第9章集成电路运算放大器ppt课件

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6.集成运算放大器的组成、工作原理、主要性能参数，集成运算放大器的主要类型和选择方法；典型的集成运算放大器LM741和MC14573。本章的主要内容本章的主要内容1.集成电路的优势、特点，集成放大电路的组成框图；2.镜像电流源、微电流源、威尔逊电流源和多路电流源的电路组成以及输出电流和输出电阻的计算；3.差分放大电路的组成、差模信号的放大、共模信号和温度漂移的抑制、输入输出方式、小信号分

2、析方法和主要参数的计算，差分放大电路的大信号传输特性；4.OCL电路、OTL电路和TL功率放大电路的组成、工作原理，电路的分析方法和主要性能参数的计算，功放管的选择和散热；5.集成功率放大器的组成、工作原理和主要应用，典型的集成功率放大器LM386；9.1 集成放大电路概述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集成电路集成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 Circuit，IC），半导），

3、半导体基片称为晶圆或衬底或芯片。体基片称为晶圆或衬底或芯片。9.1 集成放大电路概述混合集成电路混合集成电路将单片集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：数字和模拟集成电路。按功能分：数字和模拟集成电路。 模拟集成电路又分为：集成运算放大器，模拟集成电路又分为：集成运算放大器， 集成功率放大器，集成功率放大器， 集成比较器，集成比较器， 集成乘法器集成乘法器

4、 集成稳压器。集成稳压器。本章仅介绍单片集成的运算放大器和集成功率放大器。与分立元件电路比较，集成电路有两个主要优势：与分立元件电路比较，集成电路有两个主要优势：成本和性能。成本和性能。成本极低：通过标准工艺，每成本极低：通过标准工艺，每mm可以制作上百万个晶体管。可以制作上百万个晶体管。性能：工作速度快、功耗低、功能强和可靠性高。性能：工作速度快、功耗低、功能强和可靠性高。1 1具有良好的对称性。由于采用相同的标准工艺，所以容易具有良好的对称性。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

5、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：（与分立元件比较）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。由于双极型晶体管用有源元件代替大电阻。由于双极型晶体管BJTBJT和场和场效应管效应管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

6、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。电阻是用半导体材料的体电阻，电阻是用半导体材料的体电阻，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。电容则是电容则是PNPN结的结电容或结的结电容或MOSMOS管的栅极电容。管的栅极电容。2.对于多级直耦放大电路，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

7、通常是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。因而，必须使每级放大电路的静态工作点稳定，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

8、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有源负载）。漏极负载称为有源负载）。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

9、电路还包含一些辅助电路。短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。9.1 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。9.2.1 BJT电流源1.微电流源2.镜像电流源3.多路电流源1.MOS管镜像电流源2.MOS管多路电流源9.2.2 EFT电流源电流源：提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。 可以用BJT或EFT组成恒流源电路。 IREF称为基准电流。当电源电压和电阻确定后，基准电流确定，T2向上拉负载提供基本恒定的电流，与负载无关，等效为一个电流源。1.镜像电流源镜像电流源（1电路的构成/2211CREF

10、BREFCIIIIIRVVIIIIIEECCREFREFCCO/2112设T1和T2特性一致1=2=，ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2）。 (a) 电路 (b) 电路符号Io（2工作原理再由电路得由电路得VBE1=VBE2 ，所以IB1=IB2，IC1=IC2 ，即T1和T2的集电极电流相等，互为镜像。温度补偿作用：温度补偿作用：T(a) 电路 (b) 电路符号Io 即温度升高引起电流源电流的增加量被电路的自动补偿引起的减少量抵消，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roro ic2it+_Rerce2rbe2ib2ib2rbe1ib1

11、ib1vtrce1ro(c) 交流等效电阻计算电路等效电路如图(c)所示。图中左半部分电路无独立信号源，故IICC21、IR1VBIBIICC21、 在镜像电流的射极增加一个电在镜像电流的射极增加一个电阻就组成微电流源。阻就组成微电流源。 2. 微电流源微电流源（1电路的构成（2工作原理Re 利用T1和T2的基射电压差在射极电阻上产生微电流输出，即eBEBECORVVII212TBETBEVvSVvSEeIeIi/) 1(SETBEIiVvln晶体管的发射结电流方程和电压方程分别为 式中，IS是发射结反向饱和电流，基射电压vBEVT=26mV。eBEBEORVVI21=-OREFeTOIIRV

