模擬電子技術(shù)第四章 多級放大器和集成放大器

1、 4.1 4.1 多級放大電路的耦合方式多級放大電路的耦合方式 4.4 4.4 集成運算放大器集成運算放大器4.2 4.2 多級放大電路的分析方法多級放大電路的分析方法4.3 4.3 差分放大器差分放大器4.1 多級放大器的耦合方式多級放大器的耦合方式多級放大電路多級放大電路:由單級放大器級連而成。由單級放大器級連而成。用途用途uiuo4.1.1阻容耦合阻容耦合圖4-1 兩級共射阻容耦合放大電路優(yōu)點：優(yōu)點： 各級各級Q點是相互獨立，計算方便，設(shè)計和調(diào)點是相互獨立，計算方便，設(shè)計和調(diào)試試Q點簡單。點簡單。 各級各級Q點不會相互影響，不會產(chǎn)生總體點不會相互影響，不會產(chǎn)生總體漂移。漂移。缺點：缺點：

2、 低頻特性差，直流通不過。低頻特性差，直流通不過。 由于電容的存由于電容的存在，不易集成。在，不易集成。2Cb1Rc1R1Tb2Rc2R2TsRsu1C3CLRou+_+_ +VCC4.1.2直接耦合直接耦合圖4-2 直接耦合方式實例問題：問題：UCEQ1=UBEQ2b1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_ +VCCb2R（a）b1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_ +VCC（b）可省去可省去R Rb2b2改進電路改進電路( (c) )電路中接入電路中接入 Re2，保證第一級集電極有較高的靜，保證第一級集電極有較高的靜態(tài)電位，但第二級放大倍數(shù)嚴(yán)重下降。態(tài)電位，但第二級放大倍數(shù)嚴(yán)重下降。b

3、1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_e2R +VC CDb1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_ +VCCZDb1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_ +VCC二極管或穩(wěn)壓管代替二極管或穩(wěn)壓管代替Re，動態(tài)電阻很小，可以使第動態(tài)電阻很小，可以使第二級的放大倍數(shù)損失小。但第二級集電極電壓變化范圍二級的放大倍數(shù)損失小。但第二級集電極電壓變化范圍減小。減小。 ( (d) ) （e e） 改進電路改進電路改進電路改進電路(f)(f) NPN管和管和PNP管混管混合使用，可獲得合適的合使用，可獲得合適的工作點。是集成電路中工作點。是集成電路中常采用的方式。常采用的方式。b1Rc1R1Te2R2T

4、ou+_iu+_c2R +VCC直接耦合方式的優(yōu)缺點：直接耦合方式的優(yōu)缺點：優(yōu)點：優(yōu)點：( (1) )具有良好的頻率特性，具有良好的頻率特性， 可以放大交流和緩慢可以放大交流和緩慢變化及直流信號；變化及直流信號；( (2) ) 便于集成化。便于集成化。缺點：缺點：( (1) )各級靜態(tài)工作點互相影響；各級靜態(tài)工作點互相影響； ( (2) )零點漂移。零點漂移。4.1.3變壓器耦合變壓器耦合圖4-3 變壓器耦合共射放大電路b1R1Tb3RLR2TsRsu1Ce2C+_b2Re1Rb4Re2Re1C+b1C+ou+_+VCC缺點：缺點： 低頻特性和高頻特性都不好，只適合一定頻率范圍低頻特性和高頻特

5、性都不好，只適合一定頻率范圍的信號通過。的信號通過。 變壓器使用磁性材料及金屬制成，體積大，不能集成化。變壓器使用磁性材料及金屬制成，體積大，不能集成化。優(yōu)點：優(yōu)點： 前后級隔直，不會產(chǎn)生零點漂移。前后級隔直，不會產(chǎn)生零點漂移。 可實現(xiàn)阻可實現(xiàn)阻抗變換，獲得最佳功率匹配?？棺儞Q，獲得最佳功率匹配。圖4-4 變壓器阻抗變換1ILR2I1U+_ 2U+_ LR L221LR)nn(R4.1.4光電耦合光電耦合光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞I Ie1=(1+)I ICBO （a）光電耦合器 （b）光電耦合器的傳輸特性 圖4-5光電耦合

6、器及其傳輸特性Dicice光電耦合器的應(yīng)用光電耦合器的應(yīng)用sRsu+_VcR信號源光電耦合器輸出回路+VCCDicice優(yōu)點： 光電耦合器可將輸入端和輸出端完全電隔離開來，在抗干擾、降低噪聲以及電路安全性方面具有巨大的優(yōu)越性。 體積小，便于集成，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。缺點： 光電耦合器的傳輸比CTR比較小，輸出電壓還需進一步放大。 精度低，動態(tài)范圍小。目前，集成光電耦合電路得到廣泛應(yīng)用，常見的模擬光耦器件有SLC800等。圖4-6 光電耦合放大電路4.24.2多級放大電路的分析方法多級放大電路的分析方法4.2.14.2.1多級放大電路的靜態(tài)分析多級放大電路的靜態(tài)分析 阻容耦合及變壓器耦合電路

7、，其阻容耦合及變壓器耦合電路，其Q Q點互不影響，其分點互不影響，其分析方法同單級放大電路。析方法同單級放大電路。 直接耦合或光電耦合電路靜態(tài)工作點的分析，需要列直接耦合或光電耦合電路靜態(tài)工作點的分析，需要列出節(jié)點方程和回路方程進行計算。出節(jié)點方程和回路方程進行計算。圖4-7 直接耦合放大電路 ZDb1Rc1R1Tc2R2Tou+_ +VCCB1IB2IRbIC1IC2IRsIsRsu+_Rc1I CCRbb1V-0.7I=R Rs0.7I=RsRsRbB1I -II B11C1IIC1ZCCRc1RV7 . 0VIc1Rc1B2I -IIZCE1V7 . 0UB22C2IIZC2C2CCCE

