第9章 集成放大電路

1、第九章第九章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 9.2 電流源電路電流源電路 9.4 功率放大電路功率放大電路 9.5 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 9.3 差分放大電路差分放大電路 9.1 集成放大電路概述集成放大電路概述 集成集成電路電路集成制造在一塊微小的半導(dǎo)體基片上、完成特定功集成制造在一塊微小的半導(dǎo)體基片上、完成特定功 能的電子電路稱為單片集成（能的電子電路稱為單片集成（Integrated CircuitIntegrated Circuit，ICIC），半），半 導(dǎo)體基片稱為晶圓或襯底或芯片。導(dǎo)體基片稱為晶圓或襯底或芯片。 9.1 9.1 集成放大電路概述集成放大電路概述 混合集成電路

2、混合集成電路將單片集成電路和無源元件制作在襯底或印制電將單片集成電路和無源元件制作在襯底或印制電 路板上的小型化電子電路路板上的小型化電子電路。 單片集成電路分類：單片集成電路分類： 按制造工藝分：雙極型、單極型和雙極單極兼容型集成電路。按制造工藝分：雙極型、單極型和雙極單極兼容型集成電路。 按功能分按功能分：數(shù)字?jǐn)?shù)字和和模擬模擬集成電路。集成電路。 模擬模擬集成電路又分為：集成集成電路又分為：集成運(yùn)算運(yùn)算放大器，放大器， 集成集成功率功率放大器，放大器， 集成集成比較比較器，器， 集成集成乘法乘法器器 集成集成穩(wěn)壓穩(wěn)壓器。器。 本章僅介紹單片集成的本章僅介紹單片集成的運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器和集

3、成和集成功率放大器功率放大器。 1 1具有良好的對稱性。具有良好的對稱性。由于采用相同的標(biāo)準(zhǔn)工藝，所以容易由于采用相同的標(biāo)準(zhǔn)工藝，所以容易 在同一塊硅片上制作性能一致的同類有源元件和同類無源元件。在同一塊硅片上制作性能一致的同類有源元件和同類無源元件。 并且工作溫度基本相同，元件的溫度特性也一致。并且工作溫度基本相同，元件的溫度特性也一致。 9.1.1 9.1.1 單片集成電路中的元件及特點(diǎn)單片集成電路中的元件及特點(diǎn) 主要有以下特點(diǎn)主要有以下特點(diǎn)：（與分立元件比較） 2 2電阻和電容的數(shù)值有一定限制。電阻和電容的數(shù)值有一定限制。 3 3用有源元件代替大電阻。用有源元件代替大電阻。由于雙極型晶體

4、管（由于雙極型晶體管（BJTBJT）和場）和場 效應(yīng)管（效應(yīng)管（FETFET）占用芯片面積小、性能好，常用這些有源元件構(gòu)）占用芯片面積小、性能好，常用這些有源元件構(gòu) 成電流源電路，取代大電阻。成電流源電路，取代大電阻。 為了提高單位面積的元件數(shù)，電阻的阻值限制在數(shù)十歐姆到為了提高單位面積的元件數(shù)，電阻的阻值限制在數(shù)十歐姆到 幾個千歐之間，電容的容量一般小于幾個千歐之間，電容的容量一般小于100pF100pF。 電阻電阻是用半導(dǎo)體材料的是用半導(dǎo)體材料的體電阻體電阻， 電阻和電容的數(shù)值越大，占用的芯片面積也越大。電阻和電容的數(shù)值越大，占用的芯片面積也越大。 電容電容則是則是PNPN結(jié)的結(jié)的結(jié)電容結(jié)

5、電容或或MOSMOS管的管的柵極電容柵極電容。 2.對于多級直耦放大電路，最末級的溫度漂移最嚴(yán)重。因?yàn)榍凹?的溫度漂移直接耦合到下一級并將其放大，使后級漂移很大。 圖9.1.1 集成放大電路組成框圖 9.1.2 9.1.2 集成放大電路的組成框圖集成放大電路的組成框圖 集成放大電路通常是直接耦合的放大多級電路直接耦合的放大多級電路，如圖9.1.1所示。 直耦電路的優(yōu)點(diǎn)：直耦電路的優(yōu)點(diǎn)： 1.可以放大輸入信號的直流 分量和低頻信號； 2.電路不包含大電容和大電感， 適合集成電路工藝制造。 直耦電路的缺點(diǎn)：直耦電路的缺點(diǎn)： 1. 靜態(tài)工作點(diǎn)受信號源內(nèi)阻和負(fù) 載的影響，并且隨溫度變化移動， 稱為溫度

6、漂移漂移。 因此，必須使每級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，特別是輸入級。使每級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，特別是輸入級。 9.1.2 9.1.2 集成放大電路的組成框圖集成放大電路的組成框圖 例如，電平移動電平移動電路，調(diào)節(jié)各級電壓的配合，達(dá)到輸入量為零 時輸出量也近似為零，使信號源和負(fù)載中沒有由直流電源引起 的直流分量； 圖9.1.1 集成放大電路組成框圖 1.1.輸入級則采用靜態(tài)工作點(diǎn)很穩(wěn)定的差分放大電路。此外，還要輸入級則采用靜態(tài)工作點(diǎn)很穩(wěn)定的差分放大電路。此外，還要 求輸入級的輸入電阻大。求輸入級的輸入電阻大。 2.2.中間級主要作電壓放大，通常是中間級主要作電壓放大，通常是 共射放大電路或

