第 3章 多级放大电路及集成运算放大器第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1多级放大电路
3.2 差动式放大电路
3.3 功率放大电路
3.4 集成运算放大器简介第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1多级放大电路在实际的电子设备中,为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求,一个放大电路往往由多级组成 。 多级放大电路由输入级,中间级及输出级组成,如图 3.1所示 。 于是,可以分别考虑输入级如何与信号源配合,输出级如何满足负载的要求,中间级如何保证放大倍数足够大 。 各级放大电路可以针对自己的任务来满足技术指标的要求,本章只讨论由输入级到输出级组成的多级小信号放大电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器信号源 输入级 中间级 输出级 负载多级放大电路图 3.1 多级放大电路框图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.1 级间耦合方式多级放大电路是将各单级放大电路连接起来,这种级间连接方式称为耦合 。 要求前级的输出信号通过耦合不失真地传输到后级的输入端 。 常见的耦合方式有阻容耦合,变压器耦合及直接耦合三种形式 。 下面分别介绍三种耦合方式 。
1.
阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后级连接起来 。 这个电容器称为耦合电容,如图 3.2所示 。 第一级的输出信号通过电容器 C2和第二级的输入端相连接 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
＋
＋
V
1
V
2
＋
－
＋
U
i
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C
1
R
b1
R
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C
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3
－
＋
U
o
.
U
CC
( a )
图 3.2
(a)电路 ; (b)直流通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.2
(a)电路 ; (b)直流通路
V
1
V
2
R
b1
R
c1
R
b2
R
c2
＋ U
CC
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器阻容耦合的优点是：前级和后级直流通路彼此隔开,
每一级的静态工件点相互独立,互不影响 。 便于分析和设计电路 。 因此,阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应用 。
阻容耦合的缺点是：信号在通过耦合电容加到下一级时会大幅衰减,对直流信号 （ 或变化缓慢的信号 ） 很难传输 。 在集成电路里制造大电容很困难,不利于集成化 。 所以,阻容耦合只适用于分立元件组成的电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,变压器耦合变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来,这种耦合方式称为变压器耦合,如图 3.3所示 。 将 V1的输出信号经过变压器 T1送到 V2的基极和发射极之间 。 V2的输出信号经 T2耦合到负载 RL上 。
Rb11,Rb12和 Rb21,Rb22分别为 V1管和 V2管的偏置电阻,
Cb2是 Rb21和 Rb22的旁路电容,用于防止信号被偏置电阻所衰减 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b11
C
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U
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b21
R
b22
R
e2
C
e2
R
L
T
1
T
2
图 3.3 变压器耦合两级放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器变压器耦合的优点是：由于变压器不能传输直流信号,且有隔直作用,因此各级静态工作点相互独立,
互不影响 。 变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗,
电压,电流变换 。 变压器耦合的缺点是：体积大,笨重等,不能实现集成化应用 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3,直接耦合直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式,这种耦合方式称为直接耦合,如图 3.4所示 。
直接耦合所用元件少,体积小,低频特性好,便于集成化 。
直接耦合的缺点是：由于失去隔离作用,使前级和后级的直流通路相通,静态电位相互牵制,使得各级静态工作点相互影响 。 另外还存在着零点漂移现象 。
（ 1） 静态工作点相互牵制 。 如图 3.4所示,不论 V1管集电极电位在耦合前有多高,接入第二级后,被 V2管的基极钳制在 0.7V左右,致使 V2管处于临界饱和状态,导致整个电路无法正常工作 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
R
b1
R
c1
R
b2
R
c2
－
＋
U
o
.
＋ U
CC
图 3.4 直接耦合放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2)零点漂移现象 。 由于温度变化等原因,使放大电路在输入信号为零时输出信号不为零的现象称为零点漂移 。 产生零点漂移的主要原因是由于温度变化而引起的 。 因而,零点漂移的大小主要由温度所决定 。
要使用直接耦合的多级放大电路,必须解决静态工作点相互影响和零点漂移问题,解决方法我们将在差动式放大电路中讨论 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.2
1,信号源和输入级之间的关系信号源接放大电路的输入级,输入级的输入电阻就是它的负载,因此可归结为信号源与负载的关系 。 如图
3.5所示,放大电路的输入电压和输入电流可用下面两式计算：
iS
S
Si
iS
i
Si
RR
R
II
RR
R
UU
(3— 1)
(3— 2)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
S
U
S
.
R
iU
i
.
输入级 R
S
R
i
输入级
( a )
I
i
.
( b )
I
S
.
图 3.5 信号源内阻,
(a)信号源内阻降低输入电压 ; (b)信号源内阻降低输入电流第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
中间级级间的相互关系归结为：前级的输出信号为后级的信号源,其输出电阻为信号源内阻,后级的输入电阻为前级的负载电阻 。 如图 3.6所示,第二级的输入电阻为第一级的负载,第三级的输入电阻为第二级的负载,
依次类推 。
1）
因为
)1(3221
2
2
2
1
1
1
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,,,
nionioii
in
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i
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i
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u
UUUUUU
U
U
A
U
U
A
U
U
A
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
unuu
i
on
u AAA
U
U
A
21
1
即总的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积 。
2） 多级放大电路的输入,
多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻,
其输出电阻就是最后一级的输出电阻,如图 3.6所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器例 3.1电路如图 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)电压放大倍数； (2)输入电阻,输出电阻 。
解 (1)
5.1 4 6 2)5.62()4.23(
5.62
2.1
5.150
4.23
6.1
75.050
75.02.1//2//
2.12.1//270//
21
2
2
2
1
1
1
211
222
uuu
be
c
u
be
L
u
icL
bebi
AAA
k
k
r
R
A
k
k
r
R
A
kkkrRR
kkkrRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器在工程上电压放大倍数常用分贝表示,
uu AdBA lg20)(?
)(3.639.356.27)(
)(9.355.62lg20)(
)(4.274.23lg20)(
)()(
lg20lg20)l g (20lg20)(
2
1
11
2111
dBdBA
dBdBA
dBdBA
dBAdBA
AAAAAbBA
u
u
u
uu
uuuuuu
上题用分贝可表示为
(2
2
111 //
co
bebii
Rr
rRRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.3组合放大电路根据前面分析：三种基本组态电路的性能各有特点,
根据三种组态电路不同的特点,将其中任意两种组态相组合,可以构成不同的放大电路,使其更适合实际电路的需要 。 下面介绍几种常见的组合放大电路 。
1.
如图 3.7所示,电路增益主要由共射极电路提供,共集电极电路主要用来提高输入电阻 。
2211
1111
////
])1(/ / [
bebeL
Lebi
rRRR
RrRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
LcL
beLuu
u
uuu
bbb
RRR
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A
AAA
RRR
//
/
1
////
22
2222
1
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22212
电压放大倍数因为所以式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b1
C
2
R
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R
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＋ U
CC
( a )
R
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R
b22 R
e2 C
e 2
R
L
图 3.7共集 —
(a)共集 —共射极组合电路 ; (b)共集 —共射极组合电路交流通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.7共集 —
(a)共集 —共射极组合电路 ; (b)共集 —共射极组合电路交流通路
V
1
V
2
R
b1
( b )
R
b2
R
c2
R
c1
R
L
r
i
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,共射 —共基极组合放大电路如图 3.8所示,由于后级的输入电阻为前级的输出负载电阻,而共基极组态电路的输入电阻很小,使前级共射极组态电路的电压增益减小,因此,组合电路的电压增益主要由共基电路提供 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b11
C
e 1
R
b21
R
c2
C
3
＋ U
CC
( a )
R
e1
R
b22
C
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R
LR
b12
C
2
R
c1
图 3.8
(a)共射－共基极组合电路 ;
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.8
(b)共射－共基极组合电路交流通路输入电阻
V
1
V
2
R
b1
( b )
R
e2
R
c2
R
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R
L
r
i
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
LcL
be
L
u
be
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L
u
uuu
bebebi
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r
R
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r
RRR
r
R
A
AAA
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////
//
22
2
2
2
2
2
2
211
1
1
1
1
211
111
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.4
在实际应用中,放大器所放大的信号并非单一频率,
例如,语言,音乐信号的频率范围在 20～ 20000Hz,图像信号的频率范围在 0~6MHz,还有其它范围 。 所以,要求放大电路对信号频率范围内的所有频率都具有相同的放大效果,输出才能不失真地重显输入信号 。 实际电路中存在的电容,电感元件及三极管本身的结电容效应,对交流信号都具有一定的影响 。 所以,对不同频率具有不同的放大效果 。 因这种原因所产生的失真称为频率失真 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,幅频特性共射极放大电路的幅频特性如图 3.9所示 。 从幅频特性曲线上可以看出,在一个较宽的频率范围内,曲线平坦,这个频率范围称为中频区 。 在中频区之外的低频区和高频区,放大倍数都要下降 。
引起低频区放大倍数下降的原因是由于耦合电容
C1,C2及 Ce的容抗随频率下降而增大所引起 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
b11
C
1
R
c
C
2
R
L
＋ U
CC
U
i
.
V
R
b12
R
e
C
e
( a )
| A
u
|
A
um
0,7 0 7 A
um
0
f
L
f
H f
( b )
图 3.9共射极放大电路的幅频特性
(a)电路； (b)幅频特性第 3章 多级放大电路及集成运算放大器高频区放大倍数的下降原因是由于三极管结电容和杂散电容的容抗随频率增加而减小所引起 。 结电容通常为几十到几百皮法,杂散电容也不大,因而频率不高时可视为开路 。 在高频时输入的电流被分流,使得 IC减小,输出电压降低,导致高频区电压增益下降,
如图 3.10所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
U
i
.
R
c
C
c
R
L
R
b
C
cb
C
be
图 3.10 高频通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,通频带把放大倍数 Aum下降到 时对应的频率称为下限频率 fL和上限频率 fH，夹在上限频率和下限频率之间的频率范围称为通频带 fBW
umA2
1
LHBW fff
(3— 4)
两级放大电路的幅频特性如图 3.11所示 。 由图可见,多级放大电路虽然提高了中频区的放大倍数,
但通频带变窄了,这是一个重要的概念 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
A
u m 1
0,7 07 A
u m 1
0
f
L
f
H
f
A
u m 1
| A
u1
|
( a )
图 3.11 两级放大电路的通频带第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.11 两级放大电路的通频带
( b )
A
u m 2
0,7 07 A
u m 2
0
f
L
f
H
f
A
u m 2
| A
u2
|
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.11 两级放大电路的通频带
A
um
＝ A
u m
A
u m2
A
um
0,7 0 7 A
um
0
f
L
f
H
f
| A
u
|
( c )
0,4 9 A
um
·
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2
前面提到了在多级放大电路中采用直接耦合存在着两个特殊问题,一是静态工作点的相互影响,二是零点漂移 。 为了解决这两个问题,可采用差动式放大电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.1
图 3.12所示为基本差动式放大电路,它由两个完全相同的单管共射极电路组成 。 差动式放大电路有两个输入端,两个输出端,要求电路对称,即 V1,V2的特性相同,外接电阻对称相等,各元件的温度特性相同,
即 Rb1=Rb2,Rc1=Rc2,RS1=RS2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
b1
R
c1
R
c2
R
b2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
图 3.12基本差动式放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.工作原理
1)
静态时 Ui1=Ui2=0。 由于电路左右对称,输入信号为零时,IC1=IC2,UC1=UC2,
Uo=ΔUC1-ΔUC2=0
当电源电压波动或温度变化时,两管集电极电流和集电极电位同时发生变化 。 输出电压仍然为零 。 可见,尽管各管的零漂存在,但输出电压为零,从而使得零漂得到抑制 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2)
（ 1） 差模输入 。 放大器的两个输入端分别输入大小相等极性相反的信号 (即 Ui1=-Ui2),这种输入方式称为差模输入 。
2121
21
2121
22
2
1
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2
1
22
ccccod
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UUUUU
UUUU
UUUUU
差模输出电压第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
)
2
1
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2
2
1
21
1
1
LcL
Sbe
L
ud
Sbe
c
u
ud
uu
i
C
id
od
ud
RRR
Rr
R
A
Rr
R
AA
AA
U
U
U
U
A
差模电压放大倍数即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管共射极电路的电压放大倍数。
由于 Rb rbe,如果接上 RL,则式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由于两管对称,RL的中点电位不变相当于交流的地电位,对于单管来讲负载是 RL的一半,即 RL。 输入电阻
ri=2(RS+rbe) (3—6)
因此输入回路经两个管的发射极和两个 RS,则输出电阻
ro=2Rc (3—7）
因此输出端经过两个 Rc 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2)共模输入 。 在差动式放大电路的两个输入端,
分别加入大小相等极性相同的信号 (即 Ui1=Ui2),这种输入方式称为共模输入 。 共模输入信号用 Uic表示 。 共模输入时 (Uic=Ui1=Ui2)的输出电压与输入电压之比称为共模电压放大倍数,用 Ac表示 。 在电路完全对称的情况下,输入信号相同,输出端电压 Uo=Uo1-Uo2=0,故
Ac=Uo/Ui=0,即输出电压为零,共模电压放大倍数为零 。
这种情况称为理想电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(3)抑制零点漂移的原理 。 在差动式放大电路中,
无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化,相当于在两输入端加入共模信号 。 由于电路的完全对称性,使得共模输出电压为零,共模电压放大倍数 Ac=0,从而抑制了零点漂移 。 这时电路只放大差模信号 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.
