第四章差动放大电路和功率放大电路

1、1第四章第四章 差动放大电差动放大电路和功率放大电路路和功率放大电路 2差动放大电路差动放大电路 4.1 零点漂移现象零点漂移现象1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压的影响，会使工作点电压(即集电极电位即集电极电位)偏离设偏离设定值而缓慢地上下飘动。定值而缓慢地上下飘动。32. 对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，大，会使后级放大器进入截止和饱和， 这样整这样整个电路将无法正常工作。个电路将无法正常工作。3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。差动放大器电路能有效

2、地克服零点漂移。4v工作原理是：当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。 4.2差动放大电路的工作原理及性能分析差动放大电路的工作原理及性能分析 4.2.1差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE UEEV1V2Uo5 4.2.2差动放大电路的静态分析差动放大电路的静态分析UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图412 基本差动

3、放大器基本差动放大器当当Ui1=Ui2=0时时VUUBEE7 . 0则流过则流过RE的电流的电流I为为EEEEEEERURUUI7 . 0)(IIIIIQEQEQCQC212121故有故有6UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图412 基本差动放大器基本差动放大器CQCCCQCQCRIUUU121CQCCCQCEQCERIUUU1217 . 0静态时，差动放静态时，差动放大器两输出端之大器两输出端之间的直流电压为间的直流电压为零。零。74.2.3 差动放大电路的动态分析v（1）差模输入信号在放大器两输入端分别输入大小相等、 相位相反的信号，即ui1=-ui2时，

4、差模输入信号用uid来表示。ui1=-ui2=1/2uidv（2）共模输入信号在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相同的信号，即ui1=ui2时，共模输入信号常用uic来表示。 ui1=ui2=uicv（3）输入任意大小信号放大器两输入端输入大小不相等时，将其分解成一对差模信号和一对共模信号。 uid = ui1-ui2 uic =1/2( ui1+ui2)一、一、 输入信号的类型输入信号的类型8UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 二、差模放大特性二、差模放大特性Uid1Uid2Uid=Uid1-Uid2RE上只有静态电压，而不产生差模信号电压。上只有静态电压，

5、而不产生差模信号电压。双端输出时，负载双端输出时，负载RL的中点电位为的中点电位为0。 9图图413基本差动放大器的差模等效通路基本差动放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2Uid=Uid1-Uid2RCRCUod10 1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数212121212222idididididodododododUUUUUUUUUU所以所以 beLidodidodidodudrRUUUUUUA2211在双端输出时在双端输出时式中：式中： LCLRRR21结论：结论：双端输出时的差模电压放大倍数等于单双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放

6、大倍数。边共射放大器的电压放大倍数。 idodudUUA11UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo单端输出时单端输出时:信号只从一端输出。信号只从一端输出。12beLudidodidod(udrRAUUUUA21212111单）或或beLudidodidod(udrRAUUUUA21212222单）RCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REV1V2UodUid=Uid1-Uid2式中：式中： LCLRRR 13结论：结论：单端输出时的差模电压放大倍数为单边共单端输出时的差模电压放大倍数为单边共射电路电压放大倍数的一半，且两输出端信号的射电路电压放大倍数的一半，且两输出端

7、信号的相位相反。相位相反。 142. 差模输入电阻差模输入电阻Uod1Uod2RL2RL2V2V1RCRCUodUid1Uid2IidbeidididididrIUIUR22115Uod1Uod2RL2RL2V2V1RCRCUodUid1Uid2Iid 3. 差模输出电阻差模输出电阻双端输出时为双端输出时为CodRR单）(单端输出时为单端输出时为CodRR216三、共模抑制特性三、共模抑制特性UCCRCUC2RLRCUC1Ui2REUEEV1V2UoUic1Uic2Ui1UiC17双端输出时，负载双端输出时，负载RL上的电流为零，相当上的电流为零，相当于于RL开路。开路。 对共模信号而言，每个

8、管子的射极相当对共模信号而言，每个管子的射极相当于各接有于各接有2RE的电阻的电阻 共模等效通路共模等效通路18RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE图图414 基本差动放大器的共模等效通路基本差动放大器的共模等效通路 R2E191.共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc021icococicocucUUUUUA 单端输出时的共模电压放大倍数单端输出时的共模电压放大倍数EbeCicocicocucicocucicocucRrRUUUUAUUAUUA2)1 (21(2(1(单）单）单）或通常满足通常满足(1+)2RErbe，所以上式可简化为，所以上式可简化为ECucRRA2(单）双端