7、共源放大電路。共射放大電路或共源放大電路。 3.3.輸出級要求帶負(fù)載能力強(qiáng)（輸出輸出級要求帶負(fù)載能力強(qiáng)（輸出 電阻小）。電阻?。?為了提高電壓增益，常采用復(fù)合為了提高電壓增益，常采用復(fù)合 管放大，以及電流源作集電極（或管放大，以及電流源作集電極（或 漏極）負(fù)載（稱為漏極）負(fù)載（稱為有源負(fù)載有源負(fù)載）。）。 典型電路是射極輸出器或互補(bǔ)對稱電路。典型電路是射極輸出器或互補(bǔ)對稱電路。 此外，集成電路還包含一些輔助電路此外，集成電路還包含一些輔助電路。 短路保護(hù)電路短路保護(hù)電路，防止輸出端對地短接時損壞內(nèi)部元件；等等。 9.2 電流源電路電流源電路 作用：為放大電路提供穩(wěn)定的偏流、有源負(fù)載。作用：為

8、放大電路提供穩(wěn)定的偏流、有源負(fù)載。 9.2.1 BJT電流源電流源 1.1.微電流源微電流源 2.2.鏡像電流源鏡像電流源 3.3.多路電流源多路電流源 1.MOS1.MOS管鏡像電流源管鏡像電流源 2.MOS2.MOS管多路電流源管多路電流源 9.2.2 EFT9.2.2 EFT電流源電流源 電流源：電流源：提供基本恒定電流的電路稱為電流源電路。提供基本恒定電流的電路稱為電流源電路。 可以用可以用BJTBJT或或EFTEFT組成恒流源電路。組成恒流源電路。 I IREF REF稱為基準(zhǔn)電流 稱為基準(zhǔn)電流。 1.鏡像電流源鏡像電流源 （1）電路的構(gòu)成）電路的構(gòu)成 /22 11CREFBREFC

9、 IIIII R VVV I I III BEEECC REF REF CCO /21 12 設(shè)設(shè)T T1 1和和T T2 2特性一致（特性一致（1 1=2 2=， I ICEO1 CEO1=I =ICEO2 CEO2， ，V VBE1 BE1=V =VBE2 BE2）。 ）。 (a) (a) 電路電路 (b) (b) 電路符號電路符號 Io （2）工作原理）工作原理 由電路得由電路得V VBE1 BE1=V =VBE2 BE2 ，所以 ，所以 I IB1 B1=I =IB2 B2， ，I IC1 C1=I =IC2 C2 ，即 ，即T T1 1和和T T2 2的集電的集電 極電流相等，互為鏡

10、像。極電流相等，互為鏡像。 溫度補(bǔ)償作用：溫度補(bǔ)償作用： T (a) (a) 電路電路 (b) (b) 電路符號電路符號 Io 即溫度升高引起電流源電流的增即溫度升高引起電流源電流的增 加量被電路的加量被電路的自動補(bǔ)償自動補(bǔ)償引起的減少量引起的減少量 抵消，輸出電流基本不隨溫度變化。抵消，輸出電流基本不隨溫度變化。 0 21 bb ii 2ce t t o r i v r 計(jì)算輸出電阻計(jì)算輸出電阻r ro o 等效電路如圖等效電路如圖(c)(c)所示。圖中所示。圖中 左半部分電路無獨(dú)立信號源，故左半部分電路無獨(dú)立信號源，故 II CC21、 IREFV B IB II CC21、 ic2 it

11、 + _ R e rce2rbe2 ib2 ib2 rbe1 ib1 ib1 vt rce1 ro (c) (c) 交流等效電阻計(jì)算電路交流等效電阻計(jì)算電路 b1c2c1 b2 2. 微電流源微電流源 （1）電路的構(gòu)成）電路的構(gòu)成 （2）工作原理）工作原理 利用利用T T1 1和和T T2 2的基射電壓差在射極電的基射電壓差在射極電 阻上產(chǎn)生微電流輸出，即阻上產(chǎn)生微電流輸出，即 e BEBE ECO R VV III 21 22 TBETBE Vv S Vv SE eIeIi / ) 1( S E TBE I i Vvln 晶體管的發(fā)射結(jié)電流方程和電壓方程分別為晶體管的發(fā)射結(jié)電流方程和電壓方程

12、分別為 式中，式中，I IS S是發(fā)射結(jié)反向飽和電流是發(fā)射結(jié)反向飽和電流，基射電壓，基射電壓v vBE BEV VT T=26mV=26mV。 e BEBE O R VV I 21 = - O REF e T O I I R V Iln 設(shè)設(shè)T T1 1和和T T2 2特性一致，則特性一致，則 在式中，可先確定在式中，可先確定I IREF REF和 和I IO O，然后計(jì)算，然后計(jì)算R Re e。 在微電流源電路中，在微電流源電路中，R Re e引入負(fù)反饋引入負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償作用比鏡像，溫度補(bǔ)償作用比鏡像 電流源更好。電流源更好。 Re O C e T E E e T I I R V I I

13、R V 1 2 1 lnln= )ln(ln= 21 S E S E e T I I I I R V - S E TBE I i Vvln REFC II 1 e BEBE ECO R VV III 21 22 + _ R rce2 rbe2 ib2 ib2 rbe1 ib1 ib1 it vt rce1 ro Re ro1 ve 交流等效電阻計(jì)算電路 r r rRr bebe ceo +1+1 /= 11 11 2 12 )1 ( ce eobe e o r Rrr R r 計(jì)算輸出電阻計(jì)算輸出電阻（略：）（略：） ro1是除T2外基極回路的等效電阻。 t eobe e bebtbobe i

14、 Rrr R iRiiirr + =)+(=)+( 12 22212 - 222222 )(+)+(=)(+)+(= bceetceecebtebtt irRirRriiRiiv- )( + +)+(= 2 12 2ece eobe e cee t t o Rr Rrr R rR i v r- ece Rr 2 ，所以 由于 上式中，第2項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，故微電流源的交流等效電阻很大故微電流源的交流等效電阻很大。 Re 1 /2/21 /21 /211 2 1 )/21 ( 1 1 )/21 ( 2 REF O I I R VVV II BEEECC REFO 2 2 3ce o r r 設(shè)T1、