12、Iln设T1和T2特性一致，那么在式中，可先确定IREF和IO，然后计算Re。 在微电流源电路中，Re引入负反馈，温度补偿作用比镜像电流源更好。ReOCeTEEeTIIRVIIRV121lnln=)ln(ln=21SESEeTIIIIRV-+_Rrce2rbe2ib2i b2rbe1i b1ib1itvtrce1roRero1ve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ro1是除T2外基极回路的等效电阻。等效电路如右图所示。在图中，teobeebebtbobeiRrrRiRiiirr+=)+(=)+(12

13、22212-222222)(+)+(=)(+)+(=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。1/2/21/21/21121)/21 (11)/21 (2REFOIIRVVVIIBEEECCREFO223ceorr 设T1、T2和T3特性一致，则各支路电流如图中标注所示。因而，由电路，得基准电流和输出电流 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电流源

14、电流源图9.2.3 威尔逊电流源COII1)/21 (CREFII1)/21 (1 CI1)/21 (CI )21 (CI2 图9.2.4是多路电流源电路。从T2、T3和T4的集电极输出多个基本恒定的电流，其他元件则是电流源的偏置电路。REFeCeCeCeCeeBEBECCCREFIRIRIRIRIRRRVVVII11122334411014.4.多路电流源多路电流源图9.2.4 多路电流源VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RI R EFIC2IC3IC44 ,3 ,2 ,1=+=11011iRRVVVRRIRRIeBEBECCeieREFeieCi上式说明电流源按射极电

15、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，所以也称为多路比列基本恒定的电流，所以也称为多路比列电流源。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。图9.2.4 多路电流源VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RI R EFIC2IC3IC44 , 3 , 2)1 (1irRrrRrceieiobeieioi001111001+)+1 (+1)+1 (+(/+1+=beebebeorRRRrrRr上式中 同样，可以用PNP管组成电流源，电路形式和原理与NPN管相似，不再赘述。 每路电流源的输出电阻为10111

16、00)+(/+RrrRebebe 在总电源电压大于2个场效应管的开启电压VDD+VSS2VT的情况下，T1、T2和T3工作在恒流区。9.2.2 FET9.2.2 FET电流源电流源1MOS管镜像电流源 将FET偏置在恒流状态，并确保栅源电压不受信号的影响，则FET的漏极电流基本恒定，形成电流源.SSDDGSGSDDVVVVII31312321) 1() 1(TGSDOTGSDOVVIVVI2222222) 12() 1(TSSDDDOTGSDODOVVVIVVIII2dsorr 由MOS管的转移特性方程，得)(2113SSDDGSGSGSVVVVV所以，)(212SSDDGSGSVVVV再由电

17、路得输出电阻等于的T2输出电阻，即由电路，得 图9.2.5 MOS管镜像电流源ID1ID1ID3ID3)+(21=01234SSDDGSGSGSGSGSVVVVVVV4 ,3 ,2 ,1 ,0=)12+(=)1(=22iVVVIVVIITiSSDDDOiTiGSiDOiDi-图9.2.6是NMOS管多路电流源。 与BJT管一样，也可以用NMOS管组成威尔逊电流源。其电路形式与BJT管威尔逊电流源相似。图9.2.6 MOS管多路电流源2.MOS管多路电流源 同样，可以用PMOS管组成电流源，电路形式和原理与NMOS管相似。设T0和T 1的特性一致，那么6.2 差分式放大电路差分式放大电路特点:静

18、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Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,T1和T2特性一致称为差分对管）.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 分类：共射、共集和共基差分放大电路。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，即 基本原理：利用2个有源元件特性的一致性，通过减法vO=vC1-vC2抵消由

19、温度或共模信号引起的电压或电流的变化量； 双端输出电压为零，即vO=VC1-VC2=0，接入负载对静态工作点没有影响。图9.3.1 共射差分放大电路2 2工作原理工作原理（1静态工作点的稳定性静态工作点的稳定性即vi1=vi2=0时，由电路得/=21IIIICBBB21=11IIIIOCCC=21VVVVVonBEEEE-=21IRVVVVCcCCCCC- 同时，引入直流负反馈电流源支路）；使静态工作点或输出量基本不随温度或共模信号的变化。静态工作点的计算静态工作点的计算 差分放大电路实现了零输入时零输出，输入输出不含电源引起的直流分量 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