在理想状态下,即电路完全对称时,差动式放大电路对共模信号有完全的抑制作用 。 实际电路中,差动式放大电路不可能做到绝对对称,这时 Uo≠0,Ac≠0，
即共模输出电压不等于零 。 共模电压放大倍数不等于零,Ac=Uo/ΔUi。 为了衡量差动式电路对共模信号的抑制能力,引入共模抑制比,用 KCMRR表示 。
c
d
C M R R A
AK? (3— 8)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器共模抑制比的大小反映了差动式放大电路差模电压放大倍数是共模电压放大倍数的 KCMRR倍,
c
d
C M R R A
AK lg20? (3— 9)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由上式可以看出,KCMRR越大,差动式放大电路放大差模信号 （ 有用信号 ） 的能力越强,抑制共模信号
（ 无用信号 ） 的能力越强,即 KCMRR越大越好 。 理想差动式电路的共模抑制比 KCMRR→∞。 后面我们将讨论如何提高共模抑制比 。 由于 KCMRR＝ |Ad/Ac|,即在保证 Aud不变的情况下,如何降低 Ac,从而提高 KCMRR。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.2 带 Re
上面介绍的基本差动式放大电路对共模信号的抑制是靠电路两侧的对称性来实现的 。 但对于各管自身的工作点漂移没有抑制作用,若采用单端输出,则差模和共模放大倍数相等,这时 KCMRR＝ 1,失去了差动式放大电路的作用 。
即使是双端输出,由于实际电路的不完全对称性,仍然有共模电压输出 。 改进方法是在不降低 Aud的情况下,降低 Ac
从而提高共模抑制比 。 带公共 Re的差动式放大电路如图 3.13
所示,这种电路也称为长尾式差动放大电路 。 由于 KCMRR是由差模电压放大倍数和共模电压放大倍数共同决定的,下面分别分析 Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的影响 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
图 3.13 带 Re的差动式放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,静态分析如图 3.14所示,由于流过 Re的电流为 IE1和 IE2之和,
又由于电路的对称性,则 IE1=IE2,流过 Re的电流为 2IE1。
eEQcCQEECCC E Q
BQCQ
eS
B E QEE
BQ
BQEQ
EEeEQB E QSBQ
RIRIUUU
II
RR
UU
I
II
URIURI
2
)1(2
)1(
2
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
( a )
R
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R
c2
R
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R
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＋ U
CC
2 R
e
－ U
EE
( b )
2 R
e
V
1
V
2
V
1
V
2
图 3.14
（ a） 直流偏置电路；（ b） 直流等效电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
加 Re后,当温度上升时,由于 IC1和 IC2同时增大,
稳定过程实质上是一个负反馈过程,关于负反馈在第四节讲解 。
T(° C)↑→
IC1↓
IC1↑
IC2↑
IC2↓
→IE↑→URe↑→UE↑→ UBE1↓→IB1↓
UBE2↓→IB2↓
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
Re越大工作点越稳定,但 Re过大会导致过 UE高使静态电流减小,加入负电源 -UEE可补偿 Re上的压降 。
3.
（ 1） Re对差模信号的影响 。 如图 3.15所示,加入差模信号时由于 Ui1=-Ui2,则 ΔIE1=-ΔIE2,流过 Re的电流
ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=0。 对差模信号来讲,Re上没有信号压降,即 Re对差模电压放大倍数没有影响 。
差模电压放大倍数
beS
L
ud rR
RA
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
I
E1
I
E2
V
2
图 3.15 Re对差模放大倍数的影响第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 2） Re对共模信号的影响 。 如图 3.16加入共模信号时,由于 Ui1=Ui2,则 ΔIE1=ΔIE2,流过 Re1 的电流
ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=2ΔIE1,ΔUE=2ΔIE1Re,对于共模信号可以等效成每管发射极接入 2Re的电阻 。
co
beSi
L
cL
Rr
rRr
R
RR
2
)(2
)
2
//(
其中输入电阻输出电阻第 3章 多级放大电路及集成运算放大器即 Re使共模电压放大倍数减小,而且 Re越大,Ac越小,KCMRR越大 。
beS
c
c
ebeS
c
c
rR
R
A
RrR
R
A
)1(2
不加 Re时第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
( a )
I
E1
U
o
V
2
＋
－
U
i1
＋
－
U
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I
E2
图 3.16 输入共模信号第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.16 输入共模信号
V
1
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
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CC
2 R
e
－ U
EE
( b )
2 R
e
＋
－
U
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＋
－
U
i2
U
o
V
2
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.3 具有恒流源的差动式放大电路通过对带 Re的差动式放大电路的分析可知,Re越大,
KCMRR越大,但增大 Re,相应的 UEE也要增大 。 显然,
使用过高的 UEE是不合适的 。 此外,Re直流能耗也相应增大 。 所以,靠增大 Re来提高共模抑制比是不现实的 。
设想,在不增大 UEE时,如果 Re→∞,Ac→0,则
KCMRR→∞,这是最理想的 。 为解决这个问题,用恒流源电路来代替 Re,电路如图 3.17(a)所示 。 V3管采用分压式偏置电路,无论 V1,V2管有无信号输入,Ib3恒定,
IC3恒定,所以 V3称为恒流管 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17 具有恒流源的差动式放大电路
( a )
V
1
－
＋
U
i1
R
b1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
V
3
R
b2
R
e
－ U
EE
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17 具有恒流源的差动式放大电路
( b )
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17中 IC3=IE3,由于 IC3 恒定,IE3 恒定,则
ΔIE→0,这时动态电阻 rd
恒流源对动态信号呈现出高达几兆欧的电阻,而直流压降不大,可以不增大 UEE。 rd相当于 Re,所以对差模电压放大倍数 Ad无影响 。 对共模电压放大倍数 Ac
相当于接了一个无穷大的 Re,所以 Ac→0,这时
KCMRR→∞。 实现了在不增加 UEE的同时,提高了共模抑制比的目的 。 恒流源电路可用恒流源符号表示,如图 3.17(b)所示 。
3
3
E
E
d I
Ur
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.4
由于差动式放大电路有两个输入端,两个输出端,
所以信号的输入和输出有四种方式,这四种方式分别是双端输入双端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出 。 根据不同需要可选择不同的输入,输出方式 。
1,双端输入双端输出电路如图 3.18所示,其中,差模电压放大倍数为
)2///( LcL
beS
L
ud
RRR
rR
RA
式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器此电路适用于输入、输出不需要接地，对称输入，
对称输出的场合。
co
beSi
Rr
rRr
2
)(2
输入电阻输出电阻第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
R
L
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
图 3.18双端输入双端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
如图 3.19所示,信号从一只管子 （ 指 V1） 的基极与地之间输入,另一只管子的基极接地,表面上似乎两管不是工作在差动状态,但是,若将发射极公共电阻 Re换成恒流源,
那么,IC1的任何增加将等于 IC2的减少,也就是说,输出端电压的变化情况将和差动输入 （ 即双端输入 ） 时一样 。 此时,V1,V2管的发射极电位 UE将随着输入电压 Ui而变化,
变化量为 Ui/2,于是,V1管的 Ube=Ui-Ui/2=Ui/2,V2 管的
Ube=0-Ui/2=-Ui/2。 这样来看,单端输入的实质还是双端输入,可以将它归结为双端输入的问题 。 所以,它的 Ad,ri、
ro的估算与双端输入双端输出的情况相同 。
此电路适用于单端输入转换成双端输出的场合 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.
图 3.20为单端输入单端输出的接法 。 信号只从一只管子的基极与地之间接入,输出信号从一只管子的集电极与地之间输出,输出电压只有双端输出的一半,
电压放大倍数 Aud也只有双端输出时的一半 。
co
bei
LcL
bec
L
d
Rr
rr
RRR
rR
R
A
2
//
)(2
式中输入电阻输出电阻
（ 3— 10）
(3—12)
(3—11)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器此电路适用于输入输出均有一端接地的场合 。
V
1
－
＋
U
i
R
c1
R
c2
R
L
R
S1
R
S2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
图 3.20 单端输入单端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
4.
图 3.21所示电路,其输入方式和双端输入相同,输出方式和单端输出相同,它的 Ad,ii,ro的计算和单端输入单端输出相同 。 此电路适用于双端输入转换成单端输出的场合 。
从几种电路的接法来看,只有输出方式对差模放大倍数和输入,输出电阻有影响,不论哪一种输入方式,
只要是双端输出,其差模放大倍数就等于单管放大倍数,
单端输出差模电压放大倍数为双端输出的一半 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
R
L
R
S1
R
S2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
－
＋
U
i2
I
S
图 3.21 双端输入单端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3 功率放大电路功率放大电路与电压放大器的区别是,电压放大器是多级放大器的前级,它主要对小信号进行电压放大,主要技术指标为电压放大倍数,输入阻抗及输出阻抗等 。 而功率放大电路则是多级放大器的最后一级,
它要带动一定负载,如扬声器,电动机,仪表,继电器等,所以,功率放大电路要求获得一定的不失真输出功率 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.1 功率放大电路的特点及分类
1.
（ 1） 输出功率足够大 。 为获得足够大的输出功率,
功放管的电压和电流变化范围应很大 。 为此,它们常常工作在大信号状态,接近极限工作状态 。
（ 2） 效率高 。 功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比 。 对于小信号电压放大器来讲,由于输出功率较小,电源供给的直流功率也小,因此效率问题就不需要考虑 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 3） 非线性失真小 。 功率放大器是在大信号状态下工作,电压,电流摆动幅度很大,极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区造成输出波形的非线性失真 。 因此,功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重 。 在实际应用中,有些设备对失真问题要求很严,因此,要采取措施减小失真,使之满足负载的要求 。
(4)保护及散热 。 功放管承受高电压,大电流,因而功放管的保护及散热问题也应重视 。 功率放大器工作点的动态范围大,因此只适宜用图解法进行分析 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
功率放大器一般是根据功放管工作点选择的不同进行分类的 。 有甲类,乙类及甲乙类功率放大器 。 当静态工作点 Q设在负载线性段的中点,整个信号周期内都有电流 IC通过时,如图 3.22（ a） 所示,称为甲类功放 。 若将静态工作点 Q设在横轴上,则 IC仅在半个信号周期内通过,其输出波形被削掉一半,如图 3.22（ b） 所示,称为乙类功放 。 若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止区,则其 IC的流通时间为多半个信号周期,输出波形被削掉一部分 。 如图 3.22（ c） 所示,称为甲乙类功放 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
i
C
Q
U
CC
u
CE
( a )
O
图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放
i
C
Q
U
CC
u
CE
O
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放
i
C
Q
U
CC
O
( c )
u
CE
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.2 乙类互补对称功放如果电路处在甲类放大状态,则静态工作电流大,
因而效率低 。 若用一个管子组成甲乙类或乙类放大电路,
就会出现严重的失真现象 。 乙类互补对称功放,既可保持静态时功耗小,又可减小失真,如图 3.23所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
V
1
V
2
u
o
R
L
＋ U
CC
图 3.24 ui为正半周时的工作情况第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.