15、T2和T3特性一致，則 威爾遜電流源的輸出電阻可按計(jì)算鏡像電流源輸出電阻的方 法計(jì)算，表達(dá)式如下 3.3.威爾遜（威爾遜（WilsonWilson）電流源）電流源 圖9.2.3 威爾遜電流源 CO II 1 )/21 ( C REF I I 1 )/21 ( 1 C I 1 )/21 ( C I ) 2 1 ( C I 2 REFeCeCeCeCe e BEBECC REFC IRIRIRIRIR RR VVV II 111223344 1 10 1 4.4.多路電流源多路電流源: : 圖9.2.4 多路電流源 VCC IC1 T1 T0 T2T3T4 Re1 Re2Re3Re4 R IREF

16、IC2IC3 IC4 4 , 3 , 2 , 1 - 1 101 1 i RR VVV R R I R R I e BEBECC ei e REF ei e Ci 上式說明電流源按射極電阻比例輸出上式說明電流源按射極電阻比例輸出 基本恒定的電流，所以基本恒定的電流，所以也稱為多路比列也稱為多路比列 電流源。電流源。 如果全部射極電阻為零，則是多路鏡像電流源。也可以 將微電流源和鏡像電流源組合成多路電流源。 設(shè)各管的設(shè)各管的 ，vBE BE相同 相同 圖圖9.2.4 9.2.4 多路電流源多路電流源 V VCC CC I IC1 C1 T T1 1 T T0 0 T T2 2T T3 3T T4

17、 4 R Re1 e1 R Re2 e2 R Re3 e3 R Re4 e4 R R I IREF REF I IC2 C2 I IC3 C3 I IC4 C4 4 , 3 , 2)1 ( 1 ir Rrr R r cei eiobei ei oi 0 0 1 111 0 0 1 + )+1 ( +1 )+1 (+( / +1 + = be ebebe o rR R Rr rR r 上式中上式中 同樣，可以用同樣，可以用PNPPNP管組成電流源，電路形式和原理與管組成電流源，電路形式和原理與NPNNPN管相管相 似，不再贅述。似，不再贅述。 每路電流源的輸出電阻為（每路電流源的輸出電阻為（略略

18、） 10 111 0 0 )+( / + Rr rR ebebe 在總電源電壓大于在總電源電壓大于2 2個場效應(yīng)管的個場效應(yīng)管的 開啟電壓（開啟電壓（V VDD DD+V +VSS SS2V 2VT T）的情況下，）的情況下， 則則T T1 1、T T2 2和和T T3 3工作在恒流區(qū)。工作在恒流區(qū)。 9.2.2 FET9.2.2 FET電流源電流源 1 1MOSMOS管鏡像電流源管鏡像電流源 將將FETFET偏置在恒流狀態(tài)偏置在恒流狀態(tài). . SSDDGSGS DD VVVV II 31 31 2 3 2 1 ) 1() 1( T GS DO T GS DO V V I V V I 2 2

19、2 2 2 22 ) 1 2 () 1( T SSDD DO T GS DODO V VV I V V III 2dso rr 由由MOSMOS管的轉(zhuǎn)移特性方程，得管的轉(zhuǎn)移特性方程，得 )( 2 1 13SSDDGSGSGS VVVVV所以，所以， )( 2 1 2SSDDGSGS VVVV 再由電路得再由電路得 輸出電阻等于的輸出電阻等于的T T2 2輸出電阻，輸出電阻， 即即 由電路，得由電路，得 圖圖9.2.5 MOS管鏡像電流源管鏡像電流源 I ID1 D1 I ID3 D3 設(shè)T1、T2和T3的特性一致 )+( 2 1 = = 0 1234 SSDDGS GSGSGSGS VVV V

20、VVV 4 ,3 ,2 ,1 ,0=)1 2 + (= )1(= 2 2 i V VV I V V II Ti SSDD DOi Ti GSi DOiDi - - 與與BJTBJT管一樣，也可以用管一樣，也可以用NMOSNMOS管組成威爾遜電流源。其電路管組成威爾遜電流源。其電路 形式與形式與BJTBJT管威爾遜電流源相似。管威爾遜電流源相似。 圖圖9.2.6 MOS9.2.6 MOS管多路電流源管多路電流源 2.MOS2.MOS管多路電流源管多路電流源 同樣，可以用同樣，可以用PMOSPMOS管組成電流源，電路形式和原理與管組成電流源，電路形式和原理與NMOSNMOS 管相似。管相似。 設(shè)設(shè)

21、T T0 0和和T T 1 1的特性一致，則 的特性一致，則 9.3 差分式放大電路差分式放大電路 特點(diǎn):靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，放大差模信號和抑制共模信號。 通常用作直接耦合多級放大電路的輸入級。 圖9.3.1 共射差分放大電路 9.3 1 9.3 1 共射差分放大電路的組成和工作原理共射差分放大電路的組成和工作原理 1 1電路組成電路組成 電路從T1和T2的基極輸入兩個電壓 信號：vi1，vi2；從T1和T2的集電極輸出電壓信號：vO=vC1-vC2。 這種連接方式稱為雙端輸入雙端輸出。 圖中IO是電流源. 要求電路參數(shù)對稱 雙端輸出電壓為零，即雙端輸出電壓為零，即v vO O=V=VC1 C1-

22、V -VC2 C2=0 =0， 接入負(fù)載對靜態(tài)工作點(diǎn)沒有影響。接入負(fù)載對靜態(tài)工作點(diǎn)沒有影響。 圖圖9.3.19.3.1 共射差分放大電路共射差分放大電路 2 2工作原理工作原理 （1 1）靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性）靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性 即即v vi1 i1= =v vi2i2=0 =0時，由電路得時，由電路得 /= 21 IIII CBBB 2 1 = 11 IIII OCCC = 21 VVVVV onBEEEE - - = 21 IRVVVV CcCCCCC - 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算 差分放大電路差分放大電路實(shí)現(xiàn)了零輸入時零輸出實(shí)現(xiàn)了零輸入時零輸出，輸入輸出不含電源引起，輸入輸出不含電

