第四章集成运算放大电路

1、第四章集成运算放大电路4.1 电电 流流 源源 电电 路路 4.1.1 基本电流源电路基本电流源电路 1. 镜像电流源（镜像电流源（Current Mirror） 由三极管组成的镜像电流源如图4-1（a）所示。图中V1V2管的参数完全相同，两管基-射之间的电压相等，UBE1=UBE2，故IB1=IB2=IB, IC1=IC2=IC。 在图4-1（a）中，电源UCCR和V1管产生一个基准电流IREF， RUUIBECCREF1 将V2管集电极电流IC2作为输出电流Io，则 /211222212REFCoCREFBREFCCIIIIIIIII当满足条件2时，上式简化为 RUUIIIBECCREFC

2、o12（4-1） 图 4-1 镜像电流源(a) 三极管构成的镜像电流源；(b) 增强型MOS管构成的镜像电流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2RIREFV1ID1 UDDIoID2V2(a)(b) 2. 改进型的镜像电流源改进型的镜像电流源 由式（4-1）可见，当三极管的电流放大系数较小时， 基极电流就不能忽略，这样IoIREF，因此为了减小因小而造成的误差，在镜像电流源V1管的集电极与基极之间加一个缓冲管V3，利用V3管的电流放大作用减小IB对IREF的分流作用，从而提高输出电流Io的精度。改进后的电路如图3-17所示，图中V1、 V2、V3管特性完全相同。 图 4-

3、2 改进型镜像电流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2IB3V3IE3 已知，1=2=3=, IB1=IB2=IB，UBE1=UBE2，因此输出电流 22331212121CREFBREFEREFBREFCCoIIIIIIIIIII整理后得 REFREFCoIIII)1 (212若=10，代入上式可得IoIREF，说明即使很小，输出电流Io也与基准电流IREF保持良好的镜像关系，即IoIREF。 3. 比例电流源比例电流源 图 4-3 比例电流源 IE1V1IREF UCCV2IE2R1R2RIo由图可得 UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2UBE1-UBE2+IE

4、1R1=IE2R2当UBE1-UBE22，由镜像电流源得IC4IC1=I/2，所以输出电流io=IC4-IC2=0。 图 3-23 有源负载的差分放大电路V1V2iC2iC1iC3 UCCV4V3iC4uidI UEEioRLuo 动态时，加入差模信号uid，根据差分放大电路的特点， V1管的集电极电流在静态电流IC1的基础上增加了iC1，V2管的集电极电流在静态电流IC2的基础上减小了iC2，iC1=-iC2。 由于iC4和iC1是镜像关系，iC4=iC1，因此io=iC4-iC2=iC1-(-iC1)=2iC1。 可见这个电流值是单端输出电流的两倍， 即等于差分放大电路双端输出时的电流值。

5、因此，用电流源作为差分放大电路的有源负载，可将双端输出信号“无损失”地转换成单端输出信号。 若电路接有负载RL，且考虑V2、V4管的输出电阻rce2、rce4， 则电压放大倍数为 bececeLbeBceceLCiourrrRrirrRiuuA)/(2)/(24242若RL0，称为甲乙类放大；图3-24（c）中，一个周期内只有半个周期iC0，称为乙类放大。 甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率， 但是由于工作点偏下，会出现严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使波形不产生严重失真， 就必须改进电路结构。 图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(a) 甲类放大； (b) 甲乙

6、类放大； (c) 乙类放大 iCiCOtOICQQiB 常数uCE(a)iCiCOICQQiB 常数tuCE(b)O图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(a) 甲类放大； (b) 甲乙类放大； (c) 乙类放大 图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(a) 甲类放大； (b) 甲乙类放大； (c) 乙类放大 tiCiCuCEOQiB 常数(c)O1） 变压器耦合功率放大电路 图 3-25 变压器耦合乙类推挽功率放大电路 V1V2iC1UCCiLRLuiTr1Tr2iC2uo 图中Tr1为输入变压器，Tr2为输出变压器，三极管V1、V2特性完全相同，且接成对称射极输出器形式。当输入电压ui为零