选用两个特性接近的管子,使之都工作在乙类状态 。 一个在正弦信号的正半周工作,另一个在负半周工作,便可得到一个完整的正弦波形 。
2.
由于在正常互补对称功率放大电路中,V1,V2管交替对称各工作半周,因此,分析 V1,V2管工作的半周情况,可推知整个放大器的电压,电流波形 。 现以 V1
管工作的半周情况为例进行分析 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器当 ui=0时,iB1=iB=0,iC1=iC=0,uCE1=uCE=UCC。 电路工作在 Q点,如图 3.24所示,当 ui≠0时,交流负载线的斜率为 -1/Rc。 因此,过 Q点作斜率为 -1/R′L的直线即为交流负载线 。 如输入信号 ui足够大,则可求出 Ic的最大幅值 Icm和 Uce的最大幅值 Ucem=UCC-Uces=IcmRL≈UCC。 根据以上分析,可求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率 Po,管耗 PV,直流电源供给的功率 PU和效率 η。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
i
C
A
U
CC
O B
U
C E S
Q u
CE
I
cm
U
cem
图 3.24 ui为正半周时的工作情况第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 1） 输出功率 Po。 输出功率用输出电压有效值和输出电流有效值的乘积来表示 。 设输出电压的幅值为
Uom,则
L
CC
L
om
o
CCc e sCCom
L
om
om
L
om
ooo
R
U
R
U
P
UUUU
R
UU
R
U
UIP
22
222
22
2
因为即第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2） 管耗 PV。 设 uo=Uomsinωt时,则 V1管的管耗为
)
4
(
1
2
)
4
(
1
)(
s i n
)s i n(
2
1
)()(
2
1
2
21
2
0
0
21
om
omCC
L
VVV
om
omCC
L
L
om
omCC
L
o
oCCVV
UUU
R
PPP
UUU
R
td
R
tU
tUU
td
R
u
uUPP
两管管耗第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 3） 直流供给功率 PU。 直流电源供给的功率包括负载得到的功率和 V1,V2管消耗的功率两部分 。
%5.78
4
4
2
)
4
(
1
2
2
0,0
2
22
U
O
CC
om
U
O
L
CC
U
omomCC
LL
om
VOU
UC
P
P
U
U
P
P
R
U
P
UUU
RR
U
PPP
Pi
当 ui=0时：
当 ui≠0时：
则
（ 4）效率 η。
当 Uom≈UCC时：
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由于 Uom≈UCC忽略了管子的饱和压降 Uces,所以实际效率比这个数值要低一些 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.3
乙类互补对称电路效率比较高,但由于三极管的输入特性存在有死区,而形成交越失真 。 采用甲乙类互补对称电路 (如图 3.25所示 ),可以克服交越失真问题 。
其原理是静态时,在 V1,V2管上产生的压降为 V3,V4管提供了一个适当的正偏电压,使之处于微导通状态 。
由于电路对称,静态时 iC1=iC2,io=0,Uo=0。 有信号时,
由于电路工作在甲乙类,即使 ui很小,也基本上可线性放大 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
2
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
W
b
1
b
2
－ U
EE
图 3.25 二极管偏置互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器但上述偏置方法的偏置电压不易调整,而在图 3.26
所示电路中,设流入 V4管的基极电流远小于流过 R1、
R2的电流,则可求出 Uce4=UBE4（ R1+R2） /R2。 因此,
利用 V4管的 UBE4基本为一固定值 （ 0.6~0.7V）,只要适当调节 R1,R2的比值,就可改变 V1,V2管的偏压值 。 这种方法常称为 UBE扩大电路,在集成电路中经常用到 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
V
2
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
－ U
CC
V
3
R
e3
R
1
R
2
R
c 3
V
4
图 3.26 扩大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.4
1.
在功率放大电路中,如果负载电阻较小,并要求得到较大的功率,则电路必须为负载提供很大的电流 。
如 RL=4Ω,额定功率 PN=16W,则由 PN=I 2RL可得负载电流有效值为 2A,若管子的 β=20,则基极电流
IB=100mA。 一般很难从前级获得这样大的电流,因此需设法进行电流放大 。 通常在电路中采用复合管 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器所谓复合管就是把两只或两只以上的三极管适当地连接起来等效成一只三极管 。 连接时,应遵守两条规则,① 在串联点,必须保证电流的连续性； ② 在并接点,必须保证总电流为两个管子电流的代数和 。 复合管的连接形式共有四种,如图 3.27所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
I
b1? I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( a )
图 3.27 复合管的四种连接形式第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.27 复合管的四种连接形式
I
b1
1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.27 复合管的四种连接形式
I
b1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( c )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
I
b1
1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
( d )
图 3.27 复合管的四种连接形式第 3章 多级放大电路及集成运算放大器观察图 3.27
(1)复合管的极性取决于推动级 。 即 V1为 NPN型,
则复合管就为 NPN型 。
(2)输出功率的大小取决于输出管 V2。
(3)若 V1和 V2管的电流放大系数为 β1,β2,则复合管的电流放大系数 β≈β1·β2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,复合管互补对称功率放大电路利用图 3.27（ a）,（ b） 形式的复合管代替图 3.25
中的 V１ 和 V２ 管,就构成了采用复合管的互补对称输出级,如图 3.28所示 。 它可以降低对前级推动电流的要求,
不过其直接为负载 RL提供电流的两个末级对管 V3,V4
的类型截然不同 。 在大功率情况下,两者很难选配到完全对称 。 图 3.29则与之不同,其两个末级对管是同一类型,因此比较容易配对 。 这种电路被称为准互补对称电路 。 电路中 Re1,Re2的作用是使 V3和 V２ 管能有一个合适的静态工作点 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
3
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
－ U
EE
u
i
V
2
V
4
图 3.28 复合管互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
3
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
－ U
EE
u
i
V
2
V
4
R
e 2
R
e 1
图 3.29 准互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.5 集成功率放大电路随着集成技术的不断发展,集成功率放大器产品越来越多 。 由于集成功放成本低,使用方便,因而被广泛地应用在收音机,录音机,电视机及直流伺服系统中的功率放大部分 。 下面介绍几种常用的集成功率放大器 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,单片音频功率放大器 5G37
5G37是一块集成音频功率放大器,其最大不失真输出功率为 2~3W,可作为收音机,录音机,电唱机的功率放大器,也可用于电视机的输出电路,应用非常广泛 。
其内部电路如图 3.30所示 。 图中,V1,V2管互补组成
PNP型复合管,构成整个放大器的前置输入级； V3,V4
管组成 PNP型复合管,构成放大器的激励级； V8,V9、
V10,V11,V12管构成准互补推挽输出级 。 V5,V6,V7管是消除小信号交越失真而设的二极管偏置电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.31为 5G37的典型应用电路 。 ② 脚为输入端,
经耦合电容 C1输入信号 。 ⑦ 脚接正电源,电阻 R′1,R′2
的作用是决定中点电位 。 调节 RP,可使加到两个推挽管子上的集电极与发射极之间电压相等,亦即使 ⑥ 脚的直流电位值等于 UCC/2。 负载 RL为 8Ω扬声器,其一端经耦合电容 C5接 ⑥ 脚,另一端接正电源 。 C′3为消振电容,
用来防止高频自激 。 R′3,C′2支路与片内的反馈电阻共同构成交流负反馈网络,改变 R′3可以调节放大器的增益 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.3 05G37内部电路图
⑧
R
2
R
3
V
8
R
5
V
11
⑦
V
5
V
6
V
7
R
1
②
V
1
V
2
①
V
3
V
4
V
9
V
10
R
4
③
④
R
6
V
12
⑤
⑥
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
3
V
5
V
6
V
7
V
8,1 1
V
9,1 0,1 2
V
3,4
R
1
5 G 37
V
1,2
⑦
⑥
⑤
④
⑧
③
②
①
＋
C
3
6 8 pF
′
R
3
′
1 00?
C
2
′
1 00? F / 10 V
R
4
′
2 0 k?
＋
5 00? F / 15 V
C
5
8?
R
1
′
2 2 k?
＋
C
1
5? F
/ 10 V
R
2
′
2 0 k?
1 0 k?
R
P
u
i
＋ 1 8 V
图 3.315 G37应用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,LM386
LM386是一种通用型宽带集成功率放大器,适用的电源电压为 4~10V,常温下功耗在 660mW左右,适用于收音机,对讲机,函数发生器等 。 LM386的 ①,⑧
两脚为增益设定端 。 C2为消除自激,C4为电源退耦 。
R2,C3支路组成容性负载,抵消扬声器的感性负载,
防止信号突变时扬声器上呈现较高的瞬时电压而使其损坏 。 图 3.32所示为 LM386的应用接线 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1
2
3
4
8
7
6
5
＋
R
1
1,2 k?
C
1
1 0? F
L
M
38
6
1 00?
R
P
u
i
2,1 p F
C
2
＋ C
4
1 00? F
U
CC
R
2
C
3
0,1? F
C
5
＋
R
L
4 70? F
8?
1 0?
图 3.32 LM386应用接线第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.6
1,OCL
图 3.33为一高保真功率放大器的典型应用电路,其中 V1,V2,V3管组成的恒流源差动放大器为前置放大级,
除了对输入信号进行放大外,还有温度补偿和抑制零漂的作用 。 V4,V5管构成中间放大级 。 V7到 V10管为准互补 OCL电路,作为输出级 。 Re7~Re10可使电路稳定 。 V6
管及 Re4,Re5构成,UBE扩大电路,,调节 Re4可改变加在 V7,V8管基极间的电压,以消除交越失真 。 Rf,C1和
Rb2构成串联负反馈,以提高电路稳定性并改善性能 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
f
V
7
2 2 k?
C
1
4 7? F
R
b2
6 20?
R
c 4
*
V
3
V
2
R
e3
6 80?
3 30?
R
c5
V
5
R
e5
1 50?
V
6
V
8
R
c8
2 20? 0,5?
R
e 1 0
V
10
V
4
V
9
R
e4
1 50?
R
c1
2,2 k?
R
1 0 k?
V
1
R
b 1
*
u
i
＋
－
V
D1
V
D2
R
e7
2 20?
0,5?
R
e9
R
L
8?
＋
－
( － 2 4 V )
－ U
CC
u
o
( ＋ 2 4 V )
＋ U
CC
图 3.33 OCL功率放大器应用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,OTL功率放大电路图 3.34所示电路是一个 OTL互补对称功率放大电路,用作电视机伴音功放 。 其中 V1管构成前置电压放大级,信号经 C3耦合至 V2构成的推动级,R14形成电压串联负反馈,以改善放大性能 。 C2,C4,C7为相位补偿元件,用以防止高频自激 。 V3,V4管构成互补功率输出级 。 C6将信号耦合到负载 RL上 。 R11,R12为限流电阻,防止开机时功放管中电流过大而烧坏功放管 。 V3,V4管的静态工作点由 V2管的静态电流及 R6,R7,R8,R9决定 。 其中 R8是热敏电阻,其阻值随温度升高而减小,可稳定功放管的静态电流 。 电阻 R10连接在 V2管的基极与电容 C6的正极之间,构成直流负反馈,以稳定 C6正极的电位为 UCC/2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
1
2 00 k?
