電子技術基礎（第五版）課件 第3章 多級放大電路及集成運算放大器

課題三多級放大電路及

集成運算放大器3.1多級放大電路3.2差動放大電路3.3功率放大電路3.4集成運算放大器簡介課題小結

3.1多級放大電路

在實際的電子設備中，為了得到足夠大的放大倍數(shù)或者使輸入電阻和輸出電阻達到指標要求，一個放大電路往往由多級組成。多級放大電路一般由輸入級、中間級及輸出級組成，如圖3.1所示。圖3.1多級放大電路框圖

3.1.1級間耦合方式

多級放大電路是將各單級放大電路連接起來，這種級間連接方式稱為耦合。

1.阻容耦合

阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級和后級連接起來。這個電容器稱為耦合電容，如圖3.2所示。第一級的輸出信號通過電容器C2和第二級的輸入端相連接。圖3.2阻容耦合兩級放大電路

阻容耦合的優(yōu)點是：前級和后級直流通路彼此隔開，每一級的靜態(tài)工作點相互獨立，互不影響，便于分析和設計電路。因此，阻容耦合在多級交流放大電路中得到了廣泛應用。

阻容耦合的缺點是：信號在通過耦合電容加到下一級時會大幅衰減，對直流信號(或變化緩慢的信號)很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。

2.變壓器耦合

變壓器耦合是利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入端連接起來，如圖3.3所示。圖3.3變壓器耦合兩級放大電路

變壓器耦合的優(yōu)點是：由于變壓器不能傳輸直流信號，且有隔直作用，因此各級靜態(tài)工作點相互獨立，互不影響。變壓器在傳輸信號的同時還能夠進行阻抗、電壓、電流變換。

變壓器耦合的缺點是：體積大、笨重等，不能實現(xiàn)集成化應用。

3.直接耦合

直接耦合是將前級放大電路和后級放大電路直接相連的耦合方式，如圖3.4所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。直接耦合的缺點是：由于失去隔離作用，使前級和后級的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級靜態(tài)工作點相互影響。另外還存在著零點漂移現(xiàn)象?，F(xiàn)討論如下：

(1)靜態(tài)工作點相互牽制。如圖3.4所示圖3.4直接耦合放大電路

(2)零點漂移現(xiàn)象。由于溫度變化等原因，使放大電路在輸入信號為零時輸出信號不為零的現(xiàn)象稱為零點漂移。產生零點漂移的主要原因是溫度變化而引起的。因而，零點漂移的大小主要由溫度所決定。

3.1.2耦合對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

1.信號源和輸入級之間的關系

信號源接放大電路的輸入級，輸入級的輸入電阻就是它的負載，因此可歸結為信號源與負載的關系。如圖3.5所示，放大電路的輸入電壓和輸入電流可用下面兩式計算：圖3.5信號源內阻、放大電路輸入電阻對輸入信號的影響

2.各級間關系

中間級級間的相互關系歸結為：前級的輸出信號為后級的信號源，其輸出電阻為信號源內阻，后級的輸入電阻為前級的負載電阻。如圖3.6所示，第二級的輸入電阻為第一級的負載，第三級的輸入電阻為第二級的負載，以此類推。圖3.6多級放大器級間關系．

3.多級放大電路的動態(tài)分析

例3.1電路如圖3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50，C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，

求：(1)電壓放大倍數(shù)；

(2)輸入電阻、輸出電阻。

(2)求輸入電阻、輸出電阻：

3.1.3放大電路的頻率特性

在實際應用中，放大器所放大的信號并非單一頻率，例如，語言、音樂信號的頻率范圍在20~20000Hz，圖像信號的頻率范圍在0~6MHz。所以，要求放大電路對信號頻率范圍內所有頻率的信號都具有相同的放大效果，輸出才能不失真地重顯輸入信號。實際電路中存在的電容、電感元件及三極管本身的結電容效應，對交流信號都具有一定的影響，所以對不同頻率具有不同的放大效果。由這種原因所產生的失真稱為頻率失真。

1.幅頻特性

共射極放大電路的幅頻特性如圖3.7所示。圖3.7共射極放大電路的幅頻特性

高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降原因是三極管結電容和雜散電容的容抗隨頻率增加而減小。結電容通常為幾十到幾百皮法，雜散電容也不大，因而頻率不高時可視為開路。在高頻時輸入的電流被分流，使得IC

