第9章 集成放大电路

1、第九章第九章 集成运算放大器集成运算放大器9.2 电流源电路电流源电路9.4 功率放大电路功率放大电路9.5 集成运算放大器集成运算放大器9.3 差分放大电路差分放大电路9.1 集成放大电路概述集成放大电路概述集成集成电路电路集成制造在一块微小的半导体基片上、完成特定功集成制造在一块微小的半导体基片上、完成特定功能的电子电路称为单片集成（能的电子电路称为单片集成（Integrated CircuitIntegrated Circuit，ICIC），半），半导体基片称为晶圆或衬底或芯片。导体基片称为晶圆或衬底或芯片。9.1 9.1 集成放大电路概述集成放大电路概述混合集成电路混合集成电路将单片集

2、成电路和无源元件制作在衬底或印制电将单片集成电路和无源元件制作在衬底或印制电路板上的小型化电子电路路板上的小型化电子电路。单片集成电路分类：单片集成电路分类：按制造工艺分：双极型、单极型和双极单极兼容型集成电路。按制造工艺分：双极型、单极型和双极单极兼容型集成电路。按功能分按功能分：数字数字和和模拟模拟集成电路。集成电路。 模拟模拟集成电路又分为：集成集成电路又分为：集成运算运算放大器，放大器， 集成集成功率功率放大器，放大器， 集成集成比较比较器，器， 集成集成乘法乘法器器 集成集成稳压稳压器。器。本章仅介绍单片集成的本章仅介绍单片集成的运算放大器运算放大器和集成和集成功率放大器功率放大器。

3、1 1具有良好的对称性。具有良好的对称性。由于采用相同的标准工艺，所以容易由于采用相同的标准工艺，所以容易在同一块硅片上制作性能一致的同类有源元件和同类无源元件。在同一块硅片上制作性能一致的同类有源元件和同类无源元件。并且工作温度基本相同，元件的温度特性也一致。并且工作温度基本相同，元件的温度特性也一致。9.1.1 9.1.1 单片集成电路中的元件及特点单片集成电路中的元件及特点主要有以下特点主要有以下特点：（与分立元件比较）2 2电阻和电容的数值有一定限制。电阻和电容的数值有一定限制。3 3用有源元件代替大电阻。用有源元件代替大电阻。由于双极型晶体管（由于双极型晶体管（BJTBJT）和场）和

4、场效应管（效应管（FETFET）占用芯片面积小、性能好，常用这些有源元件构）占用芯片面积小、性能好，常用这些有源元件构成电流源电路，取代大电阻。成电流源电路，取代大电阻。为了提高单位面积的元件数，电阻的阻值限制在数十欧姆到为了提高单位面积的元件数，电阻的阻值限制在数十欧姆到几个千欧之间，电容的容量一般小于几个千欧之间，电容的容量一般小于100pF100pF。电阻电阻是用半导体材料的是用半导体材料的体电阻体电阻，电阻和电容的数值越大，占用的芯片面积也越大。电阻和电容的数值越大，占用的芯片面积也越大。电容电容则是则是PNPN结的结的结电容结电容或或MOSMOS管的管的栅极电容栅极电容。2.对于多级

5、直耦放大电路，最末级的温度漂移最严重。因为前级的温度漂移直接耦合到下一级并将其放大，使后级漂移很大。图9.1.1 集成放大电路组成框图9.1.2 9.1.2 集成放大电路的组成框图集成放大电路的组成框图集成放大电路通常是直接耦合的放大多级电路直接耦合的放大多级电路，如图9.1.1所示。直耦电路的优点：直耦电路的优点：1.可以放大输入信号的直流分量和低频信号；2.电路不包含大电容和大电感，适合集成电路工艺制造。直耦电路的缺点：直耦电路的缺点：1. 静态工作点受信号源内阻和负载的影响，并且随温度变化移动，称为温度漂移漂移。因此，必须使每级放大电路的静态工作点稳定，特别是输入级。使每级放大电路的静态

6、工作点稳定，特别是输入级。9.1.2 9.1.2 集成放大电路的组成框图集成放大电路的组成框图例如，电平移动电平移动电路，调节各级电压的配合，达到输入量为零时输出量也近似为零，使信号源和负载中没有由直流电源引起的直流分量；图9.1.1 集成放大电路组成框图1.1.输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路。此外，还要输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路。此外，还要求输入级的输入电阻大。求输入级的输入电阻大。2.2.中间级主要作电压放大，通常是中间级主要作电压放大，通常是共射放大电路或共源放大电路。共射放大电路或共源放大电路。3.3.输出级要求带负载能力强（输出输出级要求带负载能力强（输出

7、电阻小）。电阻小）。 为了提高电压增益，常采用复合为了提高电压增益，常采用复合管放大，以及电流源作集电极（或管放大，以及电流源作集电极（或漏极）负载（称为漏极）负载（称为有源负载有源负载）。）。典型电路是射极输出器或互补对称电路。典型电路是射极输出器或互补对称电路。此外，集成电路还包含一些辅助电路此外，集成电路还包含一些辅助电路。短路保护电路短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。9.2 电流源电路电流源电路作用：为放大电路提供稳定的偏流、有源负载。作用：为放大电路提供稳定的偏流、有源负载。9.2.1 BJT电流源电流源1.1.微电流源微电流源2.2.镜像电流源镜像电流源3.3.