R
3
2,2 k?
C
2
6 8 pF
C
3
1 0? F
R
5
5,6 k?
＋
V
2
3 D G 1 5
C
4
3 30 0 pF
R
10
1 0 k?
R
6
3 3?
＋
C
5
1 00? F
V
3
3 D G 1 2
R
11
1?
R
13
3 3?
＋ 1 2 V
＋
C
6
2 00? F
C
7
0,2 2? F
R
12
1?
R
7
1 50?
V
4
3 A X 8 3
R
9
1 k?
R
8
t
3 30?
V
1
R
4
1 00?
R
2
3 0 k?
＋
1 0? F
C
1
u
i
1 0 k?
R
14
R
L
图 3.34 OTL互补对称功率放大器实用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.TDA7050T集成功放实用电路
TDA7050T的外形为 8脚扁平塑封装,图 3.35（ a）
为立体声工作状态 。 外接元件只有两只 47μF电解电容,
电压增益为 26dB。 UCC=3V,RL=32Ω时,Pom=36mW。
图 3.35（ b） 所示为 BTL工作状态,无需外接元件 。
UCC=3V,RL=32Ω时,Pom=140mW,电压增益为 32dB。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
8
2
＋
－
1
2 2 k?
U
CC
7
3
＋
－
4
6
5
(左)
2 2 k?
(右)
＋
＋
4 7? F
R
L
4 7? F
R
L
T D A 7 05 0T
图 3.35 TDA7050T的外接线图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.35 TDA7050T的外接线图
8
1
＋
－
2
22 k?
U
CC
7
4
＋
－
3
6
5
R
L
T D A 7 05 0T
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.7
1.
功率放大器的工作电压,电流都很大 。 功放管一般工作在极限状态下,所以在给负载输出功率的同时,功放管也要消耗部分功率,使管子升温发热,致使晶体管损坏 。 为此,应注意功放管的散热措施,通常是给功放管加装由铜,铝等导热性良好的金属材料制成的散热片,
由于功放管管壳很小,温升的热量主要通过散热片传送 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,功放管的二次击穿问题图 3.36所示为晶体管击穿特性曲线 。 AB段为一次击穿,是由于 Uce过大引起的雪崩击穿,是可逆的,当外加电压减小或消失后管子可恢复原状 。 若在一次击穿后,
iC继续增大,管子将进入二次击穿 BC段,二次击穿是不可逆的,致使管子毁坏 。 防止功放管二次击穿的主要措施为,① 改善管子散热情况,使其工作在安全区； ② 应用时避免电源剧烈波动,输入信号突然大幅度增加,负载开路或短路等,以免出现过压,过流； ③ 在负载两端并联二极管和电容,以防止负载的感性引起功放管过压或过流 。 在功放管的 c,e端并联稳压管以吸收瞬时过压 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
O
A
i
C
C
B
二次击穿一次击穿
u
CE
( a )
图 3.36晶体管二次击穿曲线第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.36晶体管二次击穿曲线
O
i
C
u
CE
二次击穿后曲线二次击穿临界曲线
i
B
为常数
( a )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4 集成运算放大器简介运算放大器实质上是一个多级直接耦合的高增益放大器 。 由于初期运算放大器主要用于数学运算,所以,
至今仍保留这个名称 。 集成运算放大器是利用集成工艺,
将运算放大器的所有元件集成在同一块硅片上,封装在管壳内,通常简称为集成运放 。 随着集成技术的飞速发展,集成运放的性能不断提高,其应用领域远远超出了数学运算的范围 。 在自动控制,仪表,测量等领域,集成运放都发挥着十分重要的作用 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4.1
集成运放的内部电路分为输入级,偏置电路,中间级及输出级四部分,如图 3.37所示 。 现以国产 F007型号为例,对各部分电路的功能作以介绍,其内部电路如图
3.38所示 。
F007共有九个引线端 。 ②,③ 端为输入端,⑥ 端为输出端 。 由于 ② 端和 ③ 端相位相反,因而 ② 端称为反相输入端,③ 端和 ⑥ 端相位相同,称为同相输入端 。 ⑦ 端和 ④ 端为正,负电源端,① 端和 ⑤ 端为调零端,⑧ 端和
⑨ 端为补偿端 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器输入级 中间级 输出级偏置电路
U
o
U
i
图 3.37 集成运放的框图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
D 1
R
10
5 0?
－ 1 5 V
⑧
⑦
②③
④
⑤
⑥
V
D 2
2 5?
R
9
V
14
U
o
R
7
4,5 k?
R
8
7,5 k?
V
15
V
18
V
19
V
17
V
16
⑨
3 0 pF
V
13
V
12
R
5
3 9 k?
V
11
V
10
R
4
3 k?
＋ 1 5 V
V
9
1 k?
R
3
V
6
R
2
5 0 k?
R
1
1 k?
①
V
5
V
3
V
4
V
7
V
1
V
2
U
i 1
U
i 2
V
8
图 3.38 F007内部电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.
输入级是决定电路性能的关键一级 。 如输入电阻,
输入电压范围,共模抑制比等,主要由输入级来决定 。
图 3.38中,F007的输入级由 V1~V7管及 R1,R2,R3组成 。 其中 V1~V4管构成复合差动式放大电路,V5,V6、
V7管构成 V3,V4管的有源负载 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
1)
镜像电流源电路如图 3.39所示 。 V1和 V2管是做在同一块硅片上的相邻的三极管,因此两者性能参数相同,
由于 UBE1=UBE2=UBE,因 此 电 流 也 对 称 相 等,即
IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC。 由图 3.39,可看出流过 R的电流
)
2
1(
2
2
1
1
1
C
C
CBCR
EECC
R
I
I
IIII
R
UU
I
根据分流关系第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
V
1
I
B1
U
CC
V
2
I
B2
I
C1
I
C2
I
R
2 I
B
图 3.39 镜像电流源第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由式 (3—13)可以看出,IC2=IR,一旦 IR确定,IC2也随之确定,IR稳定,IC2也随之稳定,IR和 IC2成为一种镜像关系,因而称为镜像电流源 。
R
UUII EECC
RC
2
(3— 13)
当 β2时,IB≈IC1+IC2,所以第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2)
在集成运算放大器中,为减小功耗,限制温升,应降低各管的静态电流 。 因此,集成运放多数都采用恒流源电路作为偏置电路 。 F007的偏置电路由 V8~V13管及 R4,R5组成,如图 3.40所示 。 V8,V9,V12和 V13管构成的电路称为镜像电流源 。 因为 V10和 V11管构成微电流源,由于流过 R5
的电流 IR是 V12和 V13,V10和 V11的基准电流,所以 IR是一个基本恒定的基准电流 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
4
R
5
V
8
I
C8
I
3,4
V
10
I
C 1 0
I
C9
V
9
V
12
I
R
V
11
V
13
至中间级至输入级
＋ 1 5 V
－ 1 5 V
图 3.40 F007的偏置电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由上式可以看出,IR是一个基本恒定的基准电流 。
IR在 V13中的镜像电流 IC13给中间级的 V16,V17管提供静态电流,IR在 V10中的镜像电流 IC10为 V9管提供集电极电流,
同时为 V3,V4提供基流 I3,I4。 在 V8和 V9构成的镜像电流源中,IC8给输入级的 V1,V2提供集电极静态电流 。
5
5
1112
R
UU
R
UUUU
I
EECC
BEBEEECC
R
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.中间级
F007的中间级是由 V16,V17组成的复合管共射极放大电路构成 。 由于集电极为有源负载 （ 由恒流源 V13构成 ）,而 V13的动态电阻很大,加之放大管的 β也大,因此中间级的放大倍数很高 。
4.输出级
F007的输出级是由 V14,V18,V19,V15,R7,R8及
VD1,VD2,R10共同组成 。 其中 V14,V18,V19构成互补对称式功率放大电路,V15,R7,R8组成 UBE扩大电路,VD1、
VD2,R9,R10构成过载保护电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
5.
集成运放内部电路随型号的不同而不同,但基本框图相同 。 集成运放有两个输入端：一个是同相输入端,
用,+”表示 ;另一个是反相输入端,用,－,表示 。 输出端用,+”表示 。 若将反相输入端接地,信号由同相输入端输入,则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入端接地,信号从反相输入端输入,则输出信号和输入信号相位相反 。 集成运放的引脚除输入,输出端外,
还有正,负电源端及调零端等 。 F007的符号及管脚排列如图 3.41所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
＋
－ ∞
＋ U
o
U
＋
＋
－ ∞
＋
C
U
o
6
U
－
8
9
＋ U
CC
7
1
5
U
＋
U
－
4
3
2
( b )( a )
－ U
EE
图 3.41F007
(a)符号 ; (b)管脚排列第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4.2 集成运放的主要参数集成运放的参数,是评价其性能优劣的主要标志,
也是正确选择和使用的依据 。 必须熟悉这些参数的含义和数值范围 。
1.
能够施加于运放电源端子的最大直流电压值称为电源电压 。 一般有两种表示方法：用正,负两种电压
UCC,UEE表示或用它们的差值表示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.最大差模输入电压 Uidmax
Uidmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值 。 输入差模电压超过 Uidmax时,可能会使输入级的管子反向击穿等 。
3.最大共模输入电压 Uidmax
Uidmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最大共模输入电压 。 超过此值,集成运放的共模抑制比,
差模放大倍数等会显著下降 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
4.开环差模电压放大倍数 Aud
集成运放开环时输出电压与输入差模信号电压之比称为开环差模电压放大倍数 Aud 。 AAud 越高,运放组成电路的精度越高,性能越稳定 。
5,输入失调电压 Uos
实际上,集成运放难以做到差动输入级完全对称 。
当输入电压为零时,为了使输出电压也为零,需在集成运放两输入端额外附加补偿电压,该补偿电压称为输入失调电压 Uos 。 Uos 越小越好,一般为 0.5～ 5mV。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
6.输入失调电流 Ios
Ios是当运放输出电压为零时,两个输入端的偏置电流之差,即 Ios=|IB1-IB2|,它是由内部元件参数不一致等原因造成的 。 Ios越小越好,一般为 1～ 10μA。
7.输入偏置电流 IB
IB是输出电压为零时,流入运放两输入端静态基极电流的平均值,即 IB=(IB1-IB2)/2。 IB越小越好,一般为
1～ 100μA。
8.共模抑制比 KCMRR
KCMRR是差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比,即 KCMRR=|Aud/Aoc|。 KCMRR越高越好 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
9.差模输入电阻 rid
rid是开环时输入电压变化量与它引起的输入电流的变化量之比,即从输入端看进去的动态电阻 。 rid一般为兆欧级 。
10.输出电阻 ro
ro是开环时输入电压变化量与它引起的输入电流的变化量之比,即从输入端看进去的电阻 。 ro越小,运放的带负载能力越强 。
除了以上指标外,集成运放还有其它一些参数,如最大输出电压,最大输出电流,带宽等 。 近年来,各种专用集成运放不断问世,可以满足特殊要求,有关具体资料,
可参看产品说明 。
3.1多级放大电路
3.2 差动式放大电路
3.3 功率放大电路
3.4 集成运算放大器简介第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1多级放大电路在实际的电子设备中,为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求,一个放大电路往往由多级组成 。 多级放大电路由输入级,中间级及输出级组成,如图 3.1所示 。 于是,可以分别考虑输入级如何与信号源配合,输出级如何满足负载的要求,中间级如何保证放大倍数足够大 。 各级放大电路可以针对自己的任务来满足技术指标的要求,本章只讨论由输入级到输出级组成的多级小信号放大电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器信号源 输入级 中间级 输出级 负载多级放大电路图 3.1 多级放大电路框图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.1 级间耦合方式多级放大电路是将各单级放大电路连接起来,这种级间连接方式称为耦合 。 要求前级的输出信号通过耦合不失真地传输到后级的输入端 。 常见的耦合方式有阻容耦合,变压器耦合及直接耦合三种形式 。 下面分别介绍三种耦合方式 。
1.
阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后级连接起来 。 这个电容器称为耦合电容,如图 3.2所示 。 第一级的输出信号通过电容器 C2和第二级的输入端相连接 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
＋
＋
V
1
V
2
＋
－
＋
U
i
.
C
1
R
b1
R
c1
C
2
R
b2
R
c2
C
3
－
＋
U
o
.
U
CC
( a )
图 3.2
(a)电路 ; (b)直流通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.2
(a)电路 ; (b)直流通路
V
1
V
2
R
b1
R
c1
R
b2
R
c2
＋ U
CC
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器阻容耦合的优点是：前级和后级直流通路彼此隔开,
每一级的静态工件点相互独立,互不影响 。 便于分析和设计电路 。 因此,阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应用 。
阻容耦合的缺点是：信号在通过耦合电容加到下一级时会大幅衰减,对直流信号 （ 或变化缓慢的信号 ） 很难传输 。 在集成电路里制造大电容很困难,不利于集成化 。 所以,阻容耦合只适用于分立元件组成的电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,变压器耦合变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来,这种耦合方式称为变压器耦合,如图 3.3所示 。 将 V1的输出信号经过变压器 T1送到 V2的基极和发射极之间 。 V2的输出信号经 T2耦合到负载 RL上 。
Rb11,Rb12和 Rb21,Rb22分别为 V1管和 V2管的偏置电阻,
Cb2是 Rb21和 Rb22的旁路电容,用于防止信号被偏置电阻所衰减 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b11
C
e1
U
CC
R
b12
R
e1
C
b2
R
b21
R
b22
R
e2
C
e2
R
L
T
1
T
2
图 3.3 变压器耦合两级放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器变压器耦合的优点是：由于变压器不能传输直流信号,且有隔直作用,因此各级静态工作点相互独立,
互不影响 。 变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗,
电压,电流变换 。 变压器耦合的缺点是：体积大,笨重等,不能实现集成化应用 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3,直接耦合直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式,这种耦合方式称为直接耦合,如图 3.4所示 。
直接耦合所用元件少,体积小,低频特性好,便于集成化 。
直接耦合的缺点是：由于失去隔离作用,使前级和后级的直流通路相通,静态电位相互牵制,使得各级静态工作点相互影响 。 另外还存在着零点漂移现象 。
（ 1） 静态工作点相互牵制 。 如图 3.4所示,不论 V1管集电极电位在耦合前有多高,接入第二级后,被 V2管的基极钳制在 0.7V左右,致使 V2管处于临界饱和状态,导致整个电路无法正常工作 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
R
b1
R
c1
R
b2
R
c2
－
＋
U
o
.
＋ U
CC
图 3.4 直接耦合放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2)零点漂移现象 。 由于温度变化等原因,使放大电路在输入信号为零时输出信号不为零的现象称为零点漂移 。 产生零点漂移的主要原因是由于温度变化而引起的 。 因而,零点漂移的大小主要由温度所决定 。
要使用直接耦合的多级放大电路,必须解决静态工作点相互影响和零点漂移问题,解决方法我们将在差动式放大电路中讨论 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.2
1,信号源和输入级之间的关系信号源接放大电路的输入级,输入级的输入电阻就是它的负载,因此可归结为信号源与负载的关系 。 如图
3.5所示,放大电路的输入电压和输入电流可用下面两式计算：
iS
S
Si
iS
i
Si
RR
R
II
RR
R
UU
(3— 1)
(3— 2)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
S
U
S
.
R
iU
i
.
输入级 R
S
R
i
输入级
( a )
I
i
.
( b )
I
S
.
图 3.5 信号源内阻,
(a)信号源内阻降低输入电压 ; (b)信号源内阻降低输入电流第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
中间级级间的相互关系归结为：前级的输出信号为后级的信号源,其输出电阻为信号源内阻,后级的输入电阻为前级的负载电阻 。 如图 3.6所示,第二级的输入电阻为第一级的负载,第三级的输入电阻为第二级的负载,
依次类推 。
1）
因为
)1(3221
2
2
2
1
1
1
,,,
,,,
nionioii
in
on
un
i
o
u
i
o
u
UUUUUU
U
U
A
U
U
A
U
U
A
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
unuu
i
on
u AAA
U
U
A
21
1
即总的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积 。
2） 多级放大电路的输入,
多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻,
其输出电阻就是最后一级的输出电阻,如图 3.6所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器例 3.1电路如图 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)电压放大倍数； (2)输入电阻,输出电阻 。
解 (1)
5.1 4 6 2)5.62()4.23(
5.62
2.1
5.150
4.23
6.1
75.050
75.02.1//2//
2.12.1//270//
21
2
2
2
1
1
1
211
222
uuu
be
c
u
be
L
u
icL
bebi
AAA
k
k
r
R
A
k
k
r
R
A
kkkrRR
kkkrRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器在工程上电压放大倍数常用分贝表示,
uu AdBA lg20)(?
)(3.639.356.27)(
)(9.355.62lg20)(
)(4.274.23lg20)(
)()(
lg20lg20)l g (20lg20)(
2
1
11
2111
dBdBA
dBdBA
dBdBA
dBAdBA
AAAAAbBA
u
u
u
uu
uuuuuu
上题用分贝可表示为
(2
2
111 //
co
bebii
Rr
rRRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.3组合放大电路根据前面分析：三种基本组态电路的性能各有特点,
根据三种组态电路不同的特点,将其中任意两种组态相组合,可以构成不同的放大电路,使其更适合实际电路的需要 。 下面介绍几种常见的组合放大电路 。
1.
如图 3.7所示,电路增益主要由共射极电路提供,共集电极电路主要用来提高输入电阻 。
2211
1111
////
])1(/ / [
bebeL
Lebi
rRRR
RrRr
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
LcL
beLuu
u
uuu
bbb
RRR
rRAA
A
AAA
RRR
//
/
1
////
22
2222
1
21
22212
电压放大倍数因为所以式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b1
C
2
R
b21
R
c2
C
3
＋ U
CC
( a )
R
e1
R
b22 R
e2 C
e 2
R
L
图 3.7共集 —
(a)共集 —共射极组合电路 ; (b)共集 —共射极组合电路交流通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.7共集 —
(a)共集 —共射极组合电路 ; (b)共集 —共射极组合电路交流通路
V
1
V
2
R
b1
( b )
R
b2
R
c2
R
c1
R
L
r
i
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,共射 —共基极组合放大电路如图 3.8所示,由于后级的输入电阻为前级的输出负载电阻,而共基极组态电路的输入电阻很小,使前级共射极组态电路的电压增益减小,因此,组合电路的电压增益主要由共基电路提供 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
V
2
－
＋
U
i
.
C
1
R
b11
C
e 1
R
b21
R
c2
C
3
＋ U
CC
( a )
R
e1
R
b22
C
e 2
R
LR
b12
C
2
R
c1
图 3.8
(a)共射－共基极组合电路 ;
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.8
(b)共射－共基极组合电路交流通路输入电阻
V
1
V
2
R
b1
( b )
R
e2
R
c2
R
c1
R
L
r
i
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
LcL
be
L
u
be
ecL
be
L
u
uuu
bebebi
RRR
r
R
A
r
RRR
r
R
A
AAA
rrRr
//
)1(
////
//
22
2
2
2
2
2
2
211
1
1
1
1
211
111
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1.4
在实际应用中,放大器所放大的信号并非单一频率,
例如,语言,音乐信号的频率范围在 20～ 20000Hz,图像信号的频率范围在 0~6MHz,还有其它范围 。 所以,要求放大电路对信号频率范围内的所有频率都具有相同的放大效果,输出才能不失真地重显输入信号 。 实际电路中存在的电容,电感元件及三极管本身的结电容效应,对交流信号都具有一定的影响 。 所以,对不同频率具有不同的放大效果 。 因这种原因所产生的失真称为频率失真 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,幅频特性共射极放大电路的幅频特性如图 3.9所示 。 从幅频特性曲线上可以看出,在一个较宽的频率范围内,曲线平坦,这个频率范围称为中频区 。 在中频区之外的低频区和高频区,放大倍数都要下降 。
引起低频区放大倍数下降的原因是由于耦合电容
C1,C2及 Ce的容抗随频率下降而增大所引起 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
b11
C
1
R
c
C
2
R
L
＋ U
CC
U
i
.
V
R
b12
R
e
C
e
( a )
| A
u
|
A
um
0,7 0 7 A
um
0
f
L
f
H f
( b )
图 3.9共射极放大电路的幅频特性
(a)电路； (b)幅频特性第 3章 多级放大电路及集成运算放大器高频区放大倍数的下降原因是由于三极管结电容和杂散电容的容抗随频率增加而减小所引起 。 结电容通常为几十到几百皮法,杂散电容也不大,因而频率不高时可视为开路 。 在高频时输入的电流被分流,使得 IC减小,输出电压降低,导致高频区电压增益下降,
如图 3.10所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
U
i
.
R
c
C
c
R
L
R
b
C
cb
C
be
图 3.10 高频通路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,通频带把放大倍数 Aum下降到 时对应的频率称为下限频率 fL和上限频率 fH，夹在上限频率和下限频率之间的频率范围称为通频带 fBW
umA2
1
LHBW fff
(3— 4)
两级放大电路的幅频特性如图 3.11所示 。 由图可见,多级放大电路虽然提高了中频区的放大倍数,
但通频带变窄了,这是一个重要的概念 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
A
u m 1
0,7 07 A
u m 1
0
f
L
f
H
f
A
u m 1
| A
u1
|
( a )
图 3.11 两级放大电路的通频带第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.11 两级放大电路的通频带
( b )
A
u m 2
0,7 07 A
u m 2
0
f
L
f
H
f
A
u m 2
| A
u2
|
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.11 两级放大电路的通频带
A
um
＝ A
u m
A
u m2
A
um
0,7 0 7 A
um
0
f
L
f
H
f
| A
u
|
( c )
0,4 9 A
um
·
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2
前面提到了在多级放大电路中采用直接耦合存在着两个特殊问题,一是静态工作点的相互影响,二是零点漂移 。 为了解决这两个问题,可采用差动式放大电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.1
图 3.12所示为基本差动式放大电路,它由两个完全相同的单管共射极电路组成 。 差动式放大电路有两个输入端,两个输出端,要求电路对称,即 V1,V2的特性相同,外接电阻对称相等,各元件的温度特性相同,
即 Rb1=Rb2,Rc1=Rc2,RS1=RS2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
b1
R
c1
R
c2
R
b2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
图 3.12基本差动式放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.工作原理
1)
静态时 Ui1=Ui2=0。 由于电路左右对称,输入信号为零时,IC1=IC2,UC1=UC2,
Uo=ΔUC1-ΔUC2=0
当电源电压波动或温度变化时,两管集电极电流和集电极电位同时发生变化 。 输出电压仍然为零 。 可见,尽管各管的零漂存在,但输出电压为零,从而使得零漂得到抑制 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2)
（ 1） 差模输入 。 放大器的两个输入端分别输入大小相等极性相反的信号 (即 Ui1=-Ui2),这种输入方式称为差模输入 。
2121
21
2121
22
2
1
,
2
1
22
ccccod
idiidi
iiiiid
UUUUU
UUUU
UUUUU
差模输出电压第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
)
2
1
//(
2
2
1
21
1
1
LcL
Sbe
L
ud
Sbe
c
u
ud
uu
i
C
id
od
ud
RRR
Rr
R
A
Rr
R
AA
AA
U
U
U
U
A
差模电压放大倍数即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管共射极电路的电压放大倍数。
由于 Rb rbe,如果接上 RL,则式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由于两管对称,RL的中点电位不变相当于交流的地电位,对于单管来讲负载是 RL的一半,即 RL。 输入电阻
ri=2(RS+rbe) (3—6)
因此输入回路经两个管的发射极和两个 RS,则输出电阻
ro=2Rc (3—7）
因此输出端经过两个 Rc 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2)共模输入 。 在差动式放大电路的两个输入端,
分别加入大小相等极性相同的信号 (即 Ui1=Ui2),这种输入方式称为共模输入 。 共模输入信号用 Uic表示 。 共模输入时 (Uic=Ui1=Ui2)的输出电压与输入电压之比称为共模电压放大倍数,用 Ac表示 。 在电路完全对称的情况下,输入信号相同,输出端电压 Uo=Uo1-Uo2=0,故
Ac=Uo/Ui=0,即输出电压为零,共模电压放大倍数为零 。
这种情况称为理想电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(3)抑制零点漂移的原理 。 在差动式放大电路中,
无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化,相当于在两输入端加入共模信号 。 由于电路的完全对称性,使得共模输出电压为零,共模电压放大倍数 Ac=0,从而抑制了零点漂移 。 这时电路只放大差模信号 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.