減小，輸出電壓降低，導致高頻區(qū)電壓增益下降，如圖3.8所示。圖3.8高頻通路

2.通頻帶圖3.9兩級放大電路的通頻帶

3.2差動放大電路

3.2.1差動放大電路的組成典型差動放大電路如圖3.10所示，其結構上的特點是左右兩半電路完全對稱。圖3.10中V1、V2是兩個型號和特性相同的晶體管；電路有兩個輸入信號ui1和ui2，分別加到兩個晶體管V1、V2的基極；輸出信號uo從兩個晶體管的集電極之間取出，這種輸出方式稱為雙端輸出；RE

稱為共發(fā)射極電阻，可使靜態(tài)工作點穩(wěn)定。圖3.10典型差動放大

3.2.2差動放大電路的工作原理

1.抑制零點漂移的原理

靜態(tài)時，ui1=ui2=0，此時由負電源UEE通過電阻RE和兩管發(fā)射極提供兩管的基極電流。由于電路左右兩邊的參數(shù)對稱，兩管的集電極電位也相等，即

輸出電壓為

當溫度變化時，由于電路對稱，所引起的兩管集電極電流的變化量必然相同。例如，溫度升高，兩管的集電極電流都會增大，集電極電位都會下降。由于電路是對稱的，所以兩管的集電極電流的變化量相等，即

所以輸出電壓

由此可見，溫度變化時，盡管兩邊的集電極電壓會相應變化，但電路的雙端輸出電壓Uo會保持為零。

以上分析說明：差動放大電路在零輸入時，具有零輸出；靜態(tài)時，溫度有變化依然保持零輸出，即消除零點漂移。

2.輸入信號分析

圖3.10所示的電路中，輸入信號Ui1和Ui2有以下3種情況：

3.差動放大電路的功能

差動放大電路的功能是抑制共模信號輸出，只放大差模信號。在共模信號的作用下，對于完全對稱的差動放大電路來說，由于兩管的集電極電位變化量相同，因而輸出電壓等于零，所以它對共模信號沒有放大能力，亦即共模放大倍數(shù)為零。

利用疊加定理可求得輸出電壓：

上式表明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關，而與信號本身的大小無關，這就是差動放大電路的差值特性。

例3.2某差動放大器如圖3.10所示，已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB，輸入信號中Ui1=3.001V、Ui2=2.999V，

問：①理想情況下(即電路完全對稱時)Uo為多少?

②當KCMRR=80dB時，Uo為多少?

③當KCMRR=100dB時，Uo

為多少?

解首先求出差模和共模輸入電壓。

差模輸入電壓

共模輸入電壓

(1)求理想狀態(tài)下的Uo。已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB=104，而理想狀態(tài)下，共模電壓放大倍數(shù)Aud=0。所以差模輸出電壓為

(2)求KCMRR=80dB時，Uo

的值。由共模抑制比定義可知Auc=Aud/KCMRR，用分貝表示時則有

所以共模電壓放大倍數(shù)為Aud=80dB-80dB=0dB，得Auc=1。

其共模輸出電壓為

所以在差模和共模信號同時存在的情況下，可利用疊加原理來求總的輸出電壓，即總的輸出電壓等于差模電壓與共模電壓之和：

3.2.3差動放大電路的計算

差動放大電路的靜態(tài)和動態(tài)計算方法與基本放大電路大體相同。區(qū)別是差動放大電路在靜態(tài)時，其輸入端基本上是零電位，將RE從接地改為接負電源-UEE。由于接入負電源，

所以偏置電阻RB可以取消，改為-UEE和RE提供基極偏置電流。在一些單電源供電的差放電路中，必須接有基極偏置電阻RB，使其為晶體管提供合適的偏置電壓。

1.靜態(tài)工作點的計算

2.動態(tài)指標計算

3.2.4具有恒流源的差動放大電路

在前面的差放電路中，RE

越大，其抑制溫漂的能力越強。但在電源電壓一定時，RE越大則ICQ越小，放大倍數(shù)會減小。此外，在集成電路中，不易制作高阻值電阻。因此，常采用由晶體管組成的恒流源電路來代替射極電阻RE，因恒流源電路動態(tài)電阻很大而直流電阻較小。具有恒流源的差動放大電路如圖3.11(a)所示。圖3.11具有恒流源的差動放大電路