23、源引起 的直流分量的直流分量 即溫度引起的集電極電流增加量被即溫度引起的集電極電流增加量被 電路自動的負(fù)反饋引起的減少量抵消，電路自動的負(fù)反饋引起的減少量抵消， 靜態(tài)工作點(diǎn)基本不變靜態(tài)工作點(diǎn)基本不變。 IB1和和IB2 2roIC IC1和和IC2 輸入特性輸入特性 T VEVBE IC1和和IC2 當(dāng)溫度升高時，引起集電極電流增加當(dāng)溫度升高時，引起集電極電流增加IIC C?？紤]到?？紤]到電流源電流源 的動態(tài)電阻的動態(tài)電阻r ro o，下述自動的負(fù)反饋過程為真，下述自動的負(fù)反饋過程為真 圖圖9.3.19.3.1 共射差分放大電路共射差分放大電路 圖圖9.3.2 共射差分放大電路的共模輸入共射差

24、分放大電路的共模輸入 vi1= vicvi2= vic (a) 共模輸入共模輸入 （b） 交流通路交流通路 vi1= vicvi2= vic ro 輸入輸入共模信號共模信號v vi1 i1= =v vi2i2= =v vicic時 時，則有下述過程（則有下述過程（圖圖(b)(b)是交流通是交流通 路，路，r ro o是電流源的動態(tài)電阻）。是電流源的動態(tài)電阻）。 輸出共模信號輸出共模信號v voc oc為零，抑制了 為零，抑制了 共模信號輸出。共模信號輸出。 （2 2）共模信號的抑制）共模信號的抑制 0 21 ccoc vvv 21 cc vv 21 cc ii 21 bb ii ic v 共模

25、信號增加和溫度共模信號增加和溫度 升高對電路的影響相同，升高對電路的影響相同， 故共模信號屬于無用信號。故共模信號屬于無用信號。 0)( 21 oeee riiv 輸入輸入差模信號，即差模信號，即v vi1 i1=- =-v vi2 i2= =v vidid/2 /2。在電路參數(shù)對稱以及。在電路參數(shù)對稱以及T T1 1和和T T2 2 特性一致的情況下，則有下述過程特性一致的情況下，則有下述過程 此外，差模信號引起差分管此外，差模信號引起差分管2 2 射極電流射極電流交流分量變化趨勢相交流分量變化趨勢相 反反，即，即i ie1 e1- -i ie2 e2， ，射極電位的射極電位的 交流分量交流

26、分量近似近似為零為零。即。即 因此，在差模輸入信號的交流通路中，因此，在差模輸入信號的交流通路中，射極對地等效為虛斷和虛射極對地等效為虛斷和虛 短，對差模輸入信號沒有反饋。短，對差模輸入信號沒有反饋。 (a) 差模輸入差模輸入 ve0 （b） 交流通路交流通路 （3 3）差模信號的放大）差模信號的放大 1 0 c v 121 2 cccod vvvv 222 000 ccb vii 1 0 c i 1 0 b i 0 id v vv c2 c1 bebe b id id id id rr i v i v R22 2 2 1 1 cccod RRRR2 21 在在(b)(b)中，因中，因v ve

27、 e00，差放電路可，差放電路可 分解為分解為2 2個相對獨(dú)立的共射放大電個相對獨(dú)立的共射放大電 路，稱為路，稱為差放電路的半電路差放電路的半電路。如圖。如圖 (c)(c)，交流等效電路如，交流等效電路如(d)(d)圖。圖。 3 3動態(tài)分析動態(tài)分析 （1 1）輸入差模信號）輸入差模信號 差模輸入電阻差模輸入電阻 （c)半邊交流電路半邊交流電路 + T1 RC1 v vo1 i1 Ic1 ve0 圖圖9.3.3 （b） 交流通路交流通路 （d) d)雙管交流等效電路雙管交流等效電路 i b be r RC ic ib - + vi2 ib be r RC - + vi1 icib - + o2

28、v + o1 v - 差模輸出電阻差模輸出電阻 是半電路輸入電阻的是半電路輸入電阻的2 2倍。倍。 同樣是半電路輸出電阻的同樣是半電路輸出電阻的2 2倍。倍。 be c id c id cc R id od vdo r R v v v vv v v A L 2 2 2 121 負(fù)載開路的差模電壓增益為負(fù)載開路的差模電壓增益為 （d)雙管交流等效電路 i b be r RC ic ib - + vi2 ib be r RC - + vi1 icib - + o2 v + o1 v - 差模電壓增益差模電壓增益 帶負(fù)載的差模電壓增益為帶負(fù)載的差模電壓增益為 （c)半邊交流電路半邊交流電路 + T1

29、 RC1 v vo1 i1 Ic1 ve0 （b） 交流通路交流通路 be L c id c id cc id od vd r R R v v v vv v v A ) 2 /( 2 2 2 121 0 0 21 icic cc R ic oc vco vv vv v v A L 0 ic oc vc v v A 帶載的共模電壓增益為帶載的共模電壓增益為 （2 2）輸入共模信號）輸入共模信號 vi1= vicvi2= vic ro 交流通路 負(fù)載開路的共模電壓增益負(fù)載開路的共模電壓增益為: 21iiid vvv )( 2 1 21iiic vvv idici vvv 2 1 1 idici v

30、vv 2 1 2 )( ic vd vc idvdicvcidvdocodo v A A vAvAvAvvv vc vd CMR A A K ) 1 ( ic CMR idvdo v K vAv 對于任意的對于任意的2 2個輸入信號個輸入信號v vi1 i1和和v vi2 i2，定義差模輸入信號和共模輸，定義差模輸入信號和共模輸 入信號依次如下：入信號依次如下： 則任意的則任意的2 2個輸入信號均可表示為個輸入信號均可表示為差模信號和共模信號的代數(shù)和差模信號和共模信號的代數(shù)和 由疊加原理，總的輸出電壓為由疊加原理，總的輸出電壓為 定義共模抑制比為定義共模抑制比為 （3 3）同時輸入差模信號和共