8、2VRI -VU圖圖4-74-7所示為二級直接耦合所示為二級直接耦合放大電路，令放大電路，令u us s=0=0，其靜，其靜態(tài)分析過程如下：態(tài)分析過程如下：4.2.24.2.2多級放大電路的動態(tài)分析多級放大電路的動態(tài)分析iuo1uA1i2u2o2unLRsRsu+_+_+_+Ainu+_ou+_A圖4-8多級放大電路組成框圖多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：多級放大電路的電壓放大倍數(shù)： ，是每一級增益，是每一級增益的乘積。即：的乘積。即：iouuuAunu2u1inoi2o2io1uAAAuuuuuuA多級放大電路的輸入阻抗為第一級的輸入阻抗，即：多級放大電路的輸入阻抗為第一級的輸入阻抗，即：Ri=

9、Ri1 多級放大電路的輸出阻抗為最后一級的輸出阻抗，即：多級放大電路的輸出阻抗為最后一級的輸出阻抗，即： Ro=Ron 在進行多級放大電路動態(tài)分析時，要注意以下幾點：在進行多級放大電路動態(tài)分析時，要注意以下幾點： 在計算各級電壓放大倍數(shù)時，要考慮后級對前級的影響，在計算各級電壓放大倍數(shù)時，要考慮后級對前級的影響，后級的輸入阻抗為前級的負載電阻。后級的輸入阻抗為前級的負載電阻。 在計算第一級的輸入阻抗時，如為共射或共基電路可用公在計算第一級的輸入阻抗時，如為共射或共基電路可用公式直接計算；若第一級為射級輸出器，則后級輸入阻抗式直接計算；若第一級為射級輸出器，則后級輸入阻抗R Ri2i2會對會對R

10、 Ri i=R=Ri1i1產(chǎn)生影響。如圖產(chǎn)生影響。如圖4-94-9所示電路中：所示電路中：2i1ebe1b1i1i/RR)(1/rRRR圖4-9 多級放大電路輸入阻抗的計算b1Re1R1TsRsu1C+_+VCCi2RiR 在計算輸出阻抗在計算輸出阻抗R Ro o時，如最后一級為射級輸出器，則前時，如最后一級為射級輸出器，則前一級的輸出阻抗一級的輸出阻抗R Ron-1on-1影響后一級的輸出阻抗影響后一級的輸出阻抗R Ro o=R=Ronon。如圖。如圖4-4-1010所示電路中：所示電路中：1/RRr/RR1 -onbnbenenobnRenR1Ton-1Ronu1C+_ +VCCLR2Co

11、n-1u+_ oR圖4-10多級放大電路輸出阻抗的計算 在具體分析電路時，如能直接用公式法寫出相連時的在具體分析電路時，如能直接用公式法寫出相連時的各級放大器的增益則直接計算，如不明顯則可先作出全部各級放大器的增益則直接計算，如不明顯則可先作出全部交流交流h h參數(shù)等效圖再逐級進行計算。參數(shù)等效圖再逐級進行計算。 【例【例4-1】 圖圖4 - 11為二級放大電路。已知：為二級放大電路。已知：圖4-11 二級阻容耦合放大電路。，5kRRk001Rk3 . 2R5kRR15kR12VVLe2b3e1c1b2b1CC300rbbiu2CLRou+_+_b1c1R1Tb2e1Re1C3Cb3Re2R2

12、T1CRR+VCC三極管的電流放大系數(shù)均為三極管的電流放大系數(shù)均為=50， 。圖中各電容足。圖中各電容足夠大，試求電路的靜態(tài)工作點、夠大，試求電路的靜態(tài)工作點、 電壓放大倍數(shù)、電壓放大倍數(shù)、 輸入阻抗和輸入阻抗和輸出阻抗。輸出阻抗。 4V5)V1.612(RIVU1.6mA0.03251)I1 (ImA230 . 0mA51510011.3)R(1RUVIe2EQ2CCCEQ2BQ2EQ2e2b3BE2CCBQ2第二級：第二級：iu2CLRou+_+_b1c1R1Tb2e1Re1C3Cb3Re2R2T1CRR+VCC解：（解：（1 1）靜態(tài)分析：）靜態(tài)分析：由于為阻容耦合，由于為阻容耦合，Q

13、Q值互不影響，分值互不影響，分別獨立計算。別獨立計算。第一級：第一級：工作點穩(wěn)定電路工作點穩(wěn)定電路7V. 4V)3 . 25 (112)R(RIVU1mA2.3V0.7V3VRUURUI3V12V5515VRRRUe1c1EQ1CCCEQ1e1BE1BQ1e1EQ1EQ1CCb2b1b2BQ1射極輸出器射極輸出器（2 2）動態(tài)分析：圖）動態(tài)分析：圖4-124-12所示為圖所示為圖4-114-11放大電路的交流等效電路。放大電路的交流等效電路。電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)AuAu：由于第一級的負載是第二級的輸入阻抗，所以：由于第一級的負載是第二級的輸入阻抗，所以：圖4-12 圖4-11所示電路的交流