3.2.5差動放大電路的輸入輸出方式

除了已經(jīng)介紹過的雙端輸入雙端輸出的差動放大電路(如圖3.12(a)所示)外，在一些實際應用中，有時要求電路輸出端有一端接地，因此稱為單端輸出；有時要求電路輸入端有一端接地，稱為單端輸入。因此，差動放大電路出現(xiàn)以下幾種輸入輸出方式：雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出等。在實際應用中，可根據(jù)信號源和負載的要求選擇。圖3.12雙端輸入雙端與單端輸出電路

1.雙端輸入－單端輸出

電路如圖3.12(b)所示。雙端輸入單端輸出電路的輸出uo與輸入ui1的極性(或相位)相反，而與ui2的極性(或相位)相同，所以ui1輸入端稱為反相輸入端，而ui2輸入端稱為同相輸入端。雙端輸入單端輸出方式是集成運放的基本輸入輸出方式。

單端輸出的優(yōu)點在于它有一端接地，負載電阻RL接在一管集電極和地之間，便于它和其他放大電路相連接。但是輸出電壓僅是一管集電極對地電壓，另一管的輸出電壓沒有用上，所以其差模電壓放大倍數(shù)比雙端輸出時少一半，即

因輸入回路與雙端輸入相同，所以其差模信號輸入電阻與雙入雙出接法時相同。而輸出電阻近似為一管集電極與地之間的電阻，即

2.單端輸入－雙端輸出

單端輸入雙端輸出電路如圖3.13(a)所示圖3.13單端輸入雙端與單端輸出電路

3.單端輸入－單端輸出

電路如圖3.13(b)所示。單端輸入差放的差模信號為ui1，共模信號為ui1/2。電路的差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻與雙端輸入單端輸出電路相同。

綜上所述，4種方式的輸入電阻近似值相等，而放大倍數(shù)和輸出電阻則與輸出方式有關。單端輸出時，差模放大倍數(shù)和輸出電阻是雙端輸出時的一半。

例3.4差分放大電路如圖3.14(a)所示，已知UCC=UEE=12V，RC=10kΩ，RL=20kΩ、Io=1mA、三極管的β=100、rbb'=200Ω、UBEQ=0.7V。①求ICQ1、UCEQ1、ICQ2、UCEQ2；②畫出該電路的差模交流通路；③求電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。圖3.14例題3.4圖

4.差放電路的調零

為了克服電路元件參數(shù)不可能完全對稱所造成的靜態(tài)時輸出電壓不為零的現(xiàn)象，在實用的電路中都設計有調零電路，即人為地將電路調到零輸入時輸出也為零的狀態(tài)。圖3.15

是幾種常用的調零電路。

(a)射極調零；(b)集電極調零；(c)基極調零圖3.15差放的調零電路

例3.5差分放大電路如圖3.16所示，已知UCC=UEE=12V，Rc=RE=5.1kΩ，三極管的β=100、rbb‘=200Ω，UBEQ=0.7V，電位器觸頭位于中間位置，試求：

①ICQ1、UCQ1、ICQ2、UCQ2；

②差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uod/Uid、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro；

③指出電位器在該電路中的作用。圖3.16例題3.5圖

3.3功率放大電路

3.3.1功率放大電路的特點及分類1.特點功率放大電路的特點如下：(1)輸出功率足夠大。(2)效率高。(3)非線性失真小。(4)保護及散熱。

2.功率放大器的分類

功率放大器一般是根據(jù)功放管工作點選擇的不同進行分類的，有甲類、乙類及甲乙類功率放大器。當靜態(tài)工作點Q設在負載線性段的中點，整個信號周期內都有電流IC

通過時，如圖3.17(a)所示，稱為甲類功放。若將靜態(tài)工作點Q設在橫軸上，則IC僅在半個信號周期內通過，其輸出波形被削掉一半，如圖3.17(b)所示，稱為乙類功放。若將靜態(tài)工作點設在線性區(qū)的下部靠近截止區(qū)，則其IC的流通時間為多半個信號周期，輸出波形被削掉一部分，如圖3.17(c)所示，稱為甲乙類功放。圖3.17功率放大器的分類