在理想状态下,即电路完全对称时,差动式放大电路对共模信号有完全的抑制作用 。 实际电路中,差动式放大电路不可能做到绝对对称,这时 Uo≠0,Ac≠0，
即共模输出电压不等于零 。 共模电压放大倍数不等于零,Ac=Uo/ΔUi。 为了衡量差动式电路对共模信号的抑制能力,引入共模抑制比,用 KCMRR表示 。
c
d
C M R R A
AK? (3— 8)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器共模抑制比的大小反映了差动式放大电路差模电压放大倍数是共模电压放大倍数的 KCMRR倍,
c
d
C M R R A
AK lg20? (3— 9)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由上式可以看出,KCMRR越大,差动式放大电路放大差模信号 （ 有用信号 ） 的能力越强,抑制共模信号
（ 无用信号 ） 的能力越强,即 KCMRR越大越好 。 理想差动式电路的共模抑制比 KCMRR→∞。 后面我们将讨论如何提高共模抑制比 。 由于 KCMRR＝ |Ad/Ac|,即在保证 Aud不变的情况下,如何降低 Ac,从而提高 KCMRR。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.2 带 Re
上面介绍的基本差动式放大电路对共模信号的抑制是靠电路两侧的对称性来实现的 。 但对于各管自身的工作点漂移没有抑制作用,若采用单端输出,则差模和共模放大倍数相等,这时 KCMRR＝ 1,失去了差动式放大电路的作用 。
即使是双端输出,由于实际电路的不完全对称性,仍然有共模电压输出 。 改进方法是在不降低 Aud的情况下,降低 Ac
从而提高共模抑制比 。 带公共 Re的差动式放大电路如图 3.13
所示,这种电路也称为长尾式差动放大电路 。 由于 KCMRR是由差模电压放大倍数和共模电压放大倍数共同决定的,下面分别分析 Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的影响 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
图 3.13 带 Re的差动式放大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,静态分析如图 3.14所示,由于流过 Re的电流为 IE1和 IE2之和,
又由于电路的对称性,则 IE1=IE2,流过 Re的电流为 2IE1。
eEQcCQEECCC E Q
BQCQ
eS
B E QEE
BQ
BQEQ
EEeEQB E QSBQ
RIRIUUU
II
RR
UU
I
II
URIURI
2
)1(2
)1(
2
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
( a )
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
2 R
e
－ U
EE
( b )
2 R
e
V
1
V
2
V
1
V
2
图 3.14
（ a） 直流偏置电路；（ b） 直流等效电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
加 Re后,当温度上升时,由于 IC1和 IC2同时增大,
稳定过程实质上是一个负反馈过程,关于负反馈在第四节讲解 。
T(° C)↑→
IC1↓
IC1↑
IC2↑
IC2↓
→IE↑→URe↑→UE↑→ UBE1↓→IB1↓
UBE2↓→IB2↓
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
Re越大工作点越稳定,但 Re过大会导致过 UE高使静态电流减小,加入负电源 -UEE可补偿 Re上的压降 。
3.
（ 1） Re对差模信号的影响 。 如图 3.15所示,加入差模信号时由于 Ui1=-Ui2,则 ΔIE1=-ΔIE2,流过 Re的电流
ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=0。 对差模信号来讲,Re上没有信号压降,即 Re对差模电压放大倍数没有影响 。
差模电压放大倍数
beS
L
ud rR
RA
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
I
E1
I
E2
V
2
图 3.15 Re对差模放大倍数的影响第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 2） Re对共模信号的影响 。 如图 3.16加入共模信号时,由于 Ui1=Ui2,则 ΔIE1=ΔIE2,流过 Re1 的电流
ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=2ΔIE1,ΔUE=2ΔIE1Re,对于共模信号可以等效成每管发射极接入 2Re的电阻 。
co
beSi
L
cL
Rr
rRr
R
RR
2
)(2
)
2
//(
其中输入电阻输出电阻第 3章 多级放大电路及集成运算放大器即 Re使共模电压放大倍数减小,而且 Re越大,Ac越小,KCMRR越大 。
beS
c
c
ebeS
c
c
rR
R
A
RrR
R
A
)1(2
不加 Re时第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
R
e
－ U
EE
( a )
I
E1
U
o
V
2
＋
－
U
i1
＋
－
U
i2
I
E2
图 3.16 输入共模信号第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.16 输入共模信号
V
1
R
c1
R
c2
R
S1
R
S2
＋ U
CC
2 R
e
－ U
EE
( b )
2 R
e
＋
－
U
i1
＋
－
U
i2
U
o
V
2
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.3 具有恒流源的差动式放大电路通过对带 Re的差动式放大电路的分析可知,Re越大,
KCMRR越大,但增大 Re,相应的 UEE也要增大 。 显然,
使用过高的 UEE是不合适的 。 此外,Re直流能耗也相应增大 。 所以,靠增大 Re来提高共模抑制比是不现实的 。
设想,在不增大 UEE时,如果 Re→∞,Ac→0,则
KCMRR→∞,这是最理想的 。 为解决这个问题,用恒流源电路来代替 Re,电路如图 3.17(a)所示 。 V3管采用分压式偏置电路,无论 V1,V2管有无信号输入,Ib3恒定,
IC3恒定,所以 V3称为恒流管 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17 具有恒流源的差动式放大电路
( a )
V
1
－
＋
U
i1
R
b1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
V
3
R
b2
R
e
－ U
EE
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17 具有恒流源的差动式放大电路
( b )
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
U
o
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.17中 IC3=IE3,由于 IC3 恒定,IE3 恒定,则
ΔIE→0,这时动态电阻 rd
恒流源对动态信号呈现出高达几兆欧的电阻,而直流压降不大,可以不增大 UEE。 rd相当于 Re,所以对差模电压放大倍数 Ad无影响 。 对共模电压放大倍数 Ac
相当于接了一个无穷大的 Re,所以 Ac→0,这时
KCMRR→∞。 实现了在不增加 UEE的同时,提高了共模抑制比的目的 。 恒流源电路可用恒流源符号表示,如图 3.17(b)所示 。
3
3
E
E
d I
Ur
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.2.4
由于差动式放大电路有两个输入端,两个输出端,
所以信号的输入和输出有四种方式,这四种方式分别是双端输入双端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出 。 根据不同需要可选择不同的输入,输出方式 。
1,双端输入双端输出电路如图 3.18所示,其中,差模电压放大倍数为
)2///( LcL
beS
L
ud
RRR
rR
RA
式中第 3章 多级放大电路及集成运算放大器此电路适用于输入、输出不需要接地，对称输入，
对称输出的场合。
co
beSi
Rr
rRr
2
)(2
输入电阻输出电阻第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
－
＋
R
L
R
S1
R
S2
U
i2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
图 3.18双端输入双端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
如图 3.19所示,信号从一只管子 （ 指 V1） 的基极与地之间输入,另一只管子的基极接地,表面上似乎两管不是工作在差动状态,但是,若将发射极公共电阻 Re换成恒流源,
那么,IC1的任何增加将等于 IC2的减少,也就是说,输出端电压的变化情况将和差动输入 （ 即双端输入 ） 时一样 。 此时,V1,V2管的发射极电位 UE将随着输入电压 Ui而变化,
变化量为 Ui/2,于是,V1管的 Ube=Ui-Ui/2=Ui/2,V2 管的
Ube=0-Ui/2=-Ui/2。 这样来看,单端输入的实质还是双端输入,可以将它归结为双端输入的问题 。 所以,它的 Ad,ri、
ro的估算与双端输入双端输出的情况相同 。
此电路适用于单端输入转换成双端输出的场合 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.
图 3.20为单端输入单端输出的接法 。 信号只从一只管子的基极与地之间接入,输出信号从一只管子的集电极与地之间输出,输出电压只有双端输出的一半,
电压放大倍数 Aud也只有双端输出时的一半 。
co
bei
LcL
bec
L
d
Rr
rr
RRR
rR
R
A
2
//
)(2
式中输入电阻输出电阻
（ 3— 10）
(3—12)
(3—11)
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器此电路适用于输入输出均有一端接地的场合 。
V
1
－
＋
U
i
R
c1
R
c2
R
L
R
S1
R
S2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
I
S
图 3.20 单端输入单端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
4.
图 3.21所示电路,其输入方式和双端输入相同,输出方式和单端输出相同,它的 Ad,ii,ro的计算和单端输入单端输出相同 。 此电路适用于双端输入转换成单端输出的场合 。
从几种电路的接法来看,只有输出方式对差模放大倍数和输入,输出电阻有影响,不论哪一种输入方式,
只要是双端输出,其差模放大倍数就等于单管放大倍数,
单端输出差模电压放大倍数为双端输出的一半 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
1
－
＋
U
i1
R
c1
R
c2
R
L
R
S1
R
S2
＋ U
CC
V
2
－ U
EE
－
＋
U
i2
I
S
图 3.21 双端输入单端输出第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3 功率放大电路功率放大电路与电压放大器的区别是,电压放大器是多级放大器的前级,它主要对小信号进行电压放大,主要技术指标为电压放大倍数,输入阻抗及输出阻抗等 。 而功率放大电路则是多级放大器的最后一级,
它要带动一定负载,如扬声器,电动机,仪表,继电器等,所以,功率放大电路要求获得一定的不失真输出功率 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.1 功率放大电路的特点及分类
1.
（ 1） 输出功率足够大 。 为获得足够大的输出功率,
功放管的电压和电流变化范围应很大 。 为此,它们常常工作在大信号状态,接近极限工作状态 。
（ 2） 效率高 。 功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比 。 对于小信号电压放大器来讲,由于输出功率较小,电源供给的直流功率也小,因此效率问题就不需要考虑 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 3） 非线性失真小 。 功率放大器是在大信号状态下工作,电压,电流摆动幅度很大,极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区造成输出波形的非线性失真 。 因此,功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重 。 在实际应用中,有些设备对失真问题要求很严,因此,要采取措施减小失真,使之满足负载的要求 。
(4)保护及散热 。 功放管承受高电压,大电流,因而功放管的保护及散热问题也应重视 。 功率放大器工作点的动态范围大,因此只适宜用图解法进行分析 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
功率放大器一般是根据功放管工作点选择的不同进行分类的 。 有甲类,乙类及甲乙类功率放大器 。 当静态工作点 Q设在负载线性段的中点,整个信号周期内都有电流 IC通过时,如图 3.22（ a） 所示,称为甲类功放 。 若将静态工作点 Q设在横轴上,则 IC仅在半个信号周期内通过,其输出波形被削掉一半,如图 3.22（ b） 所示,称为乙类功放 。 若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止区,则其 IC的流通时间为多半个信号周期,输出波形被削掉一部分 。 如图 3.22（ c） 所示,称为甲乙类功放 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
i
C
Q
U
CC
u
CE
( a )
O
图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放
i
C
Q
U
CC
u
CE
O
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.22
（ a）甲类功放 ;（ b）乙类功放 ;（ c）甲乙类功放
i
C
Q
U
CC
O
( c )
u
CE
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.2 乙类互补对称功放如果电路处在甲类放大状态,则静态工作电流大,
因而效率低 。 若用一个管子组成甲乙类或乙类放大电路,
就会出现严重的失真现象 。 乙类互补对称功放,既可保持静态时功耗小,又可减小失真,如图 3.23所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
V
1
V
2
u
o
R
L
＋ U
CC
图 3.24 ui为正半周时的工作情况第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.