8、多路电流源多路电流源1.MOS1.MOS管镜像电流源管镜像电流源2.MOS2.MOS管多路电流源管多路电流源9.2.2 EFT9.2.2 EFT电流源电流源电流源：电流源：提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。 可以用可以用BJTBJT或或EFTEFT组成恒流源电路。组成恒流源电路。 I IREFREF称为基准电流称为基准电流。1.镜像电流源镜像电流源（1）电路的构成）电路的构成/2211CREFBREFCIIIIIRVVVIIIIIBEEECCREFREFCCO/2112 设设T T1 1和和T T2 2特性一致（特性一致（1 1=2 2=，I ICEO

9、1CEO1=I=ICEO2CEO2，V VBE1BE1=V=VBE2BE2）。）。 (a) (a) 电路电路 (b) (b) 电路符号电路符号Io（2）工作原理）工作原理 由电路得由电路得V VBE1BE1=V=VBE2BE2 ，所以，所以I IB1B1=I=IB2B2，I IC1C1=I=IC2C2 ，即，即T T1 1和和T T2 2的集电的集电极电流相等，互为镜像。极电流相等，互为镜像。温度补偿作用：温度补偿作用：T(a) (a) 电路电路 (b) (b) 电路符号电路符号Io 即温度升高引起电流源电流的增即温度升高引起电流源电流的增加量被电路的加量被电路的自动补偿自动补偿引起的减少量引

10、起的减少量抵消，输出电流基本不随温度变化。抵消，输出电流基本不随温度变化。021bbii2cettorivr计算输出电阻计算输出电阻r ro o 等效电路如图等效电路如图(c)(c)所示。图中所示。图中左半部分电路无独立信号源，故左半部分电路无独立信号源，故IICC21、IREFVBIBIICC21、ic2it+_Rerce2rbe2 ib2ib2rbe1ib1 ib1vtrce1ro(c) (c) 交流等效电阻计算电路交流等效电阻计算电路b1c2c1b22. 微电流源微电流源（1）电路的构成）电路的构成（2）工作原理）工作原理 利用利用T T1 1和和T T2 2的基射电压差在射极电的基射电

11、压差在射极电阻上产生微电流输出，即阻上产生微电流输出，即eBEBEECORVVIII2122TBETBEVvSVvSEeIeIi/) 1(SETBEIiVvln晶体管的发射结电流方程和电压方程分别为晶体管的发射结电流方程和电压方程分别为 式中，式中，I IS S是发射结反向饱和电流是发射结反向饱和电流，基射电压，基射电压v vBEBEVVT T=26mV=26mV。eBEBEORVVI21=-OREFeTOIIRVIln设设T T1 1和和T T2 2特性一致，则特性一致，则在式中，可先确定在式中，可先确定I IREFREF和和I IO O，然后计算，然后计算R Re e。 在微电流源电路中，

12、在微电流源电路中，R Re e引入负反馈引入负反馈，温度补偿作用比镜像，温度补偿作用比镜像电流源更好。电流源更好。ReOCeTEEeTIIRVIIRV121lnln=)ln(ln=21SESEeTIIIIRV-SETBEIiVvlnREFCII1eBEBEECORVVIII2122+_Rrce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1itvtrce1roRero1ve交流等效电阻计算电路rrrRrbebeceo+1+1/=1111212)1 (ceeobeeorRrrRr计算输出电阻计算输出电阻（略：）（略：）ro1是除T2外基极回路的等效电阻。teobeebebtbobeiRrrRiRiii

13、rr+=)+(=)+(1222212-222222)(+)+(=)(+)+(=bceetceecebtebttirRirRriiRiiv-)(+)+(=2122eceeobeeceettoRrRrrRrRivr-eceRr2，所以 由于上式中，第2项远远大于1，故微电流源的交流等效电阻很大故微电流源的交流等效电阻很大。Re1/2/21/21/21121)/21 (11)/21 (2REFOIIRVVVIIBEEECCREFO223ceorr设T1、T2和T3特性一致，则 威尔逊电流源的输出电阻可按计算镜像电流源输出电阻的方法计算，表达式如下3.3.威尔逊（威尔逊（WilsonWilson）电流

14、源）电流源图9.2.3 威尔逊电流源COII1)/21 (CREFII1)/21 (1 CI1)/21 (CI )21 (CI2REFeCeCeCeCeeBEBECCREFCIRIRIRIRIRRRVVVII11122334411014.4.多路电流源多路电流源: :图9.2.4 多路电流源VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RIREFIC2IC3IC44 , 3 , 2 , 1-11011iRRVVVRRIRRIeBEBECCeieREFeieCi上式说明电流源按射极电阻比例输出上式说明电流源按射极电阻比例输出基本恒定的电流，所以基本恒定的电流，所以也称为多路比列也称为多

15、路比列电流源。电流源。 如果全部射极电阻为零，则是多路镜像电流源。也可以将微电流源和镜像电流源组合成多路电流源。设各管的设各管的 ，vBEBE相同相同图图9.2.4 9.2.4 多路电流源多路电流源V VCCCCI IC1C1T T1 1T T0 0T T2 2T T3 3T T4 4R Re1e1R Re2e2R Re3e3R Re4e4R RI IREFREFI IC2C2I IC3C3I IC4C44 , 3 , 2)1 (1irRrrRrceieiobeieioi001111001+)+1 (+1)+1 (+(/+1+=beebebeorRRRrrRr上式中上式中 同样，可以用同样，可