20、量抵消，静态工作点基本不变。IB1和IB22roICIC1和IC2 输入特性TVEVBEIC1和IC2 当温度升高时，引起集电极电流增加IC。考虑到电流源的动态电阻ro，下述自动的负反馈过程为真图9.3.1 共射差分放大电路 差分放大电路利用元件特性的一致进行温度补偿2个输出端电位相减），并利用射极的直流负反馈，使输出电压漂移极小。oboeoeeeriririiv121)1 (22)(图9.3.2 共射差分放大电路的共模输入vi1= vicvi2= vic (a) 共模输入 （b） 交流通路vi1= vicvi2= vicro 输入共模信号vi1=vi2=vic时，则有下述过程图(b)是交流通

21、路，ro是电流源的动态电阻）。使输出共模信号使输出共模信号vocvoc为零，抑制为零，抑制了共模信号输出。了共模信号输出。 电流源支路的电流变化量是2ie。由于ro很大，对共模信号的反馈很强，故共模输入信号引起的交流分量很小。（2共模信号的抑制021 ccocvvv21 ccvv21 ccii21 bbiiicv 共模信号引起差分对管的2个射极电流交流分量相等，射极电位的交流分量为 共模信号增加和温度升高对电路的影响相同，故共模信号属于无用信号。共模信号引起差分对管的2个：基极电流交流分量、集电极电流交流分量集电极电位交流分量变化相同0)(21oeeeriiv 输入差模信号，即vi1=-vi2

22、=vid/2，如图9.3.3(a)所示。在电路参数对称以及T1和T2特性一致的情况下，则有下述过程 即差分放大电路对差模信号进行放大，输出差模信号vod。 此外，差模信号引起差分管2射极电流交流分量变化趋势相反，即ie1-ie2，射极电位的交流分量近似为零。即因而，在差模输入信号的交流通路中，射极对地等效为虚断和虚短，对差模输入信号没有反馈。图9.3.3 共射差分放大电路的差模输入(a) 差模输入ve0（b） 交流通路（3 3差模信号的放大差模信号的放大10cv1212cccodvvvv222000ccbvii10ci10bi0idvvvc2c1bebebididididrrivivR2222

23、11cccodRRRR221在图9.3.3(b)中，因ve0，差放电路可分解为2个相对独立的共射放大电路，称为差放电路的半电路。如图(c)，交流等效电路如(d)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主要性能指标：差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压增益。主要性能指标：差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压增益。差模输入电阻差模输入电阻定义：差模输入电压与其引起的定义：差模输入电压与其引起的差模输入电流之比。差模输入电流之比。（c)半边交流电路+T1RC1-vvo1i1Ic1ve0图9.3.3 （b） 交流通路（d)双管交流等效电路ibberRCicib-+vi2ibberRC

24、-+vi1icib-+o2v+o1v-差模输出电阻差模输出电阻是半电路输出电阻的是半电路输出电阻的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。becidcidccRidodvdorRvvvvvvvAL2221212/)2/(2)(LcLcbeLcLbecLoLvdoidodvdRRRRrRRRrRRRRAvvAbeLcidodvdrRRvvA)2/( 双端输入双端输出双端输入双端输出: :电压增益和半电路电压增益和半电路的电压增益表达式相同的电压增益表达式相同. .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-+vi2

25、ibberRC-+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增益为 以牺牲一个管子的增益为代价换取低温度漂移的优点。111212)1 (2bobbebbbiciciciciririiivivR)1 (221obeicicicrrivRcccocRRRR2210021icicccRicocvcovvvvvvAL0)(LoLvcoicocvcRRRAvvA共模输入信号的主要性能指标也是共模输入电阻、共模输出电阻和共模电压增益。差模输出电阻与共模输出电阻相同，统一简称为输出电阻。差模输出电阻与共模输出电阻相同，统一简称为输出电阻。带载的共模电压增

26、益为带载的共模电压增益为（2输入共模信号共模输入电阻为共模输入电阻为vi1= vicv i 2 = vicro图3.3.2b） 交流通路共模输出电阻为共模输出电阻为 对于共模输入信号，差分对管的集电极电位变化量相等，所以负载开路的共模电压增益为21iiidvvv)(2121iiicvvvidicivvv211idicivvv212)(icvdvcidvdicvcidvdocodovAAvAvAvAvvvvcvdCMRAAK)1(icCMRidvdovKvAv对于任意的2个输入信号vi1和vi2，定义差模输入信号和共模输入信号依次如下：则任意的2个输入信号均可表示为差模信号和共模信号的代数和由叠