31、模信號）同時輸入差模信號和共模信號 ) 1 ( ic CMR idvdo v K vAv 即共模信號等效為對差模信號的干擾信號（誤差信號），所以即共模信號等效為對差模信號的干擾信號（誤差信號），所以 希望希望共模抑制比越大越好共模抑制比越大越好。 理想的雙端輸出理想的雙端輸出差放電路，差放電路，共模電壓增益為零，共模抑制共模電壓增益為零，共模抑制 比為無窮大比為無窮大，即共模信號對差模信號沒有干擾。，即共模信號對差模信號沒有干擾。 例例9.1 9.1 差分放大電路如圖所示。設(shè)差分放大電路如圖所示。設(shè) T T1 1和和T T2 2特性一致，特性一致， 1 1=2 2=3 3=50=50； r r

32、ce3 ce3=50k =50k ，r rz z=100=100，R RL L=50k=50k。（。（1 1） 確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；（確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；（2 2）求電）求電 路的動態(tài)特性。路的動態(tài)特性。 mA R VV II e BEZ EC 15. 0 36 7 . 06 3 33 電流源的電流為電流源的電流為 圖圖9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 圖圖 R RL L R Rb bR Rb b 解解 （1）靜態(tài)分析）靜態(tài)分析 圖圖9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 圖圖 R RL L R Rb bR Rb b V.VVVV BEEEE 70-=-= 21 k I rr

33、 E bebe 1817880= 075.0 26 51+200= 26 )+1 (+200= 1 21 k I r E be 0 .99040= 15.0 26 51+200= 26 )+1 (+200= 3 3 kr Rrr R r ce ezbe e o 171450) 361 . 018 3650 1 ()1 ( 3 33 3 T T1 1、T T2 2和和T T3 3的輸入電阻為的輸入電阻為 由式（由式（9.2.5），），電流源的輸出電阻為：電流源的輸出電阻為： 075. 0 2 1 321 CCCC IIII V.IRVVVV CcCCCCC 54=0750100-12=-= 21

34、 （因?yàn)榇藭r（因?yàn)榇藭rRL中沒有電流）中沒有電流） krRR bebid 56)1810(2)(2 7 .35 1810 )25/100(50 ) 2 /( beb L c vd rR R R A kRRRR cccod 20010022 21 在交流回路中，在交流回路中，R Rb b與與T T1 1和和T T2 2的輸入電阻的輸入電阻r rbe be串聯(lián)，所以用 串聯(lián)，所以用R Rb b+r+rbe be替 替 代代r rbe be，即 即差模輸入電阻差模輸入電阻為為 差模電壓增益為差模電壓增益為 差模輸出電阻為差模輸出電阻為 差分對管的靜態(tài)電流越小，差模輸入電阻越大。差分對管的靜態(tài)電流越小

35、，差模輸入電阻越大。 （2 2）動態(tài)分析）動態(tài)分析 圖圖9.3.4 9.3.4 例例9.1 9.1 圖圖 R RL L R Rb bR Rb b 由于電路參數(shù)對稱和雙端輸出，所以共模電壓增益為由于電路參數(shù)對稱和雙端輸出，所以共模電壓增益為0 0。 計(jì)算表明：計(jì)算表明：差模電壓增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于共模電壓增益；差模電壓增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于共模電壓增益； 共模輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模輸入電阻；共模輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模輸入電阻； 共模和差模信號的輸出電阻相同；共模和差模信號的輸出電阻相同； 圖圖9.3.5 9.3.5 單端輸入雙端輸出方式單端輸入雙端輸出方式 RL 9.3.2 9.3.2 共射差分放大電路的輸入輸出方式

36、和動態(tài)性能共射差分放大電路的輸入輸出方式和動態(tài)性能 雙端輸入雙端輸入: : 在兩個輸入端同時輸入電壓信號在兩個輸入端同時輸入電壓信號（v vi1 i100和和v vi2 i20 0）. 單端輸入單端輸入: :只在任何一個輸入端輸入電壓信號（只在任何一個輸入端輸入電壓信號（v vi1 i100和和v vi2 i2= =0 0） 或者（或者（v vi1 i1=0=0和和v vi2 i20 0） 雙端輸出雙端輸出: :負(fù)載跨接于兩個輸出端之間負(fù)載跨接于兩個輸出端之間 （浮地負(fù)載）（浮地負(fù)載）. 單端輸出單端輸出: :負(fù)載連接在任何一個負(fù)載連接在任何一個 輸出端與參考電位之間輸出端與參考電位之間（接地

37、（接地 負(fù)載）負(fù)載）則稱為單端輸出。則稱為單端輸出。 輸入輸出方式分為：輸入輸出方式分為： 雙端輸入雙端輸出，雙端輸入雙端輸出， 雙端輸入單端輸出，雙端輸入單端輸出， 單端輸入雙端輸出，單端輸入雙端輸出， 單端輸入單端輸出。單端輸入單端輸出。 4 4種種 v vi1 i100和和v vi2 i2=0=0，負(fù)載，負(fù)載R RL L跨接于兩個集電極之間?？缃佑趦蓚€集電極之間。 圖圖9.3.5 9.3.5 單端輸入雙端輸出方式單端輸入雙端輸出方式 RL 1. 1. 單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出方式的方式的動態(tài)性能動態(tài)性能 輸入信號可分解為差模信號（輸入信號可分解為差模信號（v vid id = =