16、以用PNPPNP管组成电流源，电路形式和原理与管组成电流源，电路形式和原理与NPNNPN管相管相似，不再赘述。似，不再赘述。 每路电流源的输出电阻为（每路电流源的输出电阻为（略略）1011100)+(/+RrrRebebe 在总电源电压大于在总电源电压大于2 2个场效应管的个场效应管的开启电压（开启电压（V VDDDD+V+VSSSS2V2VT T）的情况下，）的情况下，则则T T1 1、T T2 2和和T T3 3工作在恒流区。工作在恒流区。9.2.2 FET9.2.2 FET电流源电流源1 1MOSMOS管镜像电流源管镜像电流源 将将FETFET偏置在恒流状态偏置在恒流状态. .SSDDG

17、SGSDDVVVVII31312321) 1() 1(TGSDOTGSDOVVIVVI2222222) 12() 1(TSSDDDOTGSDODOVVVIVVIII2dsorr 由由MOSMOS管的转移特性方程，得管的转移特性方程，得)(2113SSDDGSGSGSVVVVV所以，所以，)(212SSDDGSGSVVVV再由电路得再由电路得输出电阻等于的输出电阻等于的T T2 2输出电阻，输出电阻，即即由电路，得由电路，得 图图9.2.5 MOS管镜像电流源管镜像电流源I ID1D1I ID3D3设T1、T2和T3的特性一致)+(21=01234SSDDGSGSGSGSGSVVVVVVV4 ,

18、3 ,2 ,1 ,0=)12+(=)1(=22iVVVIVVIITiSSDDDOiTiGSiDOiDi- 与与BJTBJT管一样，也可以用管一样，也可以用NMOSNMOS管组成威尔逊电流源。其电路管组成威尔逊电流源。其电路形式与形式与BJTBJT管威尔逊电流源相似。管威尔逊电流源相似。图图9.2.6 MOS9.2.6 MOS管多路电流源管多路电流源2.MOS2.MOS管多路电流源管多路电流源 同样，可以用同样，可以用PMOSPMOS管组成电流源，电路形式和原理与管组成电流源，电路形式和原理与NMOSNMOS管相似。管相似。设设T T0 0和和T T 1 1的特性一致，则的特性一致，则9.3 差

19、分式放大电路差分式放大电路特点:静态工作点稳定，放大差模信号和抑制共模信号。 通常用作直接耦合多级放大电路的输入级。图9.3.1 共射差分放大电路9.3 1 9.3 1 共射差分放大电路的组成和工作原理共射差分放大电路的组成和工作原理1 1电路组成电路组成 电路从T1和T2的基极输入两个电压信号：vi1，vi2；从T1和T2的集电极输出电压信号：vO=vC1-vC2。这种连接方式称为双端输入双端输出。图中IO是电流源.要求电路参数对称 双端输出电压为零，即双端输出电压为零，即v vO O=V=VC1C1-V-VC2C2=0=0，接入负载对静态工作点没有影响。接入负载对静态工作点没有影响。图图9

20、.3.1 9.3.1 共射差分放大电路共射差分放大电路2 2工作原理工作原理（1 1）静态工作点的稳定性）静态工作点的稳定性即即v vi1i1= =v vi2i2=0=0时，由电路得时，由电路得/=21IIIICBBB21=11IIIIOCCC=21VVVVVonBEEEE-=21IRVVVVCcCCCCC-静态工作点的计算静态工作点的计算 差分放大电路差分放大电路实现了零输入时零输出实现了零输入时零输出，输入输出不含电源引起，输入输出不含电源引起的直流分量的直流分量 即温度引起的集电极电流增加量被即温度引起的集电极电流增加量被电路自动的负反馈引起的减少量抵消，电路自动的负反馈引起的减少量抵消

21、，静态工作点基本不变静态工作点基本不变。IB1和和IB22roICIC1和和IC2 输入特性输入特性TVEVBEIC1和和IC2 当温度升高时，引起集电极电流增加当温度升高时，引起集电极电流增加IIC C。考虑到。考虑到电流源电流源的动态电阻的动态电阻r ro o，下述自动的负反馈过程为真，下述自动的负反馈过程为真图图9.3.1 9.3.1 共射差分放大电路共射差分放大电路图图9.3.2 共射差分放大电路的共模输入共射差分放大电路的共模输入vi1= vicvi2= vic (a) 共模输入共模输入 （b） 交流通路交流通路vi1= vicvi2= vicro 输入输入共模信号共模信号v vi1

22、i1= =v vi2i2= =v vicic时，时，则有下述过程（则有下述过程（图图(b)(b)是交流通是交流通路，路，r ro o是电流源的动态电阻）。是电流源的动态电阻）。输出共模信号输出共模信号v vococ为零，抑制了为零，抑制了共模信号输出。共模信号输出。（2 2）共模信号的抑制）共模信号的抑制021 ccocvvv21 ccvv21 ccii21 bbiiicv 共模信号增加和温度共模信号增加和温度升高对电路的影响相同，升高对电路的影响相同，故共模信号属于无用信号。故共模信号属于无用信号。0)(21oeeeriiv 输入输入差模信号，即差模信号，即v vi1i1=-=-v vi2i