14、等效電路其中：其中：be1i2c1u1r)/R(RAk65)R/)(R(1/rRRLe2be2b3i21.1kI26)(1rrEQ2bbbe21.6k I26)(1rrEQ1bbbe1經(jīng)計算求得經(jīng)計算求得Au1-156第二級是射極輸出級第二級是射極輸出級, 其電壓放大倍數(shù)：其電壓放大倍數(shù)：1)/R)(R(1r)/R)(R(1ALe2be2Le2u2所以：所以：156AAAu2u1u輸入阻抗：輸入阻抗：1.1k /r/RRRbe1b2b1i輸出阻抗：輸出阻抗：1181/RRr/RRc1b3be2e2o b1Rbe1rb2Rb1ic1Rb3Riu+_ou+_b1ii2Rbe2re2RLRb2i12

15、b2iiRoR【例例4-24-2】 如圖如圖4-134-13所示電路，寫出所示電路，寫出A Au u、R Ri i和和R Ro o的表達式。的表達式。圖4-13 多級放大電路的計算L1u1RgAmi24L1/RRR R)1 (/r/RRR102be276i2102be2L2u2)R(1rR-AL8L/RRR 102be2L2L1mu2u1u)R(1rRRgAAA213i/RRRR8oRR ou4C+_68R2T79R3CRRiu2C+_14R1T25R1CRR10R3RLRi2R+VCCiRoR 5C解：第一級為共源放大電路，第二級為共射放大電路。解：第一級為共源放大電路，第二級為共射放大電路

16、。1.零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因輸入電壓為輸入電壓為ui=0時，但輸出電壓時，但輸出電壓uo0 ，并緩慢地發(fā)生不，并緩慢地發(fā)生不規(guī)則變化規(guī)則變化,此現(xiàn)象稱為零點漂移。此現(xiàn)象稱為零點漂移。原因：原因：Q 點不穩(wěn)定使得第一級產(chǎn)點不穩(wěn)定使得第一級產(chǎn)生變化量，經(jīng)后級放大后輸出。生變化量，經(jīng)后級放大后輸出。主要由溫度變化、電源波動引起，也主要由溫度變化、電源波動引起，也稱稱溫度漂移。溫度漂移。放大電路級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈高，零點漂移問題愈嚴(yán)重。放大電路級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈高，零點漂移問題愈嚴(yán)重。4.3差分放大器差分放大器4.3.1直接耦合放大電路的直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象

17、零點漂移現(xiàn)象問題：阻容耦合會不問題：阻容耦合會不會出現(xiàn)零點漂移？會出現(xiàn)零點漂移？b1Rc1R1Tc2R2Tou+_iu+_ +VCCb2RuOt0uit02.抑制溫度漂移的方法：抑制溫度漂移的方法：( (1) ) 引入直流負反饋以穩(wěn)定引入直流負反饋以穩(wěn)定 Q 點；點；( (2) ) 利用熱敏元件補償放大器的零漂；利用熱敏元件補償放大器的零漂；R2R1+VCC+T2+ RcT1uIuOiC1ReRuB1( (3) ) 采用差分放大電路。采用差分放大電路。缺點：缺點：Re對放對放大性能的影響大性能的影響差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。圖4-1

18、4 基本差分放大器組成原理示意圖i(u= 0)mV此值不變此點也變化u放大電路基本差分iu+_ 此點變化u當(dāng)我們說一個放大器產(chǎn)生零漂時，是指當(dāng)輸入為零時，輸出的值相對于某個參考點（如地點）發(fā)生變化了，如果此時這個參考點也跟蹤變化相同的量，則可認(rèn)為輸出零點沒有發(fā)生變化。 電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應(yīng)電阻元電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。件的參數(shù)值都相等。兩個輸入端兩個輸入端b1、b2兩個輸出端兩個輸出端c1，c2b1Rc1R1TQ1Ri1u+_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u1b2b1c2cou+_+VCC輸出電壓輸出電壓uo=

19、uc1-uc2(雙端輸出雙端輸出）uo= UCQ1 UCQ2 = 0uo= (UCQ1 + uc1 ) (UC2 + uc2 ) = 0ui1 = ui2 = 0當(dāng)溫度升高時當(dāng)溫度升高時ICUCQ （兩管變化量相等）（兩管變化量相等）靜態(tài)時靜態(tài)時：b1Rc1R1TQ1Ri1u+_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u1b2b1c2cou+_+VCC b1Rc1R1TQ1Ri1u+_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u1b2b1c2cou+_+VCC0)u(U)u(Uuuuc2CQ2c1CQ1c2c1oc b1Rc1R1TQ1Ri1u+_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u

20、1b2b1c2cou+_+VCCiduiucuAuAu11iduiucuAuAu22ducciiucCQcCQCCouAuuuuAuUuUuuu222)()()(212122112121ccuu差模信號和差模輸入的概念差模信號和差模輸入的概念 bRcR1TQRiu+_bRcR2TQRodu+_+VCCidu+_idu+_i1ui2u 圖4-16 基本差分放大器的差模輸入方式而差模輸入是指一個輸入端對另一個輸入端的信號，即兩輸入端的信號差，如圖4-16所示。差模輸入電壓：idi2uu ， duiiuouAuuAu2)(21差模信號是針對兩輸入端對地（公共端）而言的。b1Rc1R1TQ1Ri1u+

21、_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u1b2b1c2cou+_+VCC任意信號都可用差模任意信號都可用差模信號和共模信號等效信號和共模信號等效例例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV222121iiidiiicuuuuuu差模：共模：iduiiuouAuuAu2)(21icu+_u+_+id u_id bRcR1TQRbRcR2TQRou+_+VCCi2uui1)(21iiuouuAu非對稱輸入舉例非對稱輸入舉例+5V 由于每個管子沒有采取由于每個管子沒有采取消除零漂的措施，當(dāng)零漂