7、时，由于V1、V2管的发射极电压为零，均处于截止状态， 因此电源所提供的功率为零，负载上的电压也为零，两只管子的管压降均为UCC。当输入电压ui为正半周时，V1管导通，V2管截止，电流iC1如图中实线所示；当输入电压ui为负半周时， V1管截止，V2管导通，电流iC2如图中虚线所示。这种V1和V2管在电路中轮流导通的方式称为“推挽”工作方式。虽然两个三极管的集电极电流iC1和iC2均只有半个正弦波，但是经变压器耦合后，负载RL上的电流iL和输出电压uo的波形是整个正弦波。 图 3-26 OTL电路 V1V2CiC2RLui UCCuoiC1UCC/2 2） 无输出变压器的功率放大电路 变压器耦

8、合的功率放大电路优点是可以实现阻抗变换，但是其体积庞大、 笨重， 消耗有色金属，高频和低频特性差， 因此目前广泛应用的是无输出变压器的功率放大电路（Output TransfomerLess），简称OTL电路， 如图3-26所示。OTL电路用一个大电容取代了变压器，采用特性对称、类型不同的两个三极管V1和V2，其中一个为NPN型，另一个为PNP型。 静态时，前级电路应使基极电压为UCC/2，所以两管的发射极电压也为UCC/2，则电容上的电压也等于UCC/2，极性如图3-26所示。 设电容容量足够大，对交流信号视为短路，三极管b-e间的开启电压忽略不计。在ui的正半周，V1管导通，V2管截止，电

9、流iC1从UCC流出，经V1管和电容C后流过负载RL到公共端，方向如图中实线所示。由于V1管和负载RL组成的电路为射极输出形式， 故输出电压uoui；在ui的负半周，V1管截止，V2管导通，电流iC2由电容C的正极流出，经V2管和负载RL回到电容C的负极， 方向如图中虚线所示。V2管也以射极输出形式将负半周信号传送给RL，即uoui。这样负载RL上得到一个完整的信号波形。 通常情况下功率放大电路的负载电流很大，电容容量常选为几千微法，且是电解电容。 由于大容量的电容不适于集成电路， 所以通常采用无输出电容的功率放大电路无输出电容的功率放大电路（Output CapacitorLess），简称O

10、CL电路。下面以OCL电路为例， 介绍功率放大电路的最大输出功率、效率及管耗的分析与计算。 3.4.2 互补功率放大电路互补功率放大电路 1. OCL电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理 基本OCL电路如图3-27所示。电路采用绝对值相等的双电源供电，V1管和V2管特性对称，且一个为NPN型，一个为PNP型。两管发射极连接在一起作为输出端，基极连在一起作为输入端，所以两管都是共集电极接法， 故又称互补射极输出器。 图 3-27 OCL电路(a) 电路图； (b) 波形图 V1V2iC2RLui UCCuoiC1(a)uiOttOtOiC1iC2uoOt(b) UCC 当输入信号ui=0时，

11、电路处于静态，两管都不导通，静态电流为零，电源不消耗功率。在输入信号的正半周，即ui0时， V1管导通，V2管截止，正电源供电，电流iC1经V1管流过负载RL，方向如图3-27（a）中实线所示，输出电压uoui；在输入信号的负半周，即uiUCC/RL。 3. 交越失真及其消除交越失真及其消除 在图3-27所示的OCL电路中，若考虑三极管b-e间的导通电压Uon，则当输入电压的数值|ui|Uon时，V1、V2管均处于截止状态，iC1和iC2同时为零，输出电压uo也为零。只有|ui|Uon时， V1或V2管才导通，使输出电压uo等于输入电压ui。因此在这种情况下，得到的波形是失真波形，如图3-29

12、所示。由于这种失真发生在两管交替瞬间， 故称为交越失真交越失真。 图 3-29 交越失真的波形 uiOttiC1OtiC2OtuoO交越失真 为了消除交越失真，应设置合适的静态工作点，使两只三极管均工作在临界导通或微导通状态，通常采用如图3-30所示电路。图中R1、R2、VD1、VD2、R3组成偏压电路，利用R2、VD1、 VD2上的电压降给V1、V2管的发射极提供一个小的正向偏压， 这样在ui=0时，两个管子已处于微导通状态，每个管子的基极各自存在一个较小的基极电流iB1和iB2，同样，在两管的集电极也存在着较小的集电极电流iC1和iC2，但是静态时，iL=iC1-iC2=0， 所以输出电压uo为零。 图 3-30 消除交越失真的OCL电路 R1R2VD1VD2R3