23、2= =v vidid/2/2。在电路参数对称以及。在电路参数对称以及T T1 1和和T T2 2特性一致的情况下，则有下述过程特性一致的情况下，则有下述过程此外，差模信号引起差分管此外，差模信号引起差分管2 2射极电流射极电流交流分量变化趋势相交流分量变化趋势相反反，即，即i ie1e1-i ie2e2，射极电位的射极电位的交流分量交流分量近似近似为零为零。即。即因此，在差模输入信号的交流通路中，因此，在差模输入信号的交流通路中，射极对地等效为虚断和虚射极对地等效为虚断和虚短，对差模输入信号没有反馈。短，对差模输入信号没有反馈。(a) 差模输入差模输入ve0（b） 交流通路交流通路（3 3）

24、差模信号的放大）差模信号的放大10cv1212cccodvvvv 222000ccbvii 10ci 10bi 0idv vvc2c1 bebebididididrrivivR222211cccodRRRR221在在(b)(b)中，因中，因v ve e00，差放电路可，差放电路可分解为分解为2 2个相对独立的共射放大电个相对独立的共射放大电路，称为路，称为差放电路的半电路差放电路的半电路。如图。如图(c)(c)，交流等效电路如，交流等效电路如(d)(d)图。图。3 3动态分析动态分析（1 1）输入差模信号）输入差模信号差模输入电阻差模输入电阻（c)半边交流电路半边交流电路+T1RC1vvo1i

25、1Ic1ve0图图9.3.3 （b） 交流通路交流通路（d) d)双管交流等效电路双管交流等效电路ibberRCicib-+vi2ibberRC-+vi1icib-+o2v+o1v-差模输出电阻差模输出电阻是半电路输入电阻的是半电路输入电阻的2 2倍。倍。同样是半电路输出电阻的同样是半电路输出电阻的2 2倍。倍。becidcidccRidodvdorRvvvvvvvAL222121负载开路的差模电压增益为负载开路的差模电压增益为（d)双管交流等效电路ibberRCicib-+vi2ibberRC-+vi1icib-+o2v+o1v-差模电压增益差模电压增益带负载的差模电压增益为带负载的差模电压

26、增益为（c)半边交流电路半边交流电路+T1RC1vvo1i1Ic1ve0 （b） 交流通路交流通路beLcidcidccidodvdrRRvvvvvvvA)2/(2221210021icicccRicocvcovvvvvvAL0icocvcvvA带载的共模电压增益为带载的共模电压增益为（2 2）输入共模信号）输入共模信号vi1= vicvi2= vicro交流通路负载开路的共模电压增益负载开路的共模电压增益为:21iiidvvv)(2121iiicvvvidicivvv211idicivvv212)(icvdvcidvdicvcidvdocodovAAvAvAvAvvvvcvdCMRAAK)1

27、(icCMRidvdovKvAv对于任意的对于任意的2 2个输入信号个输入信号v vi1 i1和和v vi2 i2，定义差模输入信号和共模输，定义差模输入信号和共模输入信号依次如下：入信号依次如下：则任意的则任意的2 2个输入信号均可表示为个输入信号均可表示为差模信号和共模信号的代数和差模信号和共模信号的代数和由叠加原理，总的输出电压为由叠加原理，总的输出电压为定义共模抑制比为定义共模抑制比为（3 3）同时输入差模信号和共模信号）同时输入差模信号和共模信号)1(icCMRidvdovKvAv即共模信号等效为对差模信号的干扰信号（误差信号），所以即共模信号等效为对差模信号的干扰信号（误差信号），

28、所以希望希望共模抑制比越大越好共模抑制比越大越好。 理想的双端输出理想的双端输出差放电路，差放电路，共模电压增益为零，共模抑制共模电压增益为零，共模抑制比为无穷大比为无穷大，即共模信号对差模信号没有干扰。，即共模信号对差模信号没有干扰。例例9.1 9.1 差分放大电路如图所示。设差分放大电路如图所示。设T T1 1和和T T2 2特性一致，特性一致， 1 1=2 2=3 3=50=50；r rce3ce3=50k=50k，r rz z=100=100，R RL L=50k=50k。（。（1 1）确定电路的静态工作点；（确定电路的静态工作点；（2 2）求电）求电路的动态特性。路的动态特性。mAR

29、VVIIeBEZEC15. 0367 . 06333电流源的电流为电流源的电流为图图9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 图图R RL LR Rb bR Rb b解解 （1）静态分析）静态分析图图9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 图图R RL LR Rb bR Rb bV.VVVVBEEEE70-=-=21kIrrEbebe1817880=075.02651+200=26)+1 (+200=121kIrEbe0 .99040=15.02651+200=26)+1 (+200=33krRrrRrceezbeeo171450)361 . 01836501 ()1 (3333T T1

30、 1、T T2 2和和T T3 3的输入电阻为的输入电阻为由式（由式（9.2.5），），电流源的输出电阻为：电流源的输出电阻为： 075. 021321CCCCIIIIV.IRVVVVCcCCCCC54=0750100-12=-=21（因为此时（因为此时RL中没有电流）中没有电流）krRRbebid56)1810(2)(27 .351810)25/100(50)2/(bebLcvdrRRRAkRRRRcccod2001002221 在交流回路中，在交流回路中，R Rb b与与T T1 1和和T T2 2的输入电阻的输入电阻r rbebe串联，所以用串联，所以用R Rb b+r+rbebe替替代