3.3.2乙類互補對稱功放

如果電路處在甲類放大狀態(tài)，則靜態(tài)工作電流大，因而效率低。若用一個管子組成甲乙類或乙類放大電路，就會出現(xiàn)嚴重的失真現(xiàn)象。乙類互補對稱功放既可保持靜態(tài)時功耗又可減小失真，如圖3.18所示。圖3.18乙類互補對稱功放電路

1.電路組成及工作原理

選用兩個特性接近的管子，使之都工作在乙類狀態(tài)，一個在正弦信號的正半周工作，另一個在負半周工作，便可得到一個完整的正弦波形。

2.分析計算

由于在正?；パa對稱功率放大電路中，V1、V2管交替工作，因此，分析V1、V2管工作的半周情況，可推知整個放大器的電壓、電流波形?，F(xiàn)以V1管工作的半周情況為例進行分析。圖3.19ui為正半周時的工作情況

(1)計算輸出功率Po。輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來表示。設輸出電壓的幅值為Uom

，則

因為

即

(2)計算管耗PV。設uo=Uomsinωt，則V1管的管耗為

兩管管耗和為

(3)計算直流電源供給功率PU。直流電源供給的功率包括負載得到的功率和V1、V2管消耗的功率兩部分。

(4)計算效率η。

當Uom≈UCC時：

由于Uom≈UCC忽略了管子的飽和壓降Uces，所以實際效率比這個數(shù)值要低一些。

3.3.3甲乙類互補對稱電路

20二極管偏置互補對稱電路圖3.21擴大電路

3.3.4采用復合管的互補對稱功率放大電路

1.復合管

在功率放大電路中，如果負載電阻較小，并要求得到較大的功率，則電路必須為負載提供很大的電流。如RL=4Ω，額定功率PN=16W，則由PN=I2RL可得負載電流有效值為2A，若管子的β=20，則基極電流IB=100mA。一般很難從前級獲得這樣大的電流，因此需設法進行電流放大，通常在電路中采用復合管。

所謂復合管就是把兩只或兩只以上的三極管適當?shù)剡B接起來等效成一只三極管。連接時，應遵守兩條規(guī)則：

①在串聯(lián)點，必須保證電流的連續(xù)性；

②在并聯(lián)點，必須保證總電流為兩個管子電流的代數(shù)和。復合管的連接形式共有四種，如圖3.22所示。圖3.22復合管的四種連接形式

觀察圖3.22可知：

(1)復合管的極性取決于推動級。即V1為NPN型，則復合管就為NPN型。

(2)輸出功率的大小取決于輸出管V2。

(3)若V1和V2管的電流放大系數(shù)分別為β1、β2，則復合管的電流放大系數(shù)β≈β1·β2。

2.復合管互補對稱功率放大電路

利用圖3.22(a)和圖3.22(b)形式的復合管代替圖3.20中的V1和V2

管，就構成了采用復合管的互補對稱輸出級，如圖3.23所示。它可以降低對前級推動電流的要求，不過其直接

為負載RL提供電流的兩個末級對管V3、V4的類型截然不同。在大功率情況下，兩者很難選配到完全對稱。圖3.24則與之不同，其兩個末級對管是同一類型，因此比較容易配對。這種電路被稱為準互補對稱電路。電路中Rc1、Rc3的作用是使V2和V4管能有一個合適的靜態(tài)工作點。3.23復合管互補對稱電路3.24準互補對稱電路

3.3.5集成功率放大電路

1.OTL(無輸出變壓器)互補對稱功率放大電路

圖3.25為一典型OTL功率放大電路。圖3.25集成運放驅動的OTL功率放大器

2.OCL(無輸出電容)互補對稱功率放大電路

圖3.26是一種集成運放驅動的實際OCL功率放大器。圖3.26集成運放驅動的OCL功率放大器

3.3.6功率放大器應用中的幾個問題

1.功放管散熱問題

功率放大器的工作電壓、電流都很大。功放管一般工作在極限狀態(tài)下，所以在給負載輸出功率的同時，功放管也要消耗部分功率，使管子升溫發(fā)熱，致使晶體管損壞。為此，應注意功放管的散熱措施，通常是給功放管加裝由銅、鋁等導熱性良好的金屬材料制成的散熱片，由于功放管管殼很小，溫升的熱量主要通過散熱片傳送。