27、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），所以希望共模抑制比越大越好。 理想的双端输出差放电路，共模电压增益为零，共模抑制比为无穷大，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T1T1和和T2T2特性一致，特性一致，1=2=3=501=2=3=50；rce3=50krce3=50k，rz=100rz=100，RL=50kRL=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求电路的动态特性。求

28、电路的动态特性。mARVVIeBEZC15. 0367 . 0633电流源的电流为图9.3.4 例9.1 图RLRbRb解 （1静态分析图9.3.4 例9.1 图RLRbRbV.VVVVBEEEE70-=-=21kIrrEbebe1817880=075.02651+200=26)+1 (+200=121kIrEbe0 .99040=15.02651+200=26)+1 (+200=33krRrrRrceezbeeo171450)361 . 01836501 ()1 (3333代入9.3.1式，得 T1、T2和T3的输入电阻为电流源的输出电阻为 0750=21=311.IIIICCCCV.IRV

29、VVVCcCCCCC54=0750100-12=-=21krRRbebid56)1810(2)(27 .351810)25/100(50)2/(bebLcvdrRRRAkrrRRobebic87428=)1714512+18+10(21=)+1 (2+21=kRRRRcccod2001002221 在交流回路中，Rb与T1和T2的输入电阻rbe串联，所以用Rb+rbe替代rbe，即差模输入电阻为差模电压增益为共模输入电阻为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动态分析图9.3.4 例9.1 图RLRbRb由于电路参数对称和双端输出，所

30、以共模电压增益为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vi10vi10和和vi20vi20）. .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

31、个输入端输入电压信号（vi10vi10和和vi2=0vi2=0） 或者或者vi1=0vi1=0和和vi20vi20）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（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接地输出端与参考电位之间接地负载则称为单端输出。负载则称为单端输出。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 方式如图方式如图9.3.59.3.5所

32、示。所示。vi10vi10和和vi2=0vi2=0，负载，负载RLRL跨接于两个集跨接于两个集电极之间。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. 单端输入双端输出方式的动态性能单端输入双端输出方式的动态性能 根据式根据式9.3.109.3.10），输入信号可分解为差模信号），输入信号可分解为差模信号vid =vi1vid =vi1和共模信号和共模信号vic =vi1/2vic =vi1/2）。）。 静态工作点的计算亦相同，静态工作点的计算亦相同，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

33、端输出/212121121CBBBCcCCCOCCCBEEEEIIIIIRVVIIIIVVVV)/(1cLCCCcLLCRRIVRRRV 图图9.3.6 9.3.6 双端输入单端输出方式双端输入单端输出方式RLRL 双端输入单端输出方式如图双端输入单端输出方式如图9.3.69.3.6所示。所示。vi10vi10和和vi20vi20，负，负载电阻载电阻RLRL接在集电极接在集电极C1C1和地之间。和地之间。 （但是，（但是，T1T1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. 双端输入单端输出方式的动态性能双端输入单端输出方式的动态性能静态时，由于静态时，由于T

34、1T1和和T2T2的输入回路参数对称，仍有的输入回路参数对称，仍有P36beLcebbeLcbiddoiddovdr)R/R()vir()R/R(ivvvvA2=+2=22=11111 当输入差模信号时，由于当输入差模信号时，由于T1T1和和T2T2的参数对称，差分对管射极的参数对称，差分对管射极电流的变化量大小相等，符号相反，射极仍然是虚短和虚断。电流的变化量大小相等，符号相反，射极仍然是虚短和虚断。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。

35、 若若RLRL接在接在C2C2与地之间输入信号和输出信号不在同一个管子的与地之间输入信号和输出信号不在同一个管子的电极上），则单端输出的差模电压增益表达式中与没有电极上），则单端输出的差模电压增益表达式中与没有“-”-”一样。一样。ve09.3.7a差模输入信号交流通路RL因而，差模输入电阻与双端输入双端输出方式相同，为因而，差模输入电阻与双端输入双端输出方式相同，为obeLcobbbeLcbiccovcr )(r)R/R(ri )(ir)R/R(ivvA+12+=+12+=111111beobeobevcvdCMRrrrrrAAK)1 (221 图9.3.7(b)是共模输入信号的交流通路。共