31、代r rbebe，即即差模输入电阻差模输入电阻为为差模电压增益为差模电压增益为差模输出电阻为差模输出电阻为差分对管的静态电流越小，差模输入电阻越大。差分对管的静态电流越小，差模输入电阻越大。（2 2）动态分析）动态分析图图9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 图图R RL LR Rb bR Rb b由于电路参数对称和双端输出，所以共模电压增益为由于电路参数对称和双端输出，所以共模电压增益为0 0。计算表明：计算表明：差模电压增益远远大于共模电压增益；差模电压增益远远大于共模电压增益；共模输入电阻远远大于差模输入电阻；共模输入电阻远远大于差模输入电阻；共模和差模信号的输出电阻相同；共模和差

32、模信号的输出电阻相同；图图9.3.5 9.3.5 单端输入双端输出方式单端输入双端输出方式RL9.3.2 9.3.2 共射差分放大电路的输入输出方式和动态性能共射差分放大电路的输入输出方式和动态性能双端输入双端输入: : 在两个输入端同时输入电压信号在两个输入端同时输入电压信号（v vi1 i100和和v vi2 i200）.单端输入单端输入: :只在任何一个输入端输入电压信号（只在任何一个输入端输入电压信号（v vi1 i100和和v vi2 i2=0=0） 或者（或者（v vi1 i1=0=0和和v vi2 i200）双端输出双端输出: :负载跨接于两个输出端之间负载跨接于两个输出端之间（

33、浮地负载）（浮地负载）.单端输出单端输出: :负载连接在任何一个负载连接在任何一个输出端与参考电位之间输出端与参考电位之间（接地（接地负载）负载）则称为单端输出。则称为单端输出。输入输出方式分为：输入输出方式分为： 双端输入双端输出，双端输入双端输出， 双端输入单端输出，双端输入单端输出， 单端输入双端输出，单端输入双端输出， 单端输入单端输出。单端输入单端输出。4 4种种v vi1 i100和和v vi2 i2=0=0，负载，负载R RL L跨接于两个集电极之间。跨接于两个集电极之间。图图9.3.5 9.3.5 单端输入双端输出方式单端输入双端输出方式RL1. 1. 单端输入双端输出单端输入

34、双端输出方式的方式的动态性能动态性能输入信号可分解为差模信号（输入信号可分解为差模信号（v vid id = =v vi1 i1）和共模信号（）和共模信号（v vic ic = =v vi1 i1/2/2）。）。 静态工作点的静态工作点的计算计算亦相同亦相同，不再赘述不再赘述动态性能相同动态性能相同单端输入双端输出单端输入双端输出双端输入双端输出双端输入双端输出21iiidvvv)(2121iiicvvv/212122121CBBBCcCCCOCCCBEEEEIIIIIRVVIIIIVVVV)/(1cLCCCcLLCRRIVRRRVccoRRR1 图图9.3.6 9.3.6 双端输入单端输出方

35、式双端输入单端输出方式R RL Lv vi1 i100和和v vi2 i200，负载电阻，负载电阻R RL L接在集电极接在集电极C C1 1和地之间。和地之间。 （但是，（但是，T T1 1的集电极静态电位的集电极静态电位却不同，修正为下式却不同，修正为下式2. 2. 双端输入单端输出双端输入单端输出方式的方式的动态性能动态性能1 1）静态时）静态时，由于，由于T T1 1和和T T2 2的输入回路参数对称，仍有的输入回路参数对称，仍有beLcebbeLcbiddoiddovdrRRvirRRivvvvA2)/()(2)/(2211111 2 2）当输入差模信号时）当输入差模信号时，由于，由

36、于T T1 1和和T T2 2的参数对称，差分对管射的参数对称，差分对管射极电流的变化量极电流的变化量大小相等，符号相反大小相等，符号相反，射极仍然是，射极仍然是虚短和虚断虚短和虚断。bebebididididrrivivR222211ccoRRR1输出电阻为输出电阻为差模电压增益为差模电压增益为单端输出的电压增益近似是双端输出的一半。单端输出的电压增益近似是双端输出的一半。 若若R RL L接在接在C C2 2与地之间（与地之间（输入信号和输出信号不在同一个管子的输入信号和输出信号不在同一个管子的电极上电极上），），则单端输出的差模电压增益表达式中没有则单端输出的差模电压增益表达式中没有“”

37、 ” 。ve09.3.7（a）差模输入信号交流通路RL因此，因此，差模输入电阻差模输入电阻与双端输入双端输出方式与双端输入双端输出方式相同相同，为，为obeLcobbbeLcbiccovcr )(r)R/R(ri )(ir)R/R(ivvA+12+=+12+=111111beobeobevcvdCMRrrrrrAAK)1 (221共模抑制比共模抑制比为为ve09.3.7（a）差模输入信号交流通路交流通路RL由图由图9.3.69.3.6电路，得电路，得共模电压增益共模电压增益为为共模输入电阻共模输入电阻: :与双端输入双端输出方式相同与双端输入双端输出方式相同. .（略略）输出电阻输出电阻仍是仍