22、變消除零漂的措施，當(dāng)零漂變化范圍大時，差分放大管有化范圍大時，差分放大管有可能出現(xiàn)截止或飽和，使放可能出現(xiàn)截止或飽和，使放大電路失去放大能力。大電路失去放大能力。b1Rc1R1TQ1Ri1u+_b2Rc2R2TQ2Ri2u+_c1uc2u1b2b1c2cou+_+VCC基本差分放大器存在的問題：基本差分放大器存在的問題： 電路很難完全對稱，輸出電路很難完全對稱，輸出仍然存在零漂。仍然存在零漂。 實際工作中，常常需要單端輸出，即從實際工作中，常常需要單端輸出，即從c1或或c2對地輸對地輸出，而這時零漂與單管放大電路一樣，仍然十分嚴(yán)重。出，而這時零漂與單管放大電路一樣，仍然十分嚴(yán)重。為此，引入長尾

23、式差分放大器。為此，引入長尾式差分放大器。eReRi1ubRcR1TQRbRcR2TQRou+_i2u +VCCee12圖圖4-18(a) 接有射級電阻的差分放大器接有射級電阻的差分放大器 eRei1ubRcR1TQRbRcR2TQRou+_i2u +VCC圖圖4-18(b) 射級電阻合并后射級電阻合并后 的差分放大器的差分放大器 1.1.長尾式差分放大器組成原理長尾式差分放大器組成原理21eeRR eRei1ubRcR1TQRbRcR2TQRou+_i2u +VCC圖圖4-18 射級電阻合并后的差分放大器射級電阻合并后的差分放大器 接入接入Re后不會對輸入差模電壓的增益產(chǎn)生影響。其效果后不會

24、對輸入差模電壓的增益產(chǎn)生影響。其效果相當(dāng)于交流通路中加上旁路電容。相當(dāng)于交流通路中加上旁路電容。 Re越大，效果越好。但當(dāng)越大，效果越好。但當(dāng)Re越大時，在一定的靜態(tài)電流下，越大時，在一定的靜態(tài)電流下，Ue必然變大，即必然變大，即Q點偏高，使管子的動態(tài)范圍變小。點偏高，使管子的動態(tài)范圍變小。 LR eRi1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u +_+_+VCCVEE_圖圖4-19 長尾式差分放大器長尾式差分放大器引入負電源引入負電源省去省去RbI IEQ1=I IEQ2=(VEEUBE)22Re ；UCEQ1=UCEQ2VCC+VEE(R(RC C+2R+2Re)I)IEQUo=0；由于由

25、于IBQ較小，電壓降可較小，電壓降可忽略不計。忽略不計。2I2IEQRe(VEEUBE) ；2.長尾式差分放大器長尾式差分放大器靜態(tài)分析靜態(tài)分析LR eRi1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u +_+_+VCCVEE_IBQ2IEQI IBQ1=I IBQ2=IEQ/(1+/(1+) )1）對共模信號的抑制作用）對共模信號的抑制作用2.長尾式差分放大器動態(tài)分析長尾式差分放大器動態(tài)分析LReRi1ucR1TQRcR2TQRocu+_i2u +_icu +VCCVEE_圖4-20 差分放大器輸入共模信號 電路參數(shù)對稱性 Re對共模信號的負反饋作用icub1ib2ic1ic2ie1ie2ieu

26、be1ube2ub1ib2ic1ic2i引入共模電壓放大倍數(shù)引入共模電壓放大倍數(shù)Ac，定義為定義為：icoccuuA 在理想對稱情況下，Ac=0。2）對差模信號的放大作用）對差模信號的放大作用LR eRi1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u +_+_+VCCVEE_LRcR1TQRcR2TQR iu+_idu+_idu+_ ou+_ QRQRberberbicRLR /2cRiu+_idu+_idu+_odu+_bibibiciciLR /2c1u+_c2u+_iRoR圖4-21 長尾式差分放大器的差模等效電路（a）交流通路 （b）H參數(shù)等效電路)r(R2i2uubeQbidi)2R/(

27、R2iuuuLccc2c1odbeQLcioddrR)2R/(RuuAbeQidrR2Rco2RRCdCMRAAK) Bd (lg20(dB)CdCMRAAK 若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù)若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù) Ac = 0，輸出電壓輸出電壓: 實際電路不可能完全對稱，則實際電路不可能完全對稱，則 Ac 0，實際輸出電壓實際輸出電壓 : 即共模信號對輸出有影響即共模信號對輸出有影響 。（四）差分放大器的電壓傳輸特性（四）差分放大器的電壓傳輸特性表示放大電路的輸出電壓隨輸入電壓變化的關(guān)系圖4-22 差分放大電路的電壓傳輸特性4.3.4 差分放大器的其它接法差分放大器的其

28、它接法基于不同的應(yīng)用場合，有基于不同的應(yīng)用場合，有雙雙、單端輸入和單端輸入和雙雙、單端輸出的情況。單端輸出的情況。LRcR1TQRcR2TQR1c2ceRou+_ iu+_VEE_+VCCLRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_i1u eRou+_ i2uVEE_+VCCLRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_ eRou+_ +VCC+VEE LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_i1u eRou+_ i2u+VCCVEE_1)靜態(tài)分析靜態(tài)分析不接負載：同雙入雙出；不接負載：同雙入雙出；1. 1. 雙端輸入雙端輸入, ,單端輸出單端輸出圖4-23 雙端輸入、單端輸出差分放大電路接

