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1、模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronic,第六章 集成运算放大电路,第六章 集成运算放大电路,6.1 多级放大电路,6.2 集成运算放大电路简介,6.6 集成运放原理电路,6.7 集成运放的主要性能指标,6.3 差分放大电路,6.4 功率放大电路,6.5 集成运放中的电流源电路,6.1 多级放大电路,一、多级放大电路的组成及耦合方式,二、多级放大电路的动态分析,1. 多级放大电路的组成,第一级,第二级,第n-1级,第n级,RL,输入级,中间级,输出级（末级）,前置级（放大电压）,放大功率,信号源,当单级放大电路不能满足性能多方面（如Au104、Ri=
2、2M、 Ro=100）要求时，应考虑采用多级放大电路。,一、多级放大电路的组成及耦合方式,组成多级放大电路时首先应考虑如何“连接”几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。 耦合电路实现两单级放大电路间连接的电路。,对耦合电路的要求： 耦合电路能保证各级有合适的静态工作点。 耦合电路能保证不引起失真。 尽量减小信号在耦合电路上的损失。,2. 多级放大电路的耦合方式,耦合电路采用直接连接或电阻连接， 不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号， 但漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而 缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路
3、。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,2. 多级放大电路的耦合方式,光电耦合,以光信号为媒介实现电信号的耦合及传递。,（1） 直接耦合,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,能够放大变化缓慢的信号，便于集成化， Q点相互影响，存在零点漂移现象。,当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化（零点漂移）会逐级放大。,直接连接,2. 多级放大电路的耦合方式,如何设置合适的静态工作点？,Q1合适吗？,第一级 UCE1= UBE2=0.7V Q1接近饱和区,第二级,IB2与集电极电流IC是一个数量级，非常大，Q2进入了饱和区，且深度饱和。
4、所以，两管均不能正常工作。,对哪些动态参数产生影响？,解决办法：在第二级加射极电阻，提高后一级发射极电位，从而提高前一级集电极电位，使每一级都有合适的静态工作点。UCE1增大、IB2减小。,Re会使第二级放大倍数下降,Re会使第二级集电极的静态电位提高，后级基极电位抬高，使级数受限,用什么元件取代Re既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？ 二极管代替射极电阻,若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？,二极管导通电压UD？动态电阻rd？,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ，其交流电阻小。,稳压管 伏安特性,小功率管多为5mA,由最大功耗得
5、出,rzu /i，小功率管多为几欧二十多欧。,用稳压二极管取代射极电阻,必要性？,NPN型管和PNP型管混合使用,问题的提出： 在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQi UBQi，所以 UCQi UCQ(i-1）（i=1N），以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适，级数受限。,直接耦合：求解Q点时应按各回路列多元一次方程，解方程组。,PNP和NPN管交替使用，实现电平移动，使集电极直流电位不被逐级抬高，可解决级数受限的问题。,Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，大电容不能集成，用于分立元件放大电路。,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为
6、阻容耦合。,（2） 阻容耦合,2、多级放大电路的耦合方式,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,3.变压器耦合,理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,从变压器原边看到的等效电阻,Q点相互独立，能够实现阻抗变换。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，变压器体积大，不能集成化。,实现了阻抗变换,二、多级放大电路动态分析,静态分析： Q点相互影响，求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。（直接耦合） Q点独立，多级电路分别分析，相当于分析多个单级放大电路。（阻容耦合）,动态分析：只要求出单级电路的相应参数就能得到多级电路的动态参数。,对电压放大电路的要求：Ri大， Ro小
7、，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,2. 输入电阻,3. 输出电阻,1.电压放大倍数,在求分立元件多级放大电路的动态参数时，应考虑级间的相互影响，将两级电路等效为单级电路时，可作两种等效。,将后一级的输入电阻作为 前一级的负载考虑，即 将第二级的输入电阻等效 为第一级的负载电阻 RL1=ri2。求Au1和总输入 电阻时。,将后一级与前一级开路， 计算前一级的开路电压放 大倍数和输出电阻，并将 其作为信号源内阻加以考 虑，共同作用到后一级的 输入端，即将前一级等效 为后一级的信号源。求 Au2和总输出电阻时。,例 电路如图，问第一级的交流负载电阻是多少？第二级的信号源内阻是多少？设：1=2=
8、50，rbe1=rbe2=1.2k，求两个管子的总的电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。,PNP管的微变等效电路与NPN管的完全相同,分析举例1,第一级的交流负载电阻就等于第二级的输入电阻,ri2=RB3|RB4|rbe2=657,第二级的信号源电阻就等于第一级的输出电阻,ro1=Rc1=3.3k,分析举例2,讨论一 失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路,共射放大电路,共射放大电路,饱和失真？截止失真？,首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。,比较Uom1和Uom2，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。,在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出
