集成运算放大电路

第6章集成运算放大电路6.1多级放大电路多个基本放大电路连接构成多级放大电路。

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”。●提高增益●配置输入级和输出驱动级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、变压器耦合和光电耦合。1、阻容耦合各级放大电路之间通过隔直耦合电容连接。图6.1.1阻容耦合两级放大电路特点：●各级静态工作点相互独立●低频特性差，不适合放大直流及缓慢变化的信号●不便于做成集成电路2、直接耦合各级放大电路之间通过导线直接相连接。图6.1.2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。特点：●各级静态工作点互相影响●频率特性好，可以放大直流、交流以及缓慢变化的信号。●便于做成集成电路3、变压器耦合图6.1.3变压器耦合放大电路

各级放大电路之间通过变压器耦合传递信号变压器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特点：●各级静态工作点互不影响●低频特性差，不适合放大直流及缓慢变化的信号●可实现电压、电流和阻抗的变换，易获得较大的输出功率。●变压器耦合电路体积和重量较大，不便于做成集成电路。计算静态工作点时，变压器线圈相当于短路6.1.2

多级放大电路的动态分析（1）放大倍数的计算Au1第一级Au2第二级Aun末级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii=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β1=β2=50,T1和T2均为3DG8D。

（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●要先求各级的静态工作点，看看是否合适。会求？●画出微变等效电路（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其中第二级放大电路总电压放大倍数（2）总输入电阻：总输出电阻：6.1.3

多级放大电路的构成输入级:输入电阻要大中间级：有足够大的电压放大倍数输出级：增强带负载能力输出电阻要小还要考虑频带等方面的要求减小信号源电流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：

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）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uOuPuNAod6.2.2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.运放的外形输入级偏置电路中间级输出级uOuPuN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②零点漂移问题零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。uotO产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。2.直接耦合带来的两个问题：①前后级静态工作点相互影响,需统一考虑6.3.1直接耦合放大电路的零点漂移问题及解决1.问题的提出：直流信号、直接耦合、直流放大器解决方法：采用温度补偿采用差分放大电路（主要是输入级）且这些变化被后级当做信号加以放大。6.3.2

基本差分放大电路1.电路组成及其静态分析（1）电路组成uOuI1+VCCRCT1RBRCT2RBuI2RE–VEE二、静态分析

温度TICIE

=2ICUEUBEIBIC（1）RE的作用设uI1

=uI2

=0自动稳定RE具有强负反馈作用（称为共模负反馈电阻）uOuI1+VCCRCT1RBRCT2RBuI2RE–VEE——抑制温度漂移，稳定静态工作点。IBICICIBIEuOuI1+VCCRCT1RBRCT2RBuI2RE–VEE（2）Q点的计算直流通路IBIC1IC2IBIE静态时uI1

=uI2

=0三、动态分析1.输入信号分类(1)差模(differentialmode)输入uI1=-uI2=ud／2uI1

=uI2=uC共模抑制比（Common-ModeRejectionRatio)的定义:KCMRR=KCMRR

(dB)=(分贝)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则：ud=10mV,uc=15mV差模分量:共模分量:221IIcuuu+=差模电压增益差分放大电路应仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大.共模电压增益例:uI1=20mV=5+15=-5+15uI2=10mVuOuI+VCCRCT1RBRCT2RBRE–VEEuI1uI22.差模输入RE对差模信号作用ui1ui2iB1

,iC1iB2

,iC2△iC1

=-

△iC2△iRE

=△iE1+

△iE2

=0△uRE

=0RE对差模信号不起作用uOuI+VCCRCT1RBRCT2RBRE–VEEuI1uI2iB2iB1iC2iC1iRE差模信号通路T1单边微变等效电路uod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1uouod1uod2ui1RCRBRCRBui2E双端输出uO单端输出uO1和

uO2电路左右两边对称可画出单边微变等效电路1)放大倍数单边差模放大倍数:同理：双端输入、双端输出时：uoERCib1rbeib1ib2rbeib2RCudRBRBuo1uo2ui1ui2差模电压放大倍数:双端输入、单端输出时:uo1为反相输出端uo2为同相输出端RL若带负载RLRL中点电位为02)输入输出电阻ERCibrbeibibrbeibRCudRBRBuo输入电阻：输出电阻：单端输出时，双端输出时，

3.共模输入+VCCuOCRCT1RBRCT2RBRE–VEEuC

uOC1iC2iC1iREuRE

uOC2RE对共模信号起作用，称之为共模负反馈电阻。uC

iC1、

iC2iRE

、uRE

iC1、

iC2共模信号通路:因为iRE=2ie1,所以共模通路如下uocRCT1RBRCT2RB2REuc1

uoc2

uoc1ic2ic1uc22RE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。uocRCT1RBRCT2RB2REuc1

uoc2

uoc1ic2ic1uc22RE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

温度变化对三极管影响的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。RRuOuI1RCT1RBRCT2RBiB2iB1iC2iC1uI2E+VCC电路结构:IC3R2T3R1R3-VEE6.3.3