38、v vi1 i1）和共模信號（）和共模信號（v vic ic = =v vi1 i1/2/2）。）。 靜態(tài)工作點(diǎn)的靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算計(jì)算亦相同亦相同， 不再贅述不再贅述 動態(tài)性能相同動態(tài)性能相同 單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出 雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出 21iiid vvv )( 2 1 21iiic vvv / 2 1 21 2 21 21 CBBB CcCCC OCCC BEEEE IIII IRVV IIII VVVV )/( 1cLCCC cL L C RRIV RR R V cco RRR 1 圖圖9.3.6 9.3.6 雙端輸入單端輸出方式雙端輸入單端輸出方式 R RL L

39、 v vi1 i100和和v vi2 i20 0，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻R RL L接在集電極接在集電極C C1 1和地之間。和地之間。 （但是，（但是，T T1 1的集電極靜態(tài)電位的集電極靜態(tài)電位 卻不同，修正為下式卻不同，修正為下式 2. 2. 雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出方式的方式的動態(tài)性能動態(tài)性能 1 1）靜態(tài)時）靜態(tài)時，由于，由于T T1 1和和T T2 2的輸入回路參數(shù)對稱，仍有的輸入回路參數(shù)對稱，仍有 be Lc ebbe Lcb id do id do vd r RR vir RRi v v v v A 2 )/( )(2 )/( 2 2 1 1111 2 2）當(dāng)輸入差模信號時

40、）當(dāng)輸入差模信號時，由于，由于T T1 1和和T T2 2的參數(shù)對稱，差分對管射的參數(shù)對稱，差分對管射 極電流的變化量極電流的變化量大小相等，符號相反大小相等，符號相反，射極仍然是，射極仍然是虛短和虛斷虛短和虛斷 。 bebe b id id id id rr i v i v R22 2 2 1 1 cco RRR 1 輸出電阻為輸出電阻為 差模電壓增益為差模電壓增益為 單端輸出的電壓增益近似是雙端輸出的一半。單端輸出的電壓增益近似是雙端輸出的一半。 若若R RL L接在接在C C2 2與地之間（與地之間（輸入信號和輸出信號不在同一個管子的輸入信號和輸出信號不在同一個管子的 電極上電極上），）

41、，則單端輸出的差模電壓增益表達(dá)式中沒有則單端輸出的差模電壓增益表達(dá)式中沒有“” ” 。 ve0 9.3.7（a）差模輸入信號交流通路 RL 因此，因此，差模輸入電阻差模輸入電阻與雙端輸入雙端輸出方式與雙端輸入雙端輸出方式相同相同，為，為 obe Lc obbbe Lcb ic co vc r )(r )R/R( ri )(ir )R/R(i v v A +12+ = +12+ = 1 11 111 be o be obe vc vd CMR r r r rr A A K )1 (2 2 1 共模抑制比共模抑制比為為 ve0 9.3.7（a）差模輸入信號交流通路交流通路 RL 由圖由圖9.3.6

42、9.3.6電路，得電路，得共模電壓增益共模電壓增益為為 共模輸入電阻共模輸入電阻: :與雙端輸入雙端輸出方式相同與雙端輸入雙端輸出方式相同. .（略略） 輸出電阻輸出電阻仍是仍是: : )1 (2 2 1 obe ic ic ic rr i v R cco RRR 1 3. 單端輸入單端輸出方式的單端輸入單端輸出方式的動態(tài)性能動態(tài)性能 輸入信號分解為差模信號輸入信號分解為差模信號（vid =vi1）和）和共模信號（共模信號（vic =vi1/2）。）。 圖9.3.5 雙端輸入單端輸出方式 RL 如圖如圖vi10和和vi2=0，則是單端輸入單端輸出電路。，則是單端輸入單端輸出電路。 綜上所述綜上

43、所述 （1 1）輸入方式僅影響差模輸入信）輸入方式僅影響差模輸入信 號和共模輸入信號的大?。ㄒ娛教柡凸材］斎胄盘柕拇笮。ㄒ娛?（9.3.109.3.10），不影響差分放大電路的性），不影響差分放大電路的性 能參數(shù)；能參數(shù)； （2 2）4 4種方式的輸入電阻相同；種方式的輸入電阻相同； （3 3）電壓增益和輸出電阻則與輸）電壓增益和輸出電阻則與輸 出方式有關(guān)；單端輸出時，差模增益和出方式有關(guān)；單端輸出時，差模增益和 輸出電阻是雙端輸出的一半。輸出電阻是雙端輸出的一半。 因此，因此，動態(tài)性能動態(tài)性能與雙端輸入單端輸出的動態(tài)性能相同，與雙端輸入單端輸出的動態(tài)性能相同， 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)

44、算亦相同，不再贅述。亦相同，不再贅述。 例例9.2 9.2 有源負(fù)載共射差放電路如圖有源負(fù)載共射差放電路如圖(a)(a)所示。試求電路的差模電所示。試求電路的差模電 壓增益、差模輸入電阻和輸出電阻的表達(dá)式。（壓增益、差模輸入電阻和輸出電阻的表達(dá)式。（略略） be id be id b r v r v i 2 = 2 = 1 1 解：解：T T1 1和和T T2 2作差放，作差放，T T3 3和和T T4 4是是 T T1 1和和T T2 2的有源負(fù)載，且的有源負(fù)載，且T T3 3和和T T4 4的集的集 電極電流互為鏡像。電極電流互為鏡像。 當(dāng)差模輸入時，當(dāng)差模輸入時，差分對管的發(fā)差分對管的發(fā)

45、 射極交流電位近似為零射極交流電位近似為零。 小信號等效電路如圖小信號等效電路如圖(b)(b)。IO (a)(a) rbe1 rbe2 rce2 rbe3rbe4 rce4 i b 2 i b 1 i b 3 i b 4 ib1 ib2 ib3ib4 vid/2 + - -vid/2 + - ve0 e vo2 (b)(b) 由于由于r rbe be遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于r rce ce，故 ，故2 2者并者并 聯(lián)可忽略聯(lián)可忽略r rce ce。 。 由圖由圖(b) (b) 得得 1 2 2 22 b be id be id b i r v r v i 44 3 4 34433 = bb be b