9、级的最大不失真电压。,讨论二：放大电路的选用,按下列要求组成两级放大电路： Ri12k，Au 的数值3000； Ri 10M，Au的数值300； Ri100200k，Au的数值150； Ri 10M ，Au的数值10，Ro100。,共射、共射；共源、共射；共集、共射；共源、共集。,注意级联时两级的相互影响！,若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻以及空载放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数？,6.2 集成运放电路简介,一、集成运放电路的特点,二、集成运放的方框图,一、集成运放的特点,（1）集成电路中不能制作大电容，故采用直接耦合方式。 （2）用复杂电路实现高性能的放大
10、电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。 （4）集成运放相邻元件参数具有很好的一致性，故可构成较理想的差分放大电路和电流源电路。 （5）采用复合管。,集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。,二、集成运放电路的方框图,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能
11、力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,几代产品中输入级的变化最大！,6.3,6.4,6.5,6.3 差分放大电路,一、零点漂移现象及其产生的原因,二、基本差分放大电路,三、具有恒流源的差分放大电路,四、差分放大电路的四种接法,五、差分放大电路的改进,一、零点漂移现象及其产生的原因,1. 什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,2. 产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。,克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型
12、电路：差分放大电路,二、基本差分放大电路,在理想对称的情况下： 1. 克服零点漂移；2. 零输入零输出； 3. 抑制共模信号；4. 放大差模信号。 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR,1.电路组成:对称性,Rb1=Rb2 Rc1=Rc2 +VCC、-VEE两路电源供电，为了设置合适的静态工作点 Re共模负反馈电阻 长尾电路 在任何温度下T1和T2的特性和参数均完全相同。,2. Q点分析,晶体管输入回路方程：,通常，Rb较小，且IBQ很小，故,选合适的VEE和Re就可得合适的Q,3. 抑制共模信号,共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即,环境温度变化时两只差分管参数变化相同，集电
13、极静态电流变化相等 集电极静态电位变化也相等， 输出电压的变化为0， 可将温度变化等效为共模信号，因此温漂可被有效拟制。,3. 抑制共模信号,3. 抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用,Re只对共模信号有负反馈：温度变化所引起的变化等效为共模信号,对于每一边电路，Re=? 2 Re,如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 ,抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。,4. 放大差模信号,iE1=iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。,差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即,差模信号作用时的动态分析,差模放大倍数,负载电阻中点电位不变可视为“地”,Re电
14、流不变，两端电压也不变，e点交流电位可视为“地”,差模信号作用时的动态分析,差模放大倍数,基本差分放大电路的差模放大倍数Ad与单管共射放大电路的放大倍数相等，即差分放大电路是通过牺牲一个管子的放大倍数来换取低温漂（抑制共模信号）。,共模抑制比KCMR：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力，可衡量差动放大电路的好坏。,5. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR,由于该参数数值很大，通常用分贝表示：,三、具有恒流源的差分放大电路,Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性
15、能越好。一方面，大电阻难于集成。 另一方面，为使静态电流不变，Re 越大，VEE越大，以至于Re太大VEE就不合理了。 需在低电源条件下，设置合适的IEQ，并得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源取代Re！,具有恒流源差分放大电路的组成,等效电阻为无穷大,近似为 恒流,环境温度变化时T3发射结电压变化量,在实际应用时，信号源需要有“ 接地”点，以避免干扰；或负载需要有“ 接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。,四、差分放大电路的四种接法,1. 双端输入单端输出,由于输入回路没有变
16、化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1 UCEQ2。,（1）Q点分析,戴维南定理等效变换：,（2）双端输入单端输出的动态分析,对差模信号的等效电路,对共模信号的等效电路,（3）双端输入单端输出电路问题的讨论,（1）T2的Rc可以短路吗？可以，T2集电极电流不需要转换成电压输出，实用电路中Rc可以去掉，集电极直接接电源。 （2）什么情况下Ad为“”？单端输出从T2管输出时 （3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？空载时,2. 单端输入双端输出,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,一输入端接地。等效变换-,极性相同的uI/2串联,极性相反的uI/2串联,2. 单端输入双端输出,问题讨论： 如何减小共模输出电压？ 采用具有恒流源的差分电路,测