具有恒流源的差分放大电路

rce3

1M静态分析：先求UB3得UE3求IE3

IC3动态分析：对于差模信号：恒流源无影响对于共模信号：恒流源相当于很大的共模反馈电阻rce3，使共模放大倍数减小6.3.4差分电路的几种接法●双端输入双端输出：差模电压放大倍数:●双端输入单端输出：●单端输入的情况：因为恒流源交流电阻r0很大，可以看成开路。作用于T1和T2上be结的信号基本上是一致的，相当于双端输入的情况。ui增益公式与双端输入一样共模电压放大倍数:（1）双端输出时：（2）单端输出时：双端输出时,靠对称抑制共模信号。r0越大，则Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。单端输出时,靠共模负反馈电阻抑制共模信号。为保证对称，可加调零电位器RW,RW小，计算时可忽略不计。RW6.4功率放大电路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,最大输出功率Pom

（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

：最大输出功率。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iCuCEOQiCtOiCuCEOQiCtOiCuCEOQiCtO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IC0，一般功放常采用。6.4.2

OCL电路ic1ic2动态分析：ui

0V时T1截止，T2导通ui>0V时T1导通，T2截止iL=ic1

;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2只在半个周期内工作，称为互补对称电路。静态分析：ui=0VT1、T2均不工作

uo=0V1.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ui-UCCT1T2uo+UCCRLiL死区电压uiuou"ou´o

´tttt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。交越失真乙类放大的交越失真克服交越失真的措施：R1D1D2R2动态时：设ui

加入正弦信号。+VCC-VCCuouiiLRLT1T2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。

静态时:

UB1=UDUB2=-UDui=0T1、T2两管均处于微弱导通状态；正半周T1

基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T2

基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。UBE倍增电路B1B2+-BER3R4UIBI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，则可以用UBE倍增电路替代电路中的D1、D2两二极管。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：cbeT1T2ibicbecibic方式一：3.复合管1

2T1T2NPN+NPNNPNT1T2PNP+PNPPNPT1T2NPN+PNPNPNT1T2PNP+NPNPNP4.准互补输出级+VCC-VCCR2R3RLuiT1T2T3T4T5T6R1I

T1：

电压推动级

T2、R3、R4：

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1）输出功率假设ui

为正弦波输出达到最大值(不失真）。每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：tic12）电源提供的直流功率PV

：单个电源提供的功率为：3）效率η6.功放管的选择：对一只三极管:当Vom=VCC

时效率最大，η=π/4=78.5％。1）最大电流2）最大管压降3）最大管耗对PT求导可得最大管耗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，才能认为其对交流信号相当于短路。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。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①是双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。②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。

镜像电流源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：ui+VCCT1RbT3uoRLT2IRR动态分析：交流等效电路如下Rbrce11ibuirbe1ibrce2RL考虑参数h22相当于基本电路的RC实际电路应有上拉电阻●双端输入单端输出：将RC用恒流源代替RL同相输出端接入ui+VCCuoT1T2RLI-VEEiC3iC2iC1iC4T3T4iO2.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：有差模输入信号采用恒流源负载后，单端输出获得双端输出放大倍数后面三节自学本章结束下一章总目录结束放映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简化电路输入级V1、V3和V2、V4共集-共基组合差分电路V5、V6有源负载中间级V7、V8复合管，共发射极放大输出级甲乙类互补对称功率放大电路(OCL)V11V136.7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UIO8.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、单位增益带宽fc和转换速率SR等

6.7.1集成运放的种类为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。6.8集成运放的使用注意事项根据信号源的性质、负载的性质、精度要求和环境条件来选择6.8.1集成运放的选择6.8.2集成运放的静态调试6.8.3集成运放的保护电路集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运放安全工作，也需要从这三个方面进行保护。图6.8.1(a)所示是防止差模电压过大的保护电路，限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管VD1、VD2的正向导通电压。图6.8.1(b)所示是防止共模电压过大的保护电路，限制集成运放的共模输入电压不超过+U至-U的范围。1.输入保护图6.8.1输入保护电路－+A－+A图6.8.2所示为输出端保护电路，限流电阻R与稳压管VZ构成限幅电路，它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。2.输出保护图6.8.2输出保护电路－A＋为防止电源极性接反，可利用二极管的单向导电性，在电源端串接二极管来实现保护，如图6.8.3所示。由图可见，若电源极性接错，则二极管VD1、VD2不能导通，使电源被断开。3.电源端保护

图6.8.3电源端保护－＋A6.1.4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Au=Au1Au2Au3…....20lg︱Au︱=20lg︱Au1︱+20lg︱Au2︱+20lg︱Au3︱+…....（2）多级放大电路的相频响应为各单级相频响应的叠加φ=φ1+φ2+φ3+…（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：3.差模信号和共模信号vi1vi2线性放大电路vo差模电压增益差分放大电路应仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大.差模信号：是指在两个输入端加幅