38、是: :)1 (221obeicicicrrivRccoRRR13. 单端输入单端输出方式的单端输入单端输出方式的动态性能动态性能输入信号分解为差模信号输入信号分解为差模信号（vid =vi1）和）和共模信号（共模信号（vic =vi1/2）。）。图9.3.5 双端输入单端输出方式RL如图如图vi10和和vi2=0，则是单端输入单端输出电路。，则是单端输入单端输出电路。 综上所述综上所述 （1 1）输入方式仅影响差模输入信）输入方式仅影响差模输入信号和共模输入信号的大小（见式号和共模输入信号的大小（见式（9.3.109.3.10），不影响差分放大电路的性），不影响差分放大电路的性能参数；能参数

39、； （2 2）4 4种方式的输入电阻相同；种方式的输入电阻相同； （3 3）电压增益和输出电阻则与输）电压增益和输出电阻则与输出方式有关；单端输出时，差模增益和出方式有关；单端输出时，差模增益和输出电阻是双端输出的一半。输出电阻是双端输出的一半。 因此，因此，动态性能动态性能与双端输入单端输出的动态性能相同，与双端输入单端输出的动态性能相同， 静态工作点的计算静态工作点的计算亦相同，不再赘述。亦相同，不再赘述。例例9.2 9.2 有源负载共射差放电路如图有源负载共射差放电路如图(a)(a)所示。试求电路的差模电所示。试求电路的差模电压增益、差模输入电阻和输出电阻的表达式。（压增益、差模输入电阻

40、和输出电阻的表达式。（略略）beidbeidbrvrvi2=2=11 解：解：T T1 1和和T T2 2作差放，作差放，T T3 3和和T T4 4是是T T1 1和和T T2 2的有源负载，且的有源负载，且T T3 3和和T T4 4的集的集电极电流互为镜像。电极电流互为镜像。 当差模输入时，当差模输入时，差分对管的发差分对管的发射极交流电位近似为零射极交流电位近似为零。 小信号等效电路如图小信号等效电路如图(b)(b)。IO(a)(a)rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4ib2ib1ib3ib4ib1ib2ib3ib4vid/2+-vid/2+-ve0evo2(b)(b) 由

41、于由于r rbebe远远小于远远小于r rcece，故，故2 2者并者并联可忽略联可忽略r rcece。由图由图(b) (b) 得得12222bbeidbeidbirvrvi443434433=bbbebebbbebbeiirriirir1144331+2=+=bbbbbbbiiiiiiirbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4ib2ib1ib3ib4ib1ib2ib3ib4vid/2+-vid/2+-ve0evo2（b）bececeidovdorrrvvA)/(422负载开路的差模电压增益为负载开路的差模电压增益为idbececececebbcecebbovr)r/r()r/r()i

42、i ()r/r)(ii(v42422142242=-=-= 因此，有源负载因此，有源负载将双端输出转换为单端输出将双端输出转换为单端输出，并保持增益表并保持增益表达式与双端输出相同达式与双端输出相同。此外，。此外，有源负载的交流等效电阻大，可以有源负载的交流等效电阻大，可以有效地提高增益。有效地提高增益。bebididididrivivR222142/ceceorrR 差模输入电阻差模输入电阻为为 当输入信号为零时，当输入信号为零时，i ib1b1= = i ib2b2=0=0，使，使i ib4b4=0=0。所以，。所以，输出电阻较大输出电阻较大。rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce

43、4ib2ib1ib3ib4ib1ib2ib3ib4vid/2+-vid/2+-ve0evo2（b）输出电阻输出电阻图图9.3.9 9.3.9 共射差分放大电路共射差分放大电路OEECCIiiii2121TBEBETBETBEVvvVvSVvSEECCeeIeIiiii/ )(/21212121 当输入信号当输入信号大范围变化大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特时，不能用小信号模型分析晶体管的特性。而是利用晶体管的性。而是利用晶体管的电流方程电流方程推导输出电压与输入电压的函数关推导输出电压与输入电压的函数关系，即传输特性。系，即传输特性。由由BJTBJT发射结的电流方程发射结的电流方程

44、, ,并考虑到并考虑到T T1 1和和T T2 2特性一致，得特性一致，得OVvvVvvCOVvvCIeeiIeiTBEBETBEBETBEBE/ )(/ )(1/ )(2212121111 所以，所以，9.3 3 9.3 3 共射差分放大电路的共射差分放大电路的电压传输特性电压传输特性( (略讲略讲) )由电路，得由电路，得图图9.3.9 9.3.9 共射差分放大电路共射差分放大电路OcVvvVvvVvvVvvOcVvvVvvCCcCcCCCcCCCCOIReeeeIReeiiRiRViRVvvvTBEBETBEBETBEBETBEBETBEBETBEBE2/ )(2/ )(2/ )(2/

45、)(/ )(/ )(21212121212121212111)()(TBEBEOcOVvvthIRv22112112)2()!2(11)2()!12(122nnTidmmTidTidOcTidOcOVvnVvmVvIRVvthIRv再由电路，得再由电路，得 当输入共模信号时，当输入共模信号时，vBE1BE1= = vBE2BE2。vO O= =0 0，即抑制共模信号。，即抑制共模信号。th(x)th(x)是非线性的双曲正切函数。是非线性的双曲正切函数。 当输入差模信号时，当输入差模信号时，v vBE1BE1-v -vBE2BE2= = v vid id。由上式，得。由上式，得时，当2TidVv