36、模抑制比为共模抑制比为 说明，共模抑制比与负载大小无关，仅与负载同差放电路的连说明，共模抑制比与负载大小无关，仅与负载同差放电路的连接方式有关。接方式有关。ve09.3.7a差模输入信号交流通路RL由图由图9.3.69.3.6电路，得共模电压增益为电路，得共模电压增益为双端输出共模抑制比为无穷大，单端输出可达几千倍。双端输出共模抑制比为无穷大，单端输出可达几千倍。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. .输出电阻仍是输出电阻仍是: :)1 (221obeicicicrrivRccoRRR1P343. 单端输入单端输出方式的动态性能单端输入单端输出方

37、式的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 =vi1vid =vi1和共模信号和共模信号vic =vi1/2vic =vi1/2）。）。图9.3.5 双端输入单端输出方式RL如图如图vi10vi10和和vi2=0vi2=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； （2 24 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

38、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，共模增益输出电阻是双端输出的一半，共模增益比双端输出大。比双端输出大。 因而，动态性能与双端输入单端输出的动态性能相同，因而，动态性能与双端输入单端输出的动态性能相同， 静态工作点的计算亦相同，不再赘述。静态工作点的计算亦相同，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、差模输入电阻和输出电阻的表达式。beidbeidbrvrvi

39、2=2=11 解：解：T1T1和和T2T2作差放，作差放，T3T3和和T4T4是是T1T1和和T2T2的有源负载，且的有源负载，且T3T3和和T4T4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，差分对管的发当差模输入时，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) 由于由于rberbe远远小于远远小于rcerce，故，故2 2者并者并联可忽略联可忽略r

40、cerce。由图由图(b) (b) 得得122=2=2=bbeidbeidbirvrvi 上式说明，差模电压增益等于半电路的电压增益。虽然电路上式说明，差模电压增益等于半电路的电压增益。虽然电路是单端输出，但其电压增益却与双端输出的表达式相同。是单端输出，但其电压增益却与双端输出的表达式相同。443434433=bbbebebbbebbeiirriirir1144331+2=+=bbbbbbbiiiiiiirbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4ib2ib1ib3ib4ib1ib2ib3ib4vid/2+-vid/2+-ve0evo2（b）bececeidovdorrrvvA)/(42

41、2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()ii ()r/r)(ii(v42422142242=-=-= 因而，有源负载将双端输出转换为单端输出，并保持增益表因而，有源负载将双端输出转换为单端输出，并保持增益表达式与双端输出相同。此外，有源负载的交流等效电阻大，可以达式与双端输出相同。此外，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 差模输入电阻为差模输入电阻为 当输入信号为零时，当输入信号为零时，ib1= ib2=0ib1= ib2=0

42、，使，使ib4=0ib4=0。所以，。所以，输出电阻较大。输出电阻较大。rbe1rbe2rce2rbe3rbe4rce4ib2ib1ib3ib4ib1ib2ib3ib4vid/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 当输入信号大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特当输入信号大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特性。而是利用晶体管的电流方程推导输出电压与输入电压的函数关性。而是利用晶体管的

43、电流方程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, ,并考虑到并考虑到T1T1和和T2T2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电压传输特性共射差分放大电路的电压传输特性由电路，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OcVvvVvvVvvVvvOcVvvVvvCCcCcCCCcCCCCOIReeeeIReeiiRiRViRVvvvTBE

44、BETBEBETBEBETBEBETBEBETBEBE2/ )(2/ )(2/ )(2/ )(/ )(/ )(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，vBE1= vBE2vBE1= vBE2。vO=0vO=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，vBE1-vBE

45、1-vBE2= vidvBE2= vid。由上式，得。由上式，得时，当2TidVv41222TidVvmVmVVvTid1322622iC vCE Q 0I C EO0RTc+RTsRTaRTc+RTs。当忽略管壳至周围环境的热阻时，可求。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出散热回路的总热阻PCPC是管芯耗散功率是管芯耗散功率( (热源热源) )，RTjRTj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），RTaRTa是管芯至环境的热阻，是管芯至环境的热阻，RTcRTc是管壳至散热片的热阻与有否垫片、接触面积、紧固程是管壳至散热片的热阻与有否垫片、接触

46、面积、紧固程度等有关），度等有关），例例9.3 9.3 某功放电路中采用某功放电路中采用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PCM=20WPCM=20W，最高允许结温，最高允许结温TjM=1780CTjM=1780C，RTj=30C/WRTj=30C/W，若要求环境温度为，若要求环境温度为400C400C，RTc=10C/WRTc=10C/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-RTs=RT -RTj-RTc=RTs=RT