46、e bbbebbe ii r r iirir 1144331 +2 =+= bbbbbbb iiiiiii rbe1 rbe2 rce2 rbe3rbe4 rce4 ib2 ib1 ib3 ib4 ib1 ib2 ib3ib4 vid/2 + - -vid/2 + - ve0 e vo2 （b） be cece id o vdo r rr v v A )/( 422 負(fù)載開路的差模電壓增益為負(fù)載開路的差模電壓增益為 id be cece cecebb cecebbo v r )r/r( )r/r()ii ( )r/r)(ii(v 42 4221 42242 = -= -= 因此，有源負(fù)載因此，

47、有源負(fù)載將雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出將雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，并保持增益表并保持增益表 達(dá)式與雙端輸出相同達(dá)式與雙端輸出相同。此外，。此外，有源負(fù)載的交流等效電阻大，可以有源負(fù)載的交流等效電阻大，可以 有效地提高增益。有效地提高增益。 be b id id id id r i v i v R2 2 2 1 42 / ceceo rrR 差模輸入電阻差模輸入電阻為為 當(dāng)輸入信號為零時，當(dāng)輸入信號為零時， i ib1 b1= = i ib2b2=0 =0，使，使i ib4 b4=0 =0。所以，。所以， 輸出電阻較大輸出電阻較大。 rbe1 rbe2 rce2 rbe3rbe4 rce4 ib2 ib

48、1 ib3 ib4 ib1 ib2 ib3ib4 vid/2 + - -vid/2 + - ve0 e vo2 （b） 輸出電阻輸出電阻 圖圖9.3.9 9.3.9 共射差分放大電路共射差分放大電路 OEECC Iiiii 2121 TBEBE TBE TBE Vvv Vv S Vv S E E C C e eI eI i i i i / )( / / 2 1 2 1 21 2 1 當(dāng)輸入信號當(dāng)輸入信號大范圍變化大范圍變化時，不能用小信號模型分析晶體管的特時，不能用小信號模型分析晶體管的特 性。而是利用晶體管的性。而是利用晶體管的電流方程電流方程推導(dǎo)輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)推導(dǎo)輸出電壓與輸入

49、電壓的函數(shù)關(guān) 系，即傳輸特性。系，即傳輸特性。 由由BJTBJT發(fā)射結(jié)的電流方程發(fā)射結(jié)的電流方程, ,并考慮到并考慮到T T1 1 和和T T2 2特性一致，得特性一致，得 O Vvv Vvv C O Vvv C I e e i I e i TBEBE TBEBE TBEBE / )( / )( 1 / )( 2 21 21 21 1 1 1 所以，所以， 9.3 3 9.3 3 共射差分放大電路的共射差分放大電路的電壓傳輸特性電壓傳輸特性( (略講略講) ) 由電路，得由電路，得 圖圖9.3.9 9.3.9 共射差分放大電路共射差分放大電路 Oc VvvVvv VvvVvv Oc Vvv V

50、vv CCcCcCCCcCCCCO IR ee ee IR e e iiRiRViRVvvv TBEBETBEBE TBEBETBEBE TBEBE TBEBE 2/ )(2/ )( 2/ )(2/ )( / )( / )( 212121 2121 2121 21 21 1 1 )()( T BEBE OcO V vv thIRv 2 21 1 2 1 12 ) 2 ( )!2( 1 1 ) 2 ( )!12( 1 2 2 n n T id m m T id T id Oc T id OcO V v n V v mV v IR V v thIRv 再由電路，得再由電路，得 當(dāng)輸入共模信號時，當(dāng)

51、輸入共模信號時，vBE1 BE1= = vBE2 BE2。 。 vO O= =0 0，即抑制共模信號。，即抑制共模信號。 th(xth(x) )是非線性的雙曲正切函數(shù)。是非線性的雙曲正切函數(shù)。 當(dāng)輸入差模信號時，當(dāng)輸入差模信號時，v vBE1 BE1-v -vBE2BE2= = v vid id。由上式，得。由上式，得 時，當(dāng) 2 T id V v 4 1 2 2 2 T id V v mV mVV v T id 13 2 26 2 2 iC vCE Q 0 ICEO 0 R RTc Tc+R +RTs Ts。當(dāng)忽略管殼至周圍環(huán)境的熱阻時，可求出 。當(dāng)忽略管殼至周圍環(huán)境的熱阻時，可求出 散熱回

52、路的總熱阻散熱回路的總熱阻 P PC C是管芯耗散功率是管芯耗散功率( (熱源熱源) )， R RTj Tj是管芯至管殼的熱阻（可從手冊中查出）， 是管芯至管殼的熱阻（可從手冊中查出）， R RTa Ta是管芯至環(huán)境的熱阻， 是管芯至環(huán)境的熱阻， R RTc Tc是管殼至散熱片的熱阻（與有否墊片、接觸面積、緊固程度 是管殼至散熱片的熱阻（與有否墊片、接觸面積、緊固程度 等有關(guān)），等有關(guān)）， 例例9.39.3 某功放電路中采用某功放電路中采用3DD1003DD100低頻大功率管，由晶體管手低頻大功率管，由晶體管手 冊查出，最大允許功耗冊查出，最大允許功耗P PCM CM=20W =20W，最高允

53、許結(jié)溫，最高允許結(jié)溫T TjM jM=178 =1780 0C C， R RTj Tj=3 =30 0C/WC/W，若要求環(huán)境溫度為，若要求環(huán)境溫度為40400 0C C，R RTc Tc=1 =10 0C/WC/W，試問應(yīng)選用，試問應(yīng)選用 熱阻為多大的散熱片？熱阻為多大的散熱片？ WC W C P TT R CM ajM T/75. 6= 20 )40175( = - = 0 0 - R RTs Ts=R =RT T -R -RTj Tj-R -RTc Tc= =（ （6.75-3-16.75-3-1）0 0C/W=2.75C/W=2.750 0C/WC/W 由式（由式（9.4.169.4.