29、負載時：接負載時：UCEQ1UCEQ2。 LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_idu+_idu+_ eRou+_ +VCC+VEE cR1TQRcR2TQReR CEQ1U+_ CEQ2U+_ +VCC+VCCVEE_CCCLLCCVRRRVLCC/RRRI IEQ1=I IEQ2 (VEEUBE)22Re ；CCQCCCQ1RIVUCCQCCCQ2RIVU圖4-24 圖4-23所示電路的直流等效電路2）動態(tài)分析）動態(tài)分析beQLciodd)/(21uu=rRRRAR Ridid=2(R=2(RQ Q + +r rbebe) )R Rodod=R=RC C問題：如輸出信號取自問題：如輸

30、出信號取自T T2 2管的集電極，動態(tài)分析結(jié)管的集電極，動態(tài)分析結(jié)果如何？果如何？ LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_idu+_idu+_ eRou+_ +VCC+VEE （1）差模放大倍數(shù)）差模放大倍數(shù)QRQRberberbicRLR cRiu+_idu+_idu+_odu+_bibbiciciiiRoR圖4-34（a） 差模信號作用下的等效電路)r(R2i2uubeQbidi)/R(RiuLCbod （2）差模輸入阻抗：）差模輸入阻抗：（3）輸出阻抗：）輸出阻抗： LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_idu+_idu+_ eRou+_ +VCC+VEE （4）共模放大倍數(shù)

31、）共模放大倍數(shù) 圖4-34（b） 共模信號作用下的等效電路QRbere2RbicRLRicu+_ocu+_bici注：上圖只是與輸出電壓相關(guān)的注：上圖只是與輸出電壓相關(guān)的T1管一邊電路對管一邊電路對共模信號的等效電路共模信號的等效電路ebbeQbic2R)i(1)r(Riu)/R(RiuLcboceLcRRR2)/()R2(1rR)/R(R=uu=AebeQLcicocc)r2(R)R2(1rRAAKbeQebeQcdCMR共模抑制比：說明，射極電阻說明，射極電阻Re越大，共模抑制比越大，共模抑制比越大，電路的性能就越好。所以增大越大，電路的性能就越好。所以增大Re是改善共模抑制比的基本措施。

32、是改善共模抑制比的基本措施。1）靜態(tài)分析）靜態(tài)分析2. 2. 單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出同雙入雙出電路同雙入雙出電路圖4-26 單端輸入、雙端輸出電路LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_i1u eRou+_ i2uVEE_+VCC結(jié)論：同雙入雙出電路結(jié)論：同雙入雙出電路2）動態(tài)分析）動態(tài)分析;21u;20icidiiuuu差模：共模：問題：如輸入信號從問題：如輸入信號從ui2加入，加入，ui1接地，結(jié)果如何？接地，結(jié)果如何？0u,uui2ii1beQLcioddrR)2R/(RuuALRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_i1u eRou+_ i2uVEE_+VCCiub

33、1iuc1ic1c2ieube2ub2ic2u圖4-27 單入單出差分放大電路 對于單端輸入需要說明的是，雖然一個管子基極接地，但由于T1和T2管之間的射極耦合作用，存在下述信號的傳輸過程： 即T1管作為射極輸出器將輸入信號傳給T2的發(fā)射極，T2管是作為共基放大器接受信號并在T2管的集電極輸出。這類電路又稱為射極耦合電路。因此，盡管是單端輸入，亦可使差分放大器獲得共模信號和差模信號。 3. 3. 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出圖4-27 單端輸入、單端輸出電路 LRcR1TQRcR2TQR1c2ciu+_i1u eRou+_ i2u+VCCVEE_對于單端輸出電路，常將不輸出信號一邊的R

34、c省掉。我們首先求出uic和uid，然后其分析方法同雙入單出電路完全相同。差分放大器的四種接法、計算公式及性能比較等見表4-1（P100頁） 雙端輸出時：雙端輸出時：beLcd)2/(rRRRAb 單端輸出時：單端輸出時：beLcd2/rRRRAb (2)(2)共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)： 雙端輸出時：雙端輸出時： 單端輸出時：單端輸出時：0cAeLc2RRA差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)：差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)：(1)(1)差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式

35、有關(guān)：與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)： (3)(3)差模輸入阻抗：差模輸入阻抗： 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入阻抗不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入阻抗Rid是基本放大電路的兩倍。是基本放大電路的兩倍。beid2rRRb (4)(4)輸出阻抗：輸出阻抗： coRR co2RR 單端輸出時單端輸出時 雙端輸出時雙端輸出時(5)(5)共模抑制比共模抑制比: :bebeeLbebLCMR2/)(2/rRRRRrRRKcdCMRAAK 雙端輸出時雙端輸出時KCMR可認(rèn)為等于無窮大，可認(rèn)為等于無窮大， 單端輸出時共模抑制比：單端輸出時共模抑制比：長尾電路的缺點：長尾電路的缺點：L

36、R eRi1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u +_+_+VCCVEE_ 為了提高共模抑制比應(yīng)加大Re，但Re電阻太大時，一方面集成電路中不易制作大電阻，另一方面為保證工作點不變，必須提高負電源，這是不現(xiàn)實的，為此可用恒流源電路來代替Re。4.3.5.4.3.5. 差分放大器的進一步改進差分放大器的進一步改進 1.用恒流源電路來用恒流源電路來代替射極電阻代替射極電阻Re 恒流源特點：恒流源特點：由于電流恒定，對差模信號沒有影響；由于電流恒定，對差模信號沒有影響；直流電阻小，對靜態(tài)工作點影響??；直流電阻小，對靜態(tài)工作點影響??；交流電阻大，對共模信號有很大的抑制；交流電阻大，對共模信號有很大