9、输出时的共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数RLRL20结论：结论：由于射极电阻由于射极电阻2RE的存在，使单端输出时的的存在，使单端输出时的共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制，且模信号不是放大而是抑制，且RE抑制作用越强。抑制作用越强。差动电路能够克服零点漂移现象的根本原因：差动电路能够克服零点漂移现象的根本原因：共模信号一般指由于外界影响（共模信号一般指由于外界影响（，T，UCC），引起工作点的漂移，折算到输入端就是一），引起工作点的漂移，折算到输入端就是一种共模信号，双端输出时，只要对称性好，则种共模信号

10、，双端输出时，只要对称性好，则UOC=0，可以完全抑制外界的干扰。单端输出时，可以完全抑制外界的干扰。单端输出时，由于由于RE的调节作用使输出大为减少。的调节作用使输出大为减少。 21 2. 共模输入电阻共模输入电阻EbeicicicicicR)(rIUIUR212121 3.共模输出电阻共模输出电阻 双端输出时为双端输出时为 0双ocR 单端输出时为单端输出时为 CocRR单）(RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RER2E22三、共模抑制比三、共模抑制比KCMRucudCMRAAK)(lg20dBAAKucudCMRCbeELucudCMRRrRRAAK)()()(单单单差模：需

11、要放大的有用信号，尽可能的放大。差模：需要放大的有用信号，尽可能的放大。共模：无用的干扰信号，需要抑制。共模：无用的干扰信号，需要抑制。为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，通用共模抑制比来衡量。模信号的抑制能力，通用共模抑制比来衡量。 23KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。实质上是反映实际差动电路的对称性。理想情况下：在双端输出理想对称的情况下，理想情况下：在双端输出理想对称的情况下，Auc=0， KCMR。为了定量分析，通常用单端输出的为了定量分析，通常用单端输出的KCMR。 24252627v 28四、对任意输入信号

12、的放大特性四、对任意输入信号的放大特性UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo29222121211212112222icidiiiiiicidiiiiiUUUUUUUUUUUUUU2221212121iiididiciiicicUUUUUUUUU差模信号：共模信号：2121iiidididUUUUU差模输入电压：30UCCRCUC2RLRCUC1REUEEV1V2Uo221iiUU 221iiUU 221iiUU 221iiUU 31)(21iiudidudoUUAUAU双端输出时：icucidudoicucidudoUAUAUUAUAU)(2)(12121单单单端输

13、出时：)(2121)(2121212211iiudidudoiiudidudoUUAUAUUUAUAU时：当单)(ucudAA32在实际应用中，当在实际应用中，当只有一路只有一路信号源接到差动信号源接到差动放大器的两个输入端时：放大器的两个输入端时：如两端都不接地，这种接法称为如两端都不接地，这种接法称为双端输入双端输入；如信号源一端接地，这种接法称为如信号源一端接地，这种接法称为单端输入单端输入。33六、放大电路的四种接法v差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以信号的输入端和输出端有四种不同的连接方式，即（1）单端输入，单端输出；（2）双端输入，双端输出；（3）单端输入，双端输出；（4）

14、双端输入，单端输出。图4.2.6给出了电路图。34（a）双端输入、双端输出）双端输入、双端输出 （b）双端输入、单端输出）双端输入、单端输出35P79 例4.236374.3 电流源电路及具有电流源的差动放大电路v4.3.1 电流源电路v电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路，是组成集成运放的基本单元电路，主要作用是为放大电路提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载。38UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 rCCrBECCrRURUUI1111222CrBrCCIIIIIIrrCIII2112) 1(1 一、镜像电流源一、镜像电流源问题：为何增加该连线？问题：

15、为何增加该连线？39电流源电路的电路符号如图电流源电路的电路符号如图4.3.14.3.1（b），），其中其中ro为交流输出电阻，镜像电流源的为交流输出电阻，镜像电流源的 ro=rce2，由于，由于rce很大，因此镜像电流源输出很大，因此镜像电流源输出电流恒定电流恒定4.3.1（b）40IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC图图45多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向三集电极横向PNP管电路管电路(b)等价电路等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现集成电路中多路镜像电流源的实现41 三、比例电流源三、比例电流源RrIrIC2V2V1R

16、2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 图图46比例电流源比例电流源222111RIURIUEBEEBE111lnSETBEIIUU122121lnlnEETEETBEBEIIUIIUUU21SSII222lnSETBEIIUU42室温下，当两管的射极电流相差室温下，当两管的射极电流相差10倍时：倍时： mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121rCIRRI212若若1，则，则 IE1Ir, IE2IC2111RRURRUUIrCCrBECCr仅为此时两管仅为此时两管UBE电压电压(0.7V)的的10%。因此，。因此，UBE1UBE2。2211RIRIEE22211

