIO和输入失调电压UIO 8 输入失调电流温漂dIIO dT和输入失调电压温漂dUIO dT 还有上限截止频率fH