37、的抑制；EE212R2VRRRU3R23BE3R2E3C3RURUUIILR i1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u CC+VEEV+_+_3R3T1R2R1Ic3I2Ie3Ib3I_圖4-28 具有恒流源的差分放大電路LR i1ucR1TQRcR2TQRou+_i2u CC+VEEVI_e圖4-29 恒流源差分放大電路表示方法2IIIIeCQCQ2CQ1IIIICQBQBQ2BQ1EQcCQCCCEQCEQ2CEQ1URIVUUU0.7VRIUUQBQBEQEQ靜態(tài)工作點計算如下靜態(tài)工作點計算如下:動態(tài)分析：動態(tài)分析： 共模輸出：共模輸出：由于恒流三極管相當(dāng)于一個阻值很大的長尾由于恒流

38、三極管相當(dāng)于一個阻值很大的長尾電阻，它的作用也是引入一個共模負反饋，單端輸出時共模電阻，它的作用也是引入一個共模負反饋，單端輸出時共模輸出很小；輸出很??； 差模放大差模放大：恒流源電路對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，：恒流源電路對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，分析方法同長尾式電路。分析方法同長尾式電路。2.場效應(yīng)管差分放大器場效應(yīng)管差分放大器LRi1udR1TQRdR2TQRou+_i2u DD+VSSVI_e電路特點電路特點：獲得更高的輸入阻抗；獲得更高的輸入阻抗；進一步提高放大器的穩(wěn)定性。進一步提高放大器的穩(wěn)定性。3.帶有調(diào)零電路的差分放大器帶有調(diào)零電路的差分放大器LRi1ucR1TQRcR2TQ

39、Rou+_i2u CC+VEEVWR_eR圖4-31 帶調(diào)零電路的差分放大電路eWEEBQ)R2(12R)(10.7VIBQEQ)I(1IcCQCCCQRIVU靜態(tài)分析：靜態(tài)分析：（設(shè)電位器的滑動端位于（設(shè)電位器的滑動端位于RW/2處處）動態(tài)分析：動態(tài)分析：共模信號：如果共模信號：如果RWrbe1，且11，則：Ro = Rc 圖4-38 （a） 阻容耦合復(fù)合管放大電路 （b）交流等效電路解：圖解：圖4-38（b）所示交流等效電路）所示交流等效電路LR1T2TiuouCC+VEEV_圖4-39 互補對稱輸出級圖4-40 交越失真波形（3）輸出級）輸出級輸出級要求非線性失真小，帶負載能力強即輸出阻

40、抗小。輸出級多采用互補對稱輸出電路。電路特點：電路特點：互補對稱射極輸出器；互補對稱射極輸出器；存在死區(qū)電壓，輸出波形失真（交越失真）存在死區(qū)電壓，輸出波形失真（交越失真）1T2Tiuou1R2R1D2DEEVCC+V_在ui=0時T1、T2有一個微導(dǎo)通的工作點。ui=0 時uo=0；ui0時uo =ui。消除交越失真方法一圖4-41（a）消除交越失真方法之一 即在圖4-39的基礎(chǔ)上增加R1、D1、R2、D2四個元件，構(gòu)成直流偏置電路。LR1T2TiuouCC+VEEV_圖4-39 互補對稱輸出級434CE3BE3RRRUUBE343BE3443CE3)URR(1URRRU當(dāng)R1R4電阻值取值

41、合適時，可使IR3IR4IB3。此時： 1T2Tiuou1R2R3R4R3T+0.7-0.7R3IR4IB3ICC+VEEV_(b) 消除交越失真方法之二 通過改變R3或R4的值得到不同的UCE3，給T1、T2管提供合適的偏置電壓。此電路又稱為UBE倍增電路。2T4Tiuou1R2R3R4R1TCC+VEEV_3T5T圖4-42 復(fù)合管輸出電路 如圖4-42所示電路中，T2和T3及T4和T5采用復(fù)合管，要使功放管導(dǎo)通，需UCE1 =3UBE，故而選擇R3/R4=2。4）偏置電路）偏置電路 偏置電路用于設(shè)置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點。與分立元件電路不同，集成運放采用恒流源電路為各級電路提高

42、合適的靜態(tài)工作電流和有源負載。 2C1CBE2BE121IIUU)2(1I2II2IIIC2BC2BC1REFREFC2I2IRUVIIBECCREFC2時：2 4.4.2 電流源電路電流源電路1.鏡像電流源鏡像電流源 兩管在同一硅片上，參數(shù)相同；T1管Ucb=0，處于臨界飽和即微導(dǎo)通狀態(tài)?；鶞?zhǔn)電流： 鏡像電流源結(jié)構(gòu)簡單，輸出電流受環(huán)境溫度變化影響小，溫度穩(wěn)定性高，但受電源電壓VCC影響較大。同時，從減小集成運放的功耗來講，希望IC2盡可能小，在電源VCC一定條件下，只有通過增大電阻R實現(xiàn)，但在集成電路內(nèi)部制作大電阻是不現(xiàn)實的。例如要求IC2=10uA，VCC=15V，則R1.5M，超出了集成

43、工藝范圍。R1T2TREFIC1IB2IBIBIC2ICC+V圖4-43 鏡像電流源2.微電流源微電流源R1T2TREFIC1IB1I +IB2IB1IC2IRB2eBE1U+_BE2U+_E2IE1ICC+V 圖4-44 微電流源eBE2BE1E2C2RUUII在T2管發(fā)射極接入電阻Re ，UBE2UGS(th)，T1、T2管處于導(dǎo)通狀態(tài)。調(diào)R的大小可改變ID1的值，使ID2= ID1為要求的恒流源。上述恒流源電路是以NPN管及N溝道MOS管為例，同樣適合PNP管和P溝道MOS管。4.多路電流源多路電流源R1T2TREFIC1IC2IRe2E2I4TC4IRe4E4I3TC3IRe3E3IR