2.功放管的二次擊穿問題

圖3.27所示為晶體管擊穿特性曲線。AB段為一次擊穿段，是由于Uce過大引起的雪崩擊穿，是可逆的，當外加電壓減小或消失后管子可恢復原狀。若在一次擊穿后，iC繼續(xù)增大，管子將進入二次擊穿BC段，二次擊穿是不可逆的，會致使管子毀壞。防止功放管二次擊穿的主要措施為：①改善管子散熱情況，使其工作在安全區(qū)；②應用時避免電源劇烈波動、輸入信號突然大幅度增加、負載開路或短路等，以免出現(xiàn)過壓、過流；③在負載兩端并聯(lián)二極管和電容，以防止負載的感性引起功放管過壓或過流，在功放管的c、e端并聯(lián)穩(wěn)壓管以吸收瞬時過壓。圖3.27晶體管二次擊穿曲線

3.4集成運算放大器簡介

3.4.1集成運算放大器外形圖常見集成運算放大器的封裝形式有圓形、扁平形雙列直插式等，引腳有8引腳、14引腳等，其外形如圖3.28所示。其引線腳號排列順序標記一般有色點、凹槽、管鍵及封裝時壓出的圓形等。圖3.28集成運放外形結構示意圖

3.4.2集成運算放大器內部組成原理

集成運算放大器內部組成原理框圖如圖3.29所示。圖3.29集成運算放大器內部組成原理框圖

各部分功用如下：

1.輸入級

輸入級是提高運算放大器質量的關鍵部分，要求其輸入電阻高，為了能減小零點漂移和抑制共模干擾信號，輸入級都采用具有恒流源的差動式放大電路，故也稱為差動輸入級。

2.中間級

中間級的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，因此又稱為電壓放大級。要求中間級本身具有較高的電壓增益，為了減小前級的影響，還應具有較高的輸入電阻。另外，中間級還應向輸出級提供較大的驅動電流，并能根據(jù)需要實現(xiàn)單端輸入雙端差動輸出，或雙端差動輸入單端輸出。

3.輸出級

輸出級的主要作用是輸出足夠的電流以滿足負載的需要，同時還需要有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，以起到將放大級和負載隔離的作用。輸出級一般由射級輸出器組成，以降低輸出電阻，從而提高電路的帶負載能力。

4.偏置電路

偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。此外，還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路和高頻補償環(huán)節(jié)等。下面以通用型集成運算放大器μA741作為模擬集成電路的典型例子分析其原理，其原理電路如圖3.30所示。圖3.30μA741內部電路

3.4.3集成運放的符號、引腳構成及主要參數(shù)

1.集成運放的符號與引腳構成

集成運放內部電路隨型號的不同而不同，但基本框圖相同。集成運放有兩個輸入端：一個是同相輸入端，用“+”表示；另一個是反相輸入端，用“-”表示。輸出端用“+”表示。若將反相輸入端接地，信號由同相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號的相位相同；若將同相輸入端接地，信號從反相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號相位相反。集成運放的引腳除輸入、輸出端外，還有正、負電源端及調零端等。F007的符號及引腳排列如圖3.31所示。圖3.31F007的符號及引腳排列

2.集成運放的主要參數(shù)

集成運放的參數(shù)是評價其性能優(yōu)劣的主要指標，也是正確選擇和使用的運放依據(jù)。

1)電源電壓

能夠施加于運放電源端子的最大直流電壓稱為電源電壓。一般有兩種表示方法，用正、負兩種電壓UCC、UEE表示或用它們的差值表示。

2)最大差模輸入電壓Uid(max)

Uid(max)是運放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。輸入差模電壓超過Uid(max)時，可能會使輸入級的管子反向擊穿。

3)最大共模輸入電壓Uic(max)

Uic(max)是在線性工作范圍內集成運放所能承受的最大共模輸入電壓。超過此值，集成運放的共模抑制比、差模放大倍數(shù)等會顯著下降。

4)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入差模電壓之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud。Aud越高，運放組成電路的精度越高，性能越穩(wěn)定。

5)輸入失調電壓Uos

實際上，集成運放難以做到差動輸入級完全對稱。當輸入電壓為零時，為了