54、16）得散熱片的熱阻為）得散熱片的熱阻為 應(yīng)選用熱阻小于應(yīng)選用熱阻小于2.752.750 0C/WC/W的散熱片。的散熱片。 解：解：由式由式9.4.15 9.4.15 可得總熱阻為可得總熱阻為 R TT P T ajM CR - 由于集成運(yùn)放通常不直接驅(qū)動終端負(fù)載，故不必像由于集成運(yùn)放通常不直接驅(qū)動終端負(fù)載，故不必像 集成功率放大器那樣輸出較大功率，但要求輸出電阻小，集成功率放大器那樣輸出較大功率，但要求輸出電阻小， 增益和輸入電阻大，頻率特性好。增益和輸入電阻大，頻率特性好。 9.5 9.5 集成運(yùn)算放大器（集成運(yùn)算放大器（略講略講） 利用運(yùn)放的高增益和對其引入的反饋，極易組成利用運(yùn)放的高

55、增益和對其引入的反饋，極易組成 各種模擬信號處理電路各種模擬信號處理電路，故由此而得名。，故由此而得名。 分類：有雙極型、單極型及雙極單極兼容型產(chǎn)品。分類：有雙極型、單極型及雙極單極兼容型產(chǎn)品。 集成放大器的符號和外形集成放大器的符號和外形 運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖 P N O_ vi1 vo vi2 + (a) + (a) 國家標(biāo)準(zhǔn)符號 (b)原符號(舊符號) (b) vo + _ vi1 vi2 +A 運(yùn)放由電流源偏置電路、差分輸入級、中間放大級和互補(bǔ)輸出運(yùn)放由電流源偏置電路、差分輸入級、中間放大級和互補(bǔ)輸出 級組成，如圖中的分塊虛線所示。級組成，如圖中的分塊虛線所示。 圖9.5.

56、1 集成運(yùn)算放大器LM741電路原理圖 9.5.1 9.5.1 雙極型集成運(yùn)算放大器雙極型集成運(yùn)算放大器LM741LM741 mA R VVVV I BEBEEECC R 73. 0 39 7 . 07 . 030)( 5 1112 mAII RC 73. 0 13 1010 6 10 3 3 3 104 10 ln22. 7101154. 0 1073. 0 ln 103 1026 ln CC CC RT C II II I R V I AIII CCC 28 1098 由電路，得基準(zhǔn)電流由電路，得基準(zhǔn)電流 PNPPNP管管T T12 12和 和T T13 13組成鏡像電流源。由（ 組成鏡像

57、電流源。由（9.2.19.2.1）式，得）式，得 NPNNPN管管T T10 10和 和T T11 11組成為微電流源。由（ 組成為微電流源。由（9.2.49.2.4）式，得）式，得 AAIC281028 6 10 解為解為 PNPPNP管管T T8 8和和T T9 9組成鏡像電流源。由（組成鏡像電流源。由（9.2.19.2.1）式，得）式，得 1. 電流源偏置電路電流源偏置電路 圖圖9.5.2 9.5.2 輸入級交流通路輸入級交流通路 NPN NPN管管T T1 1和和T T2 2組成共集差分放大電路，組成共集差分放大電路，T T8 8是電流源，射極雙端是電流源，射極雙端 輸出；輸出；PNP

58、PNP管管T T3 3和和T T4 4組成共基差分放大電路，組成共基差分放大電路，T T5 5、T T6 6和和T T7 7以及以及R R1 1、 R R2 2和和R R3 3組成有源負(fù)載，實(shí)現(xiàn)雙端輸出到單端輸出的轉(zhuǎn)換。組成有源負(fù)載，實(shí)現(xiàn)雙端輸出到單端輸出的轉(zhuǎn)換。 1 )1 ( 2 4 4 22 be beid r rR 2. 2. 差分放大輸入級差分放大輸入級 由于輸入級靜態(tài)電流很小，由于輸入級靜態(tài)電流很小，r rbe be較大， 較大， 使差模輸入電阻可達(dá)使差模輸入電阻可達(dá)2M2M。 差模信號時輸入級的交流通路如圖差模信號時輸入級的交流通路如圖 9.5.29.5.2所示，所示，R Ri2

59、i2是中間級的輸入電阻。是中間級的輸入電阻。 電路是一個電路是一個共集共基組合共集共基組合差分放大電差分放大電 路。路。 T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4 、T T5 5和和T T6 6的靜態(tài)電流的靜態(tài)電流 近似近似等于等于T T8 8靜態(tài)電流的一半靜態(tài)電流的一半，即，即14A14A。 差模輸入電阻是半電路輸入電阻的差模輸入電阻是半電路輸入電阻的2 2倍，即倍，即 差模電壓增益等于半電路的電壓增益?？紤]到差模電壓增益等于半電路的電壓增益?？紤]到R Ri2 i2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本級遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本級 的輸出電阻，則差模電壓增益為的輸出電阻，則差模電壓增益為 圖圖9.5.2 9.5.2 輸

60、入級交流通路輸入級交流通路 4224 242 4 24 4 4 22 4 4 2 12 4 1 )1 ()1 ( )1)(1 ( 1 )1 ( 1 )1 ( bebe i be i be be be ii c vd rr R r R r r r vv v A 171716 317131716 4 17 2 )1 ( )/( bebe icece c c v rr Rrr v v A 1717162 )1 ( bebei rrR NPNNPN管管T T16 16和 和T T17 17構(gòu)成復(fù)合管共射極放大電路，電流源 構(gòu)成復(fù)合管共射極放大電路，電流源T T13 13是其有源 是其有源 負(fù)載。由于負(fù)