选用两个特性接近的管子,使之都工作在乙类状态 。 一个在正弦信号的正半周工作,另一个在负半周工作,便可得到一个完整的正弦波形 。
2.
由于在正常互补对称功率放大电路中,V1,V2管交替对称各工作半周,因此,分析 V1,V2管工作的半周情况,可推知整个放大器的电压,电流波形 。 现以 V1
管工作的半周情况为例进行分析 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器当 ui=0时,iB1=iB=0,iC1=iC=0,uCE1=uCE=UCC。 电路工作在 Q点,如图 3.24所示,当 ui≠0时,交流负载线的斜率为 -1/Rc。 因此,过 Q点作斜率为 -1/R′L的直线即为交流负载线 。 如输入信号 ui足够大,则可求出 Ic的最大幅值 Icm和 Uce的最大幅值 Ucem=UCC-Uces=IcmRL≈UCC。 根据以上分析,可求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率 Po,管耗 PV,直流电源供给的功率 PU和效率 η。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
i
C
A
U
CC
O B
U
C E S
Q u
CE
I
cm
U
cem
图 3.24 ui为正半周时的工作情况第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 1） 输出功率 Po。 输出功率用输出电压有效值和输出电流有效值的乘积来表示 。 设输出电压的幅值为
Uom,则
L
CC
L
om
o
CCc e sCCom
L
om
om
L
om
ooo
R
U
R
U
P
UUUU
R
UU
R
U
UIP
22
222
22
2
因为即第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
(2） 管耗 PV。 设 uo=Uomsinωt时,则 V1管的管耗为
)
4
(
1
2
)
4
(
1
)(
s i n
)s i n(
2
1
)()(
2
1
2
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2
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0
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om
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VVV
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L
L
om
omCC
L
o
oCCVV
UUU
R
PPP
UUU
R
td
R
tU
tUU
td
R
u
uUPP
两管管耗第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
（ 3） 直流供给功率 PU。 直流电源供给的功率包括负载得到的功率和 V1,V2管消耗的功率两部分 。
%5.78
4
4
2
)
4
(
1
2
2
0,0
2
22
U
O
CC
om
U
O
L
CC
U
omomCC
LL
om
VOU
UC
P
P
U
U
P
P
R
U
P
UUU
RR
U
PPP
Pi
当 ui=0时：
当 ui≠0时：
则
（ 4）效率 η。
当 Uom≈UCC时：
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由于 Uom≈UCC忽略了管子的饱和压降 Uces,所以实际效率比这个数值要低一些 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.3
乙类互补对称电路效率比较高,但由于三极管的输入特性存在有死区,而形成交越失真 。 采用甲乙类互补对称电路 (如图 3.25所示 ),可以克服交越失真问题 。
其原理是静态时,在 V1,V2管上产生的压降为 V3,V4管提供了一个适当的正偏电压,使之处于微导通状态 。
由于电路对称,静态时 iC1=iC2,io=0,Uo=0。 有信号时,
由于电路工作在甲乙类,即使 ui很小,也基本上可线性放大 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
2
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
W
b
1
b
2
－ U
EE
图 3.25 二极管偏置互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器但上述偏置方法的偏置电压不易调整,而在图 3.26
所示电路中,设流入 V4管的基极电流远小于流过 R1、
R2的电流,则可求出 Uce4=UBE4（ R1+R2） /R2。 因此,
利用 V4管的 UBE4基本为一固定值 （ 0.6~0.7V）,只要适当调节 R1,R2的比值,就可改变 V1,V2管的偏压值 。 这种方法常称为 UBE扩大电路,在集成电路中经常用到 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
i
V
2
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
－ U
CC
V
3
R
e3
R
1
R
2
R
c 3
V
4
图 3.26 扩大电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.4
1.
在功率放大电路中,如果负载电阻较小,并要求得到较大的功率,则电路必须为负载提供很大的电流 。
如 RL=4Ω,额定功率 PN=16W,则由 PN=I 2RL可得负载电流有效值为 2A,若管子的 β=20,则基极电流
IB=100mA。 一般很难从前级获得这样大的电流,因此需设法进行电流放大 。 通常在电路中采用复合管 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器所谓复合管就是把两只或两只以上的三极管适当地连接起来等效成一只三极管 。 连接时,应遵守两条规则,① 在串联点,必须保证电流的连续性； ② 在并接点,必须保证总电流为两个管子电流的代数和 。 复合管的连接形式共有四种,如图 3.27所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
I
b1? I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( a )
图 3.27 复合管的四种连接形式第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.27 复合管的四种连接形式
I
b1
1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( b )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.27 复合管的四种连接形式
I
b1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
＝?
1
2
( c )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
I
b1
1
I
b1
1
2
I
b1
b
c
e
( d )
图 3.27 复合管的四种连接形式第 3章 多级放大电路及集成运算放大器观察图 3.27
(1)复合管的极性取决于推动级 。 即 V1为 NPN型,
则复合管就为 NPN型 。
(2)输出功率的大小取决于输出管 V2。
(3)若 V1和 V2管的电流放大系数为 β1,β2,则复合管的电流放大系数 β≈β1·β2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,复合管互补对称功率放大电路利用图 3.27（ a）,（ b） 形式的复合管代替图 3.25
中的 V１ 和 V２ 管,就构成了采用复合管的互补对称输出级,如图 3.28所示 。 它可以降低对前级推动电流的要求,
不过其直接为负载 RL提供电流的两个末级对管 V3,V4
的类型截然不同 。 在大功率情况下,两者很难选配到完全对称 。 图 3.29则与之不同,其两个末级对管是同一类型,因此比较容易配对 。 这种电路被称为准互补对称电路 。 电路中 Re1,Re2的作用是使 V3和 V２ 管能有一个合适的静态工作点 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
3
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
－ U
EE
u
i
V
2
V
4
图 3.28 复合管互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
u
o
R
L
＋ U
CC
V
1
V
3
R
2
V
D 2
V
D 1
R
1
R
－ U
EE
u
i
V
2
V
4
R
e 2
R
e 1
图 3.29 准互补对称电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.5 集成功率放大电路随着集成技术的不断发展,集成功率放大器产品越来越多 。 由于集成功放成本低,使用方便,因而被广泛地应用在收音机,录音机,电视机及直流伺服系统中的功率放大部分 。 下面介绍几种常用的集成功率放大器 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1,单片音频功率放大器 5G37
5G37是一块集成音频功率放大器,其最大不失真输出功率为 2~3W,可作为收音机,录音机,电唱机的功率放大器,也可用于电视机的输出电路,应用非常广泛 。
其内部电路如图 3.30所示 。 图中,V1,V2管互补组成
PNP型复合管,构成整个放大器的前置输入级； V3,V4
管组成 PNP型复合管,构成放大器的激励级； V8,V9、
V10,V11,V12管构成准互补推挽输出级 。 V5,V6,V7管是消除小信号交越失真而设的二极管偏置电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.31为 5G37的典型应用电路 。 ② 脚为输入端,
经耦合电容 C1输入信号 。 ⑦ 脚接正电源,电阻 R′1,R′2
的作用是决定中点电位 。 调节 RP,可使加到两个推挽管子上的集电极与发射极之间电压相等,亦即使 ⑥ 脚的直流电位值等于 UCC/2。 负载 RL为 8Ω扬声器,其一端经耦合电容 C5接 ⑥ 脚,另一端接正电源 。 C′3为消振电容,
用来防止高频自激 。 R′3,C′2支路与片内的反馈电阻共同构成交流负反馈网络,改变 R′3可以调节放大器的增益 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.3 05G37内部电路图
⑧
R
2
R
3
V
8
R
5
V
11
⑦
V
5
V
6
V
7
R
1
②
V
1
V
2
①
V
3
V
4
V
9
V
10
R
4
③
④
R
6
V
12
⑤
⑥
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
3
V
5
V
6
V
7
V
8,1 1
V
9,1 0,1 2
V
3,4
R
1
5 G 37
V
1,2
⑦
⑥
⑤
④
⑧
③
②
①
＋
C
3
6 8 pF
′
R
3
′
1 00?
C
2
′
1 00? F / 10 V
R
4
′
2 0 k?
＋
5 00? F / 15 V
C
5
8?
R
1
′
2 2 k?
＋
C
1
5? F
/ 10 V
R
2
′
2 0 k?
1 0 k?
R
P
u
i
＋ 1 8 V
图 3.315 G37应用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,LM386
LM386是一种通用型宽带集成功率放大器,适用的电源电压为 4~10V,常温下功耗在 660mW左右,适用于收音机,对讲机,函数发生器等 。 LM386的 ①,⑧
两脚为增益设定端 。 C2为消除自激,C4为电源退耦 。
R2,C3支路组成容性负载,抵消扬声器的感性负载,
防止信号突变时扬声器上呈现较高的瞬时电压而使其损坏 。 图 3.32所示为 LM386的应用接线 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1
2
3
4
8
7
6
5
＋
R
1
1,2 k?
C
1
1 0? F
L
M
38
6
1 00?
R
P
u
i
2,1 p F
C
2
＋ C
4
1 00? F
U
CC
R
2
C
3
0,1? F
C
5
＋
R
L
4 70? F
8?
1 0?
图 3.32 LM386应用接线第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.6
1,OCL
图 3.33为一高保真功率放大器的典型应用电路,其中 V1,V2,V3管组成的恒流源差动放大器为前置放大级,
除了对输入信号进行放大外,还有温度补偿和抑制零漂的作用 。 V4,V5管构成中间放大级 。 V7到 V10管为准互补 OCL电路,作为输出级 。 Re7~Re10可使电路稳定 。 V6
管及 Re4,Re5构成,UBE扩大电路,,调节 Re4可改变加在 V7,V8管基极间的电压,以消除交越失真 。 Rf,C1和
Rb2构成串联负反馈,以提高电路稳定性并改善性能 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
f
V
7
2 2 k?
C
1
4 7? F
R
b2
6 20?
R
c 4
*
V
3
V
2
R
e3
6 80?
3 30?
R
c5
V
5
R
e5
1 50?
V
6
V
8
R
c8
2 20? 0,5?
R
e 1 0
V
10
V
4
V
9
R
e4
1 50?
R
c1
2,2 k?
R
1 0 k?
V
1
R
b 1
*
u
i
＋
－
V
D1
V
D2
R
e7
2 20?
0,5?
R
e9
R
L
8?