46、41222TidVvmVmVVvTid1322622iC vCE Q 0ICEO0RRTcTc+R+RTsTs。当忽略管壳至周围环境的热阻时，可求出。当忽略管壳至周围环境的热阻时，可求出散热回路的总热阻散热回路的总热阻P PC C是管芯耗散功率是管芯耗散功率( (热源热源) )，R RTjTj是管芯至管壳的热阻（可从手册中查出），是管芯至管壳的热阻（可从手册中查出），R RTaTa是管芯至环境的热阻，是管芯至环境的热阻，R RTcTc是管壳至散热片的热阻（与有否垫片、接触面积、紧固程度是管壳至散热片的热阻（与有否垫片、接触面积、紧固程度等有关），等有关），例例9.39.3 某功放电路中采用某功

47、放电路中采用3DD1003DD100低频大功率管，由晶体管手低频大功率管，由晶体管手册查出，最大允许功耗册查出，最大允许功耗P PCMCM=20W=20W，最高允许结温，最高允许结温T TjMjM=178=1780 0C C，R RTjTj=3=30 0C/WC/W，若要求环境温度为，若要求环境温度为40400 0C C，R RTcTc=1=10 0C/WC/W，试问应选用，试问应选用热阻为多大的散热片？热阻为多大的散热片？WCWCPTTRCMajMT/75. 6=20)40175(=-=00-R RTsTs=R=RT T -R -RTjTj-R-RTcTc= =（6.75-3-16.75-3

48、-1）0 0C/W=2.75C/W=2.750 0C/WC/W由式（由式（9.4.169.4.16）得散热片的热阻为）得散热片的热阻为应选用热阻小于应选用热阻小于2.752.750 0C/WC/W的散热片。的散热片。解：解：由式由式9.4.15 9.4.15 可得总热阻为可得总热阻为RTTPTajMCR- 由于集成运放通常不直接驱动终端负载，故不必像由于集成运放通常不直接驱动终端负载，故不必像集成功率放大器那样输出较大功率，但要求输出电阻小，集成功率放大器那样输出较大功率，但要求输出电阻小，增益和输入电阻大，频率特性好。增益和输入电阻大，频率特性好。9.5 9.5 集成运算放大器（集成运算放大

49、器（略讲略讲） 利用运放的高增益和对其引入的反馈，极易组成利用运放的高增益和对其引入的反馈，极易组成各种模拟信号处理电路各种模拟信号处理电路，故由此而得名。，故由此而得名。 分类：有双极型、单极型及双极单极兼容型产品。分类：有双极型、单极型及双极单极兼容型产品。 集成放大器的符号和外形集成放大器的符号和外形运算放大器外形图运算放大器外形图PNO_vi1vovi2+(a)+ (a) 国家标准符号 (b)原符号(旧符号) (b)vo+_vi1vi2+A 运放由电流源偏置电路、差分输入级、中间放大级和互补输出运放由电流源偏置电路、差分输入级、中间放大级和互补输出级组成，如图中的分块虚线所示。级组成，

50、如图中的分块虚线所示。图9.5.1 集成运算放大器LM741电路原理图9.5.1 9.5.1 双极型集成运算放大器双极型集成运算放大器LM741LM741mARVVVVIBEBEEECCR73. 0397 . 07 . 030)(51112mAIIRC73. 013101061033310410ln22. 7101154. 01073. 0ln1031026lnCCCCRTCIIIIIRVIAIIICCC281098由电路，得基准电流由电路，得基准电流PNPPNP管管T T1212和和T T1313组成镜像电流源。由（组成镜像电流源。由（9.2.19.2.1）式，得）式，得NPNNPN管管T

51、T1010和和T T1111组成为微电流源。由（组成为微电流源。由（9.2.49.2.4）式，得）式，得AAIC281028610解为解为PNPPNP管管T T8 8和和T T9 9组成镜像电流源。由（组成镜像电流源。由（9.2.19.2.1）式，得）式，得电流源偏置电路电流源偏置电路图图9.5.2 9.5.2 输入级交流通路输入级交流通路 NPN NPN管管T T1 1和和T T2 2组成共集差分放大电路，组成共集差分放大电路，T T8 8是电流源，射极双端是电流源，射极双端输出；输出；PNPPNP管管T T3 3和和T T4 4组成共基差分放大电路，组成共基差分放大电路，T T5 5、T

52、T6 6和和T T7 7以及以及R R1 1、R R2 2和和R R3 3组成有源负载，实现双端输出到单端输出的转换。组成有源负载，实现双端输出到单端输出的转换。1)1 ( 24422bebeidrrR2. 2. 差分放大输入级差分放大输入级 由于输入级静态电流很小，由于输入级静态电流很小，r rbebe较大，较大，使差模输入电阻可达使差模输入电阻可达2M2M。 差模信号时输入级的交流通路如图差模信号时输入级的交流通路如图9.5.29.5.2所示，所示，R Ri2 i2是中间级的输入电阻。是中间级的输入电阻。电路是一个电路是一个共集共基组合共集共基组合差分放大电差分放大电路。路。 T T1 1