47、 -RTj-RTc=（6.75-3-16.75-3-10C/W=2.750C/W0C/W=2.750C/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2.750C/W2.750C/W的散热片。的散热片。解：由式解：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

48、.5 集成运算放大器集成运算放大器 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，故由此而得名。各种模拟信号处理电路，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

49、块虚线所示。级组成，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T12T12和和T13T13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

50、管管T10T10和和T11T11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T8T8和和T9T9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T1T1和和T2T2组成共集差分放大电路，组成共集差分放大电路，T8T8是电流源，射极双是电流源，射极双端输出；端输出；PNPPNP管管T3T3和和T4T4组成共基差分放大电路，组成共基差分放大电路，T5T5、T6T6和和T7T7以及以及R1R1、R2R2和

51、和R3R3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，rberbe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，Ri2Ri2是中间级的输入电阻。是中间级的输入电阻。电路是一个共集共基组合差分放大电电路是一个共集共基组合差分放大电路。路。 T1 T1、T2T2、T3T3、T4 T4 、T5T5和和T6T6的静态电的静态电

52、流近似等于流近似等于T8T8静态电流的一半，即静态电流的一半，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Ri2Ri2远远小于本远远小于本级的输出电阻，则差模电压增益为级的输出电阻，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 (bebeibeibebebeiicvdrrRrRrrrvvvA1717163171317164172)1 ()/(bebe

53、icececcvrrRrrvvA1717162)1 (bebeirrRNPNNPN管管T16T16和和T17T17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T13T13是其有是其有源负载。由于源负载。由于T13T13的输出电阻的输出电阻rce13rce13远远大于远远大于R7R7、R8R8和和T15T15组合支路组合支路的动态电阻，电压增益为的动态电阻，电压增益为Ri3Ri3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

54、，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 (158778151518141515718141beBBrRrR7R7、R8R8和和T15T15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T13T13输出电阻输出电阻rce13rce13。 偏置电压与发射结成正比，故称偏置电压与发射结成正比，故称VBEVBE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

55、，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，L

56、M741LM741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vi1vi1与输出电压与输出电压vovo同相、同相、vi2vi2与输出与输出电压电压vovo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D1D1、D2D2和电阻和电阻R9R9、R10R10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，R9R9和和R10R10上的电压很小，上的电压很小，D1D1、和、和D2D2均截止，不影均截止，不影

57、响电路的正常工作。响电路的正常工作。 过流时，过流时， 在输出电流的正半周，在输出电流的正半周，R9R9上的电压上的电压明显增大，致使明显增大，致使D1D1导通，从导通，从T14T14的基极的基极分流，限制分流，限制T14T14的集电极电流，保护的集电极电流，保护T14T14管。管。 在输出电流的负半周，在输出电流的负半周，R10R10上的电压上的电压明显增大，使明显增大，使D2D2导通，从导通，从T18T18的基极分的基极分流，限制流，限制T19T19的集电极电流，保护的集电极电流，保护T19T19管。管。 在在LM741LM741电路中，通过电路中，通过PNPPNP管和管和NPNNPN管的

58、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(T

59、GSDODVVII图9.5.3 CMOS集成运算放大器MC14573PMOSPMOS管管T5T5、T6T6、T8T8和外接电和外接电阻阻R R组成多路电流源，基准电流组成多路电流源，基准电流下述方程组的解：下述方程组的解：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管组成，称为管组成，称为CMOS CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor )(Complementary metaloxidesemiconductor )集成运算放大

60、器。集成运算放大器。 3 3部分组成：电流源电路、共源差分差分放大输入级和共源部分组成：电流源电路、共源差分差分放大输入级和共源放大输出级。放大输出级。1 1电流源电路电流源电路)/(42221dsdsmidovdrrgvvA87/dsdsorrR )/(87722dsdsmoovrrgvvA图9.5.3 CMOS集成运算放大器MC145732 2共源差分放大输入级共源差分放大输入级 PMOS PMOS管管T1T1和和T2T2是差分对管，组成共源差分放大电路；是差分对管，组成共源差分放大电路；NMOSNMOS管管T3T3和和T4T4是其有源负载，实现双端输出到单端输出的转换；是其有源负载，实现