＋
－
( － 2 4 V )
－ U
CC
u
o
( ＋ 2 4 V )
＋ U
CC
图 3.33 OCL功率放大器应用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,OTL功率放大电路图 3.34所示电路是一个 OTL互补对称功率放大电路,用作电视机伴音功放 。 其中 V1管构成前置电压放大级,信号经 C3耦合至 V2构成的推动级,R14形成电压串联负反馈,以改善放大性能 。 C2,C4,C7为相位补偿元件,用以防止高频自激 。 V3,V4管构成互补功率输出级 。 C6将信号耦合到负载 RL上 。 R11,R12为限流电阻,防止开机时功放管中电流过大而烧坏功放管 。 V3,V4管的静态工作点由 V2管的静态电流及 R6,R7,R8,R9决定 。 其中 R8是热敏电阻,其阻值随温度升高而减小,可稳定功放管的静态电流 。 电阻 R10连接在 V2管的基极与电容 C6的正极之间,构成直流负反馈,以稳定 C6正极的电位为 UCC/2。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
1
2 00 k?
R
3
2,2 k?
C
2
6 8 pF
C
3
1 0? F
R
5
5,6 k?
＋
V
2
3 D G 1 5
C
4
3 30 0 pF
R
10
1 0 k?
R
6
3 3?
＋
C
5
1 00? F
V
3
3 D G 1 2
R
11
1?
R
13
3 3?
＋ 1 2 V
＋
C
6
2 00? F
C
7
0,2 2? F
R
12
1?
R
7
1 50?
V
4
3 A X 8 3
R
9
1 k?
R
8
t
3 30?
V
1
R
4
1 00?
R
2
3 0 k?
＋
1 0? F
C
1
u
i
1 0 k?
R
14
R
L
图 3.34 OTL互补对称功率放大器实用电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.TDA7050T集成功放实用电路
TDA7050T的外形为 8脚扁平塑封装,图 3.35（ a）
为立体声工作状态 。 外接元件只有两只 47μF电解电容,
电压增益为 26dB。 UCC=3V,RL=32Ω时,Pom=36mW。
图 3.35（ b） 所示为 BTL工作状态,无需外接元件 。
UCC=3V,RL=32Ω时,Pom=140mW,电压增益为 32dB。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
8
2
＋
－
1
2 2 k?
U
CC
7
3
＋
－
4
6
5
(左)
2 2 k?
(右)
＋
＋
4 7? F
R
L
4 7? F
R
L
T D A 7 05 0T
图 3.35 TDA7050T的外接线图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.35 TDA7050T的外接线图
8
1
＋
－
2
22 k?
U
CC
7
4
＋
－
3
6
5
R
L
T D A 7 05 0T
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.3.7
1.
功率放大器的工作电压,电流都很大 。 功放管一般工作在极限状态下,所以在给负载输出功率的同时,功放管也要消耗部分功率,使管子升温发热,致使晶体管损坏 。 为此,应注意功放管的散热措施,通常是给功放管加装由铜,铝等导热性良好的金属材料制成的散热片,
由于功放管管壳很小,温升的热量主要通过散热片传送 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2,功放管的二次击穿问题图 3.36所示为晶体管击穿特性曲线 。 AB段为一次击穿,是由于 Uce过大引起的雪崩击穿,是可逆的,当外加电压减小或消失后管子可恢复原状 。 若在一次击穿后,
iC继续增大,管子将进入二次击穿 BC段,二次击穿是不可逆的,致使管子毁坏 。 防止功放管二次击穿的主要措施为,① 改善管子散热情况,使其工作在安全区； ② 应用时避免电源剧烈波动,输入信号突然大幅度增加,负载开路或短路等,以免出现过压,过流； ③ 在负载两端并联二极管和电容,以防止负载的感性引起功放管过压或过流 。 在功放管的 c,e端并联稳压管以吸收瞬时过压 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
O
A
i
C
C
B
二次击穿一次击穿
u
CE
( a )
图 3.36晶体管二次击穿曲线第 3章 多级放大电路及集成运算放大器图 3.36晶体管二次击穿曲线
O
i
C
u
CE
二次击穿后曲线二次击穿临界曲线
i
B
为常数
( a )
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4 集成运算放大器简介运算放大器实质上是一个多级直接耦合的高增益放大器 。 由于初期运算放大器主要用于数学运算,所以,
至今仍保留这个名称 。 集成运算放大器是利用集成工艺,
将运算放大器的所有元件集成在同一块硅片上,封装在管壳内,通常简称为集成运放 。 随着集成技术的飞速发展,集成运放的性能不断提高,其应用领域远远超出了数学运算的范围 。 在自动控制,仪表,测量等领域,集成运放都发挥着十分重要的作用 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4.1
集成运放的内部电路分为输入级,偏置电路,中间级及输出级四部分,如图 3.37所示 。 现以国产 F007型号为例,对各部分电路的功能作以介绍,其内部电路如图
3.38所示 。
F007共有九个引线端 。 ②,③ 端为输入端,⑥ 端为输出端 。 由于 ② 端和 ③ 端相位相反,因而 ② 端称为反相输入端,③ 端和 ⑥ 端相位相同,称为同相输入端 。 ⑦ 端和 ④ 端为正,负电源端,① 端和 ⑤ 端为调零端,⑧ 端和
⑨ 端为补偿端 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器输入级 中间级 输出级偏置电路
U
o
U
i
图 3.37 集成运放的框图第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
V
D 1
R
10
5 0?
－ 1 5 V
⑧
⑦
②③
④
⑤
⑥
V
D 2
2 5?
R
9
V
14
U
o
R
7
4,5 k?
R
8
7,5 k?
V
15
V
18
V
19
V
17
V
16
⑨
3 0 pF
V
13
V
12
R
5
3 9 k?
V
11
V
10
R
4
3 k?
＋ 1 5 V
V
9
1 k?
R
3
V
6
R
2
5 0 k?
R
1
1 k?
①
V
5
V
3
V
4
V
7
V
1
V
2
U
i 1
U
i 2
V
8
图 3.38 F007内部电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
1.
输入级是决定电路性能的关键一级 。 如输入电阻,
输入电压范围,共模抑制比等,主要由输入级来决定 。
图 3.38中,F007的输入级由 V1~V7管及 R1,R2,R3组成 。 其中 V1~V4管构成复合差动式放大电路,V5,V6、
V7管构成 V3,V4管的有源负载 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.
1)
镜像电流源电路如图 3.39所示 。 V1和 V2管是做在同一块硅片上的相邻的三极管,因此两者性能参数相同,
由于 UBE1=UBE2=UBE,因 此 电 流 也 对 称 相 等,即
IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC。 由图 3.39,可看出流过 R的电流
)
2
1(
2
2
1
1
1
C
C
CBCR
EECC
R
I
I
IIII
R
UU
I
根据分流关系第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
V
1
I
B1
U
CC
V
2
I
B2
I
C1
I
C2
I
R
2 I
B
图 3.39 镜像电流源第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由式 (3—13)可以看出,IC2=IR,一旦 IR确定,IC2也随之确定,IR稳定,IC2也随之稳定,IR和 IC2成为一种镜像关系,因而称为镜像电流源 。
R
UUII EECC
RC
2
(3— 13)
当 β2时,IB≈IC1+IC2,所以第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2)
在集成运算放大器中,为减小功耗,限制温升,应降低各管的静态电流 。 因此,集成运放多数都采用恒流源电路作为偏置电路 。 F007的偏置电路由 V8~V13管及 R4,R5组成,如图 3.40所示 。 V8,V9,V12和 V13管构成的电路称为镜像电流源 。 因为 V10和 V11管构成微电流源,由于流过 R5
的电流 IR是 V12和 V13,V10和 V11的基准电流,所以 IR是一个基本恒定的基准电流 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
R
4
R
5
V
8
I
C8
I
3,4
V
10
I
C 1 0
I
C9
V
9
V
12
I
R
V
11
V
13
至中间级至输入级
＋ 1 5 V
－ 1 5 V
图 3.40 F007的偏置电路第 3章 多级放大电路及集成运算放大器由上式可以看出,IR是一个基本恒定的基准电流 。
IR在 V13中的镜像电流 IC13给中间级的 V16,V17管提供静态电流,IR在 V10中的镜像电流 IC10为 V9管提供集电极电流,
同时为 V3,V4提供基流 I3,I4。 在 V8和 V9构成的镜像电流源中,IC8给输入级的 V1,V2提供集电极静态电流 。
5
5
1112
R
UU
R
UUUU
I
EECC
BEBEEECC
R
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.中间级
F007的中间级是由 V16,V17组成的复合管共射极放大电路构成 。 由于集电极为有源负载 （ 由恒流源 V13构成 ）,而 V13的动态电阻很大,加之放大管的 β也大,因此中间级的放大倍数很高 。
4.输出级
F007的输出级是由 V14,V18,V19,V15,R7,R8及
VD1,VD2,R10共同组成 。 其中 V14,V18,V19构成互补对称式功率放大电路,V15,R7,R8组成 UBE扩大电路,VD1、
VD2,R9,R10构成过载保护电路 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
5.
集成运放内部电路随型号的不同而不同,但基本框图相同 。 集成运放有两个输入端：一个是同相输入端,
用,+”表示 ;另一个是反相输入端,用,－,表示 。 输出端用,+”表示 。 若将反相输入端接地,信号由同相输入端输入,则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入端接地,信号从反相输入端输入,则输出信号和输入信号相位相反 。 集成运放的引脚除输入,输出端外,
还有正,负电源端及调零端等 。 F007的符号及管脚排列如图 3.41所示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
＋
－ ∞
＋ U
o
U
＋
＋
－ ∞
＋
C
U
o
6
U
－
8
9
＋ U
CC
7
1
5
U
＋
U
－
4
3
2
( b )( a )
－ U
EE
图 3.41F007
(a)符号 ; (b)管脚排列第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.4.2 集成运放的主要参数集成运放的参数,是评价其性能优劣的主要标志,
也是正确选择和使用的依据 。 必须熟悉这些参数的含义和数值范围 。
1.
能够施加于运放电源端子的最大直流电压值称为电源电压 。 一般有两种表示方法：用正,负两种电压
UCC,UEE表示或用它们的差值表示 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
2.最大差模输入电压 Uidmax
Uidmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值 。 输入差模电压超过 Uidmax时,可能会使输入级的管子反向击穿等 。
3.最大共模输入电压 Uidmax
Uidmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最大共模输入电压 。 超过此值,集成运放的共模抑制比,
差模放大倍数等会显著下降 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
4.开环差模电压放大倍数 Aud
集成运放开环时输出电压与输入差模信号电压之比称为开环差模电压放大倍数 Aud 。 AAud 越高,运放组成电路的精度越高,性能越稳定 。
5,输入失调电压 Uos
实际上,集成运放难以做到差动输入级完全对称 。
当输入电压为零时,为了使输出电压也为零,需在集成运放两输入端额外附加补偿电压,该补偿电压称为输入失调电压 Uos 。 Uos 越小越好,一般为 0.5～ 5mV。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
6.输入失调电流 Ios
Ios是当运放输出电压为零时,两个输入端的偏置电流之差,即 Ios=|IB1-IB2|,它是由内部元件参数不一致等原因造成的 。 Ios越小越好,一般为 1～ 10μA。
7.输入偏置电流 IB
IB是输出电压为零时,流入运放两输入端静态基极电流的平均值,即 IB=(IB1-IB2)/2。 IB越小越好,一般为
1～ 100μA。
8.共模抑制比 KCMRR
KCMRR是差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比,即 KCMRR=|Aud/Aoc|。 KCMRR越高越好 。
第 3章 多级放大电路及集成运算放大器
9.差模输入电阻 rid
rid是开环时输入电压变化量与它引起的输入电流的变化量之比,即从输入端看进去的动态电阻 。 rid一般为兆欧级 。
10.输出电阻 ro
ro是开环时输入电压变化量与它引起的输入电流的变化量之比,即从输入端看进去的电阻 。 ro越小,运放的带负载能力越强 。
除了以上指标外,集成运放还有其它一些参数,如最大输出电压,最大输出电流,带宽等 。 近年来,各种专用集成运放不断问世,可以满足特殊要求,有关具体资料,
可参看产品说明 。