53、、T T2 2、T T3 3、T T4 4 、T T5 5和和T T6 6的静态电流的静态电流近似近似等于等于T T8 8静态电流的一半静态电流的一半，即，即14A14A。差模输入电阻是半电路输入电阻的差模输入电阻是半电路输入电阻的2 2倍，即倍，即 差模电压增益等于半电路的电压增益。考虑到差模电压增益等于半电路的电压增益。考虑到R Ri2 i2远远小于本级远远小于本级的输出电阻，则差模电压增益为的输出电阻，则差模电压增益为图图9.5.2 9.5.2 输入级交流通路输入级交流通路422424242444224421241)1 ()1 ()1)(1 (1)1 (1)1 (bebeibeibebe

54、beiicvdrrRrRrrrvvvA1717163171317164172)1 ()/(bebeicececcvrrRrrvvA1717162)1 (bebeirrRNPNNPN管管T T1616和和T T1717构成复合管共射极放大电路，电流源构成复合管共射极放大电路，电流源T T1313是其有源是其有源负载。由于负载。由于T T1313的输出电阻的输出电阻r rce13ce13远远大于远远大于R R7 7、R R8 8和和T T1515组合支路的动态组合支路的动态电阻，电压增益为电阻，电压增益为R Ri3 i3是输出级的输入电阻。是输出级的输入电阻。3. 3. 中间放大级中间放大级中间放

55、大级的输入电阻为中间放大级的输入电阻为图9.5.1 集成运算放大器LM741电路原理图另外，电容另外，电容C C作相位补偿，避免自激振荡。作相位补偿，避免自激振荡。4. 4. 输出级输出级VVRRRRVVVBEBEBEBB96. 06 . 0)5 . 75 . 41 ()1 (158778151518141515718141beBBrRrR R7 7、R R8 8和和T T1515组合支路是输出级的偏置电路。偏置电路的电压为组合支路是输出级的偏置电路。偏置电路的电压为远远小于的远远小于的T T1313输出电阻输出电阻rcerce1313。 偏置电压与发射结成正比，故称偏置电压与发射结成正比，故

56、称V VBEBE倍增电路。在集成电路中，倍增电路。在集成电路中，电阻比值是较准确的，故可以较准确设定倍增电路的端电压。电阻比值是较准确的，故可以较准确设定倍增电路的端电压。LbeiRrR)1 (141431417131/ceceorrR17171631713171642242422112)1 ()/()1 ()1 ()1)(1 (bebeicecebebeivvdiiovdrrRrrrrRAAvvvA422414141713171642)1 (/()1)(1 (bebeLbececevdrrRrrrA甲乙类互补对称电路的输出电阻近似为甲乙类互补对称电路的输出电阻近似为甲乙类互补对称电路的输出电

57、阻近似为甲乙类互补对称电路的输出电阻近似为 甲乙类互补对称电路的电压增益近似为甲乙类互补对称电路的电压增益近似为1 1。所以，。所以，LM741LM741总总的差模电压增益为的差模电压增益为 电压增益可达电压增益可达106dB106dB。负号说明。负号说明v vi1 i1与输出电压与输出电压v vo o同相、同相、v vi2 i2与输出电与输出电压压v vo o反相，即反相，即3 3端是同相输入端，端是同相输入端，2 2端是反相输入端。端是反相输入端。输出电阻小于输出电阻小于200200。5 5限流保护电路限流保护电路二极管二极管D D1 1、D D2 2和电阻和电阻R R9 9、R R101

58、0是过流保护电路。是过流保护电路。中间级 正常工作时，正常工作时，R R9 9和和R R1010上的电压很小，上的电压很小，D D1 1、和、和D D2 2均截止，不影响均截止，不影响电路的正常工作。电路的正常工作。 过流时，过流时， 在输出电流的在输出电流的正半周正半周，R R9 9上的电压上的电压明显增大，致使明显增大，致使D D1 1导通，从导通，从T T1414的基极的基极分流，限制分流，限制T T1414的集电极电流，保护的集电极电流，保护T T1414管。管。 在输出电流的在输出电流的负半周负半周，R R1010上的电压上的电压明显增大，使明显增大，使D D2 2导通，从导通，从T

59、 T1818的基极分的基极分流，限制流，限制T T1919的集电极电流，保护的集电极电流，保护T T1919管。管。 在在LM741LM741电路中，通过电路中，通过PNPPNP管和管和NPNNPN管的配合，使得在零输入管的配合，使得在零输入电压时输出电压也近似为零。实际使用时还可以在电压时输出电压也近似为零。实际使用时还可以在、端外接端外接调零电位器。调零电位器。 通过对双极型运放通过对双极型运放LM741LM741的分析可知，双极型集成运放的输的分析可知，双极型集成运放的输入偏置电流及器件功耗较大，输入电阻较小。但是由于采用多种改入偏置电流及器件功耗较大，输入电阻较小。但是由于采用多种改进

60、技术，所以品种多、功能强。进技术，所以品种多、功能强。55255550) 1()(GSTTGSDOREFDDSSREFGSVVVVIIVVIRV26566) 1(TGSDODVVII28588) 1(TGSDODVVII图9.5.3 CMOS集成运算放大器MC14573PMOSPMOS管管T T5 5、T T6 6、T T8 8和外接电阻和外接电阻R R组成多路电流源，基准电流下组成多路电流源，基准电流下述方程组的解：述方程组的解：9.5.2 CMOS9.5.2 CMOS集成运算放大器集成运算放大器MC14573MC14573 电路由增强型电路由增强型PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管