17、1RIURIUEBEEBE43四、微电流电流源四、微电流电流源RrIrIC2V2V1UCCR2图图47微电流电流源微电流电流源2122122ln)(1EETBEBEEIIRUUURI当当 1 1 时 ，时 ，IE1Ir,IE2IC2222lnCrCTIIIUR 已知已知Ir=1mA,要求要求IC2=10A时时kR12101000ln1010102663244 五、威尔逊电流源五、威尔逊电流源RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图48 威尔逊电流源威尔逊电流源 22112333332133131231,2CCCEECCCCCBCrrBECCrBEBECCrIIIIIIIII

18、IIIIRUURUUUI45 若三管特性相同，则若三管特性相同，则1=2=3=,rCII)2221 (23利用交流等效电路利用交流等效电路可求出威尔逊电流可求出威尔逊电流源的动态内阻源的动态内阻Ro为：为：ceorR2221123CCCEIIII221333)111 (1CCII)(111 (133CrCIII较大的动态内阻；较大的动态内阻； 输出电流受输出电流受的影响也大大减小的影响也大大减小优优 点点464.3.2以电流源为有源负载的放大器以电流源为有源负载的放大器UCCV3V2uoV1uiRr图图 4.3.6 有源负载共射放有源负载共射放大电路大电路(a)共射电路共射电路47 433 具

19、有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路EETEEQTbeUURIUr2)1 ()1 (TEECTLEECbeEL(CMRUURURURrRRK22单）基本差动放大器，存在两个缺点：基本差动放大器，存在两个缺点：一是共模抑制比做不高一是共模抑制比做不高若若UEE=15V，则室温下，则室温下，KCMR(单单)的上限约为的上限约为300，而与，而与RE的取值无关。的取值无关。48二是不允许输入端有较大的共模电压变化。二是不允许输入端有较大的共模电压变化。公共射极电位变化公共射极电位变化差放管的静态工作电流变化差放管的静态工作电流变化改变beLidodidodidodudrRUUUUUUA22

20、11rbe改变改变49RCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC图图415具有电流源的差动放大器电路具有电流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替用单管电流源代替RE的差动电路的差动电路(b)电路的简化表示电路的简化表示恒流源恒流源50CQCBECCQCEQCECQCQCBERECEERRIUUUUIIIRUUIIURRRU1213213332122122静态工作点的估算：静态工作点的估算：51一、共模抑制比可做的非常高；一、共模抑制比可做的非常高；二、允许输入端有较大的共模电压变化。二、允许输入端有较大

21、的共模电压变化。Auc0、 Auc（单）（单）0几乎不变beLidodidodidodudrRUUUUUUA2211KCMR、 KCMR（单）（单）高高电流源的输出电阻非常大电流源的输出电阻非常大rbe几乎不变几乎不变52V8V92V1V23V3V4V7IC3IC4IC5V5V6IC61R11kR350kR21k5R43.2kV10V12V13V114.5kC30pR539kR7R67.5kV16V17V15VD1VD2V19V18R850R925V147(15 V)64(15 V)I0534.4 功率放大电路功率放大电路v一个电子设备中通常包含多级放大电路，除了对小信号进行电压放大的前级放大

22、电路，其输出级一般还要带动一定的负载，如扬声器、继电器、电动机、仪表、偏转线圈等，驱动这些负载（执行机构）都需要一定的功率，因此需要能放大大信号的功率放大电路，以高效地把直流电能转化为按输入信号变化的交流电能。544.4.1功率放大器的特点及工作状态分类功率放大器的特点及工作状态分类从从能量能量控制的观点来看，都是利用有控制的观点来看，都是利用有源器件将电源提供的直流功率转换成负载所源器件将电源提供的直流功率转换成负载所需的交流功率。需的交流功率。电压放大器和功率放大器的电压放大器和功率放大器的相同点：相同点：55电压放大器的主要要求是使负载得到不失真电压放大器的主要要求是使负载得到不失真的电

23、压放大信号，讨论的主要指标是电压放大倍的电压放大信号，讨论的主要指标是电压放大倍数、输入和输出电阻等，输出功率并不一定大。数、输入和输出电阻等，输出功率并不一定大。功率放大器主要要求获得一定的不失真的输功率放大器主要要求获得一定的不失真的输出功率，通常是在出功率，通常是在大信号状态下工作大信号状态下工作，因此，功，因此，功率放大器包含着一系列电压放大器中没有过的特率放大器包含着一系列电压放大器中没有过的特殊问题。殊问题。两者的两者的不同点：不同点：56一、特点一、特点（1）输出功率尽可能大）输出功率尽可能大晶体管常常在接近极限运用状态下工作。晶体管常常在接近极限运用状态下工作。技术指标技术指标