44、1T2TREFID2I4TD4I3TD3ID1IDD+V圖 4-46 多反射鏡像三極管電流源圖4-47 多反射鏡像MOS管電流源RC0IC1IC2IBIREFITCC+V 圖4-48 多集電極橫向PNP管的多路電流源IIC0BREFBREFC0IIIIR7 . 0VICCREFC02C2C01C1IkIIkI其中，k1、k2為集電區(qū)面積之比值?！纠?-5】 如圖4-49（a）所示為有源負載共射放大電路，進行電路分析。R3T2TREFILIc1CC+VR1TEE-ViubR解：在圖4-49（a）中，由T1構(gòu)成基本的共射放大器，其負載是由PNP管T2、T3組成的鏡像電流源。RUVVIIIBE3E

45、ECCREFC2CQ11CQ1BQ1II 圖4-49（a） 有源負載共射放大電路直流分析：be1bce2ce11urR)/r(rAbe1bLce2ce11urR)/R/r(rA開載（RL=）時：有載（RL）時：可見，只要后級輸入阻抗高，即RL較大，則放大倍數(shù)Au可以很大。R3T2TREFILIc1CC+VR1TEE-ViubR交流分析：交流分析： bRbe1rbice1rce2riu+_biLRou+_(b) 交流等效電路4.4.3 集成運放電路介紹集成運放電路介紹1.概念型集成運算放大器概念型集成運算放大器6T7Tou5T1TI2TI21+_iu3TI4TI43輸入級中間級輸出級CC+VEE

46、V _圖4-50 一種集成運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化模型2.典型運放介紹典型運放介紹1）LM324電路分析電路分析T13T3T4T1T2T14T5T15T16T6T17T18T19T20T7T12T11IR EFT8T940kR1T21T1025R2+_iuouCC+VEEV （地）_圖4-51 LM324電路原理圖共集共射差放電路 共集共射放大電路 射極輸出電路T3T4T1T2T5T15T16T6T7T8T9RT21T10R2+_iuou1CRLCC+VEEV _I1I2I3I4I5圖4-52 LM324簡化電路原理圖共集共射差放電路 共集共射放大電路 射極輸出電路2）MC14573電路介紹電路

47、介紹5T6T3T4T2T1T7T8Tou+_iuRCDD+VSSV_圖4-53 MC14573電路圖 與雙極型晶體管組成的集成運放相比，CMOS集成運放具有輸入阻抗高、集成度高、電源適用范圍寬等特點。4.4.4 集成運放的外部特性描述集成運放的外部特性描述1.基本特性描述基本特性描述1）電路符號+_u+uou_u+uou+_a）國家標(biāo)準(zhǔn)符號 (b)國際通用符號圖4-54 集成運放的電路符號2）集成運放的電壓傳輸特性）集成運放的電壓傳輸特性 運算放大器的開環(huán)增益Ad都很高，其線性區(qū)域很小。 例如， A741的開環(huán)放大倍數(shù)為105，在15V雙電源供電的情況下，線性區(qū)域約為-0.13mV+0.13m

48、 V。最大輸出電壓uom取決于電源電壓，一般為電源值減去23V。 )u-(uAu-do線性區(qū)域：圖4-55 運放的電壓傳輸特性-uom-uim+uimuou+-u-+uom 2.集成運放的主要性能指標(biāo)集成運放的主要性能指標(biāo)1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ad： 運放在無外加反饋條件下，輸出電壓與差模輸入電壓之比。從電壓傳輸特性看， Ad即為線性區(qū)域直線的斜率。對于集成運放而言, 希望Ad大且穩(wěn)定。目前高增益集成運放的Ad可高達140dB(107倍)。2）差模輸入阻抗）差模輸入阻抗rid：差模輸入阻抗rid定義同差分放大器， 對電壓型運放來說，rid愈大愈好。3）輸出阻抗）輸出阻抗

49、ro：輸出阻抗ro反映了集成運放的負載能力。對電壓型運放來說，ro愈小愈好。 4）共模抑制比）共模抑制比KCMR：共模抑制比KCMR定義同差分放大器，KCMR愈大愈好。dTdUIO 5）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂及其溫漂100100u+u_uo eRcRcR100100u+u_BE1U+_+_BE2UEEV _（a） (b) 圖4-56 輸入失調(diào)電壓現(xiàn)象及產(chǎn)生原因 實際運算放大器在輸入為0時，其輸出不等于0。 為了使輸出電壓等于0，而在輸入端加的補償電壓稱為運放的輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO 。 存在輸入失調(diào)電壓的主要原因是集成電路制造工藝造成的差分電路的細微不對稱性。即 UB

50、E1UBE2，兩個輸入端之間的電壓u+u-0，這個電壓經(jīng)過放大，就在輸出端形成不等于零的輸出電壓。BE1BE2uuuu100100uo1kWRLM324100k100kCCV CC+V _圖4-57 輸入失調(diào)電壓補償電路dTdUIO輸入失調(diào)電壓本身隨溫度變化的大小稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，用 來表示，該值越小越好。低溫漂型集成運放 可做到0.9V/以下。dTdUIOdTdIIO6）輸入失調(diào)電流）輸入失調(diào)電流IIO及溫漂及溫漂B2B1IOI-II 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流定義為在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之定義為在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，即差，即 ，用于表征差分輸入電

