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1、信息技术学院 模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog ElectronicFundamentals of Analog Electronic 第六章 集成运算放大电路 信息技术学院 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 信息技术学院 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 信息技术学院 1. 多级放大电路的组成 第 一 级 第 二 级 第n -1 级 第
2、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=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 信息技术学院 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 信息技术学院 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
3、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。 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。 信息技术学院 （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。 共射电路共射电路 直接 连
4、接 输入为零，输出 产生变化的现象 称为零点漂移 2. 多级放大电路的耦合方式 信息技术学院 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。 所以，两管均不能正常工作。 信息技术学院 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 信息技术学院
5、 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？ 信息技术学院 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？ 信息技术学院 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
6、 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。 信息技术学院 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。 共源电路共集电路 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，为阻容 耦合。 （2） 阻容耦合 2、多级放大电路的耦合方式 信息技术学院 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
7、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 信息技术学院 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。 信息技术学院 对电压放大电路的要求：Ri大， Ro小，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 信息技术学院 在求分立元件多级放 大电路的动
8、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。 信息技术学院 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。 信息技术学院 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=50，rbe1=rbe2=1.2k，求两 个管子的总的电压放大倍数，输入电阻，输
9、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 信息技术学院 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 ro1 ri2 信息技术学院 信息技术学院 分析举例2 信息技术学院 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
10、压等于输出级的最大不失真电压。 信息技术学院 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？ 信息技术学院 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 信息技术学院 一、集成运放的特点 （1）集成电路中不能制作大电容
11、，故采用直接耦合方式。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，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。 信息技术学院 二、集成运放电路的方框图 两个 输入端一个 输出端 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。 信息技术学院 集成运放电路四个组成部分的作用 输入级输入级：前置
12、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 的放大能力。 输出级输出级：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！几代产品中输入级的变化最大！ 6.3 6.4 6.5 信息技术学院 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 信息技术学院 一、零点漂移现象及其产生的
13、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。 典型电路：差分放大电路 信息技术学院 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
14、和参数均完全相同。 信息技术学院 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 信息技术学院 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 信息技术学院 环境温度变化时两只差分管参 数变化相同，集电极静态电流 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 信息技术学院 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()IC
15、1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。 信息技术学院 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 信息技术学院 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电流不 变，两端 电压也不 变，e点交 流电位可 视为“地” 信息技术学院 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）。 信息技
16、术学院 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： 信息技术学院 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！ 信息技术学院 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