24、1：POM负载上得到的最大输出负载上得到的最大输出交流交流功功率。率。 (3) 分析方法以图解法为主。分析方法以图解法为主。(2) 大信号工作。大信号工作。57(5) 提高效率成为重要的关注点。提高效率成为重要的关注点。 技术指标技术指标3：能量转换效率能量转换效率。 (6) 功率器件的安全问题必须考虑。功率器件的安全问题必须考虑。（4）非线性失真矛盾突出）非线性失真矛盾突出 技术指标技术指标2：非线性失真的大小：非线性失真的大小。 在效率高、非线性失真小、安全工作的前提在效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，向负载提供足够大的功率。下，向负载提供足够大的功率。对功率放大器的要求：对功率放大

25、器的要求：58一般放大器与功率放大器的区别为：一般放大器与功率放大器的区别为： 一般放大器一般放大器功率放大器功率放大器技术要求技术要求Au、Ri、RoPOm、 、非线性失、非线性失真真工作状态工作状态小信号状态小信号状态大信号状态大信号状态分析方法分析方法小信号等效电路分小信号等效电路分析法析法图解法图解法59（3）功率放大电路的分类）功率放大电路的分类甲类（甲类（A类）：类）：工作点工作点Q设在设在放大区放大区，对于输入信号为正，对于输入信号为正弦波的整个周期内弦波的整个周期内ic 0，即三极管在整个周期都导通。因，即三极管在整个周期都导通。因此导通角此导通角 = 。导通角：通常将一个周期

26、内出现集电极电流部分所对应导通角：通常将一个周期内出现集电极电流部分所对应角度的一半称为集电极电流的导通角角度的一半称为集电极电流的导通角iCt0iCuBEQ0(a)甲类甲类(导通角为导通角为180)能量转换效率能量转换效率max=50%在没有交流输入时，电源功率全在没有交流输入时，电源功率全部转变为管耗。部转变为管耗。60乙类（乙类（B类）：类）：工作点选在工作点选在导通的阈值点导通的阈值点（UBEQ= UBE(on)，ICQ=0），因此只有在输入信号的半个周期），因此只有在输入信号的半个周期内有内有ic，导通角，导通角 = /2。 iCt0iCuBEQ(b)20 (b)B类类(导通角为导通

27、角为90)61甲乙类（甲乙类（AB类）类）：工作点选在放大区中，：工作点选在放大区中，但靠近截止区的地方，导通角但靠近截止区的地方，导通角 0。 当当ui为为负半周负半周时，时，V2导通，导通，V1截止，为射极输出器，截止，为射极输出器，uo=ui。iC1流出负载流出负载uo2UCC=36V A.RUILCCCM25281880例例2：上题中若：上题中若-Ucc接地，求：（接地，求：（1）A点的静态工点的静态工作点（作点（2）PLM=? 晶体管如何选择？（晶体管如何选择？（3）若）若T1、T2两管性能相同，两管性能相同，PCM=200mW，ICM=200mA，UBE(CEO)=24V，求，求P

28、LM。 81解：（解：（1）A点静态电位为点静态电位为9V。WRUURUPLcesccLomLM422222（2）最大耐压值：最大耐压值：U(BR)CEO2UCC=18V 最大集电极电流：最大集电极电流： mA.RUILCCCM1251最大集电极耗散功率：最大集电极耗散功率： W.P.PLmCM802082（3）根据）根据 LmCMP.P20可知可知 W.PPCMLM120因此原来求出的因此原来求出的PLM=4W已超过了最大功耗下的已超过了最大功耗下的PLM。也就是说根据提供参数的。也就是说根据提供参数的T1、T2管得到的管得到的功放，输出功放，输出Uo最大时不能达到最大时不能达到Ucc/2。根据提供的根据提供的ICM，可知达到，可知达到ICM时的时的Uom=ICMRL=200mA 8 =1.6V。 W.RUPLomLM160826122283P91 例例4.584三、复合管及准互补跟随乙类功率放大器三、复合管及准互补跟随乙类功率放大器(OCL电路电路)组成复合管的原则有以下几点：组成复合管的原则有以下几点：(1)电流流向要一致。电流流向要一致。(2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区，各极电压必须保证所有管子工作在放大区，即保证即保证e结正偏，结正偏，c结反偏。结反偏。 (3)因为复合管的基极电流因为复合管的基极