51、流不對稱的程度。從現(xiàn)象上講，用于表征差分輸入電流不對稱的程度。從現(xiàn)象上講，其實輸入失調(diào)電流是產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓的主要根源。輸入失調(diào)電流也，其實輸入失調(diào)電流是產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓的主要根源。輸入失調(diào)電流也是制造工藝引起的輸入級細微不對稱性造成的。是制造工藝引起的輸入級細微不對稱性造成的。 eRcRcR100100u+u_BE1U+_+_BE2UEEV _IB1IB2減小失調(diào)電流影響的措施：減小失調(diào)電流影響的措施：盡可能減小輸入端外接電阻的數(shù)值。運算放盡可能減小輸入端外接電阻的數(shù)值。運算放大器的外接調(diào)零端調(diào)零。大器的外接調(diào)零端調(diào)零。23uo47156WRCC+V CCV _ 圖4-58 CF741外接調(diào)

52、零電路dTdIIO輸入失調(diào)電流本身隨溫度變化的大小稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，用輸入失調(diào)電流本身隨溫度變化的大小稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，用 表示表示 。該值越小越好。低溫漂型集成運放該值越小越好。低溫漂型集成運放 可做到可做到0.009A/以下。以下。7）輸入偏置電流）輸入偏置電流IIB輸入偏置電流IIB定義為運放兩個輸入端偏置電流的平均值，即 ,用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。偏置電流的大小與運放輸入級差分對管的類型和性能有關(guān)。LM324的輸入偏置電流典型值在25時為20nA。2/ )I(IIB2B1IB為了消除輸入偏置電流的不良影響，應(yīng)注意保持兩個輸入端外接對地電阻的彼此匹配，即同相端對地的電

53、阻值應(yīng)和反相端對地的電阻值相等。8）3dB帶寬帶寬fH運放的差模電壓放大倍數(shù)Ad在高頻段下降3dB所對應(yīng)的工作頻率fH。10）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率又稱壓擺率，反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為：maxoRdtduS 頻帶寬度是在小信號的條件下測量的。在實際應(yīng)用中, 有時需要集成運放工作在大信號情況，此時用轉(zhuǎn)換速率表示其特性。9）單位增益帶寬）單位增益帶寬fc運放的差模電壓放大倍數(shù)Ad下降到1時所對應(yīng)的頻率fc。 11）最大差模輸入電壓）最大差模輸入電壓Uidmax運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。超過此電壓時，差分管將出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。從集成運放輸入端看

54、進去，一般都有兩個或兩個以上的發(fā)射結(jié)相串聯(lián)， 若輸入端的差模電壓過高，會使發(fā)射結(jié)擊穿。NPN管e結(jié)擊穿電壓僅有幾伏， PNP橫向管的e結(jié)擊穿電壓則可達數(shù)十伏，如F007的U id max為30V。（12）最大共模輸入電壓）最大共模輸入電壓 Uicmax在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，集成運放工作不正常，失去差模放大能力。如F007的Uic max值為13V。3.理想運放的特性參數(shù)理想運放的特性參數(shù)+_iduAduid+_orouidr圖4-59 集成運放的低頻等效電路理想運放理想運放:性能參數(shù)理想化性能參數(shù)理想化差模輸入阻抗差模輸入阻

55、抗rid=；差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)Ad =；輸出阻抗輸出阻抗ro=0；KCMR = ；UIO 、IIO 、 UIO 、 IIO 為零為零運放按理想運放來處理，一般都會滿足誤差要求。運放按理想運放來處理，一般都會滿足誤差要求。4.4.5 集成運放的種類及選擇集成運放的種類及選擇通用型運算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價格低廉。通用型運算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價格低廉。1.通用型通用型 指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)參數(shù) A741典型值典型值n開環(huán)差模增益 Aod 106dB n差模輸入電阻 rid 2M n共模抑制比 KCMR 90dB n輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV nUIO的溫漂d UIO/dT()

56、 幾V/ n輸入失調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA nUIO的溫漂d UIO/dT() 幾nA/ n最大共模輸入電壓 UIcmax 13Vn最大差模輸入電壓 UIdmax 30Vn-3dB帶寬 fH 10Hz n轉(zhuǎn)換速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 892.高速型和寬帶型高速型和寬帶型用于寬頻帶放大器、高速用于寬頻帶放大器、高速A/D和和D/A、高速數(shù)據(jù)采集測試、高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。SRV/ 120=SSRV/ 2200=SZH MH600f這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)都較高，用于這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)都較高，用于小信號放大時

57、，可注重小信號放大時，可注重fH或或fc，用于高速大信號放大時，同，用于高速大信號放大時，同時還應(yīng)注重時還應(yīng)注重SR。AD9620：例如：例如： 增益帶寬積BWG=20 MHz； CF2520/2525：3.高精度低漂移型高精度低漂移型用于精密儀表放大器、精密測試系統(tǒng)、精密傳感器、信號變送器等。 例如：例如：OP177CpA/1.5dTdI CV/0.03dTdU nA0.3IV4U IOIOIOIO，4.高輸入阻抗型高輸入阻抗型用于測量設(shè)備及采樣保持電路中。例如： AD549 10rpA 0.040I13idIB，CF155/255/355 10rpA 30I12idIB，5.低功耗型低功耗型用于空間技術(shù)和生物科學(xué)研究中，工作于較低電壓下，工作電流極小。例如： OP22 正常工作時，靜態(tài)功耗可低至36W； OP290在0.8V電壓下工作。功耗為24 W， CF7612在5V電壓下工作