第9章 集成電路運(yùn)算放大器

1、第第9 9章章 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6.集成運(yùn)算放大器的組成、工作原理、主要性能參數(shù)，集成運(yùn)算放大器的主要類型和選擇方法；典型的集成運(yùn)算放大器LM741和MC14573。本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容1.集成電路的優(yōu)勢、特點(diǎn)，集成放大電路的組成框圖；2.鏡像電流源、微電流源、威爾遜電流源和多路電流源的電路組成以及輸出電流和輸出電阻的計(jì)算；3.差分放大電路的組成、差模信號的放大、共模信號和溫度漂移的抑制、輸入輸出方式、小信號

2、分析方法和主要參數(shù)的計(jì)算，差分放大電路的大信號傳輸特性；4.OCL電路、OTL電路和TL功率放大電路的組成、工作原理，電路的分析方法和主要性能參數(shù)的計(jì)算，功放管的選擇和散熱；5.集成功率放大器的組成、工作原理和主要應(yīng)用，典型的集成功率放大器LM386；9.1 集成放大電路概述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) 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、完成特定功能的電子電路稱為單片集成（Integrated Circuit，IC），半導(dǎo)體基片稱為晶圓或襯底或芯片。9.1 集成放大電路概述 混合集成電路

3、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路板上的小型化電子電路。 與分立元件電路比較，集成電路有兩個(gè)主要優(yōu)勢：與分立元件電路比較，集成電路有兩個(gè)主要優(yōu)勢：低低成本和優(yōu)成本和優(yōu)良的性能。良的性能。低成本：低成本：通過標(biāo)準(zhǔn)工藝，每mm可以制作上百萬個(gè)晶體管。優(yōu)良的性能：優(yōu)良的性能：工作速度快、功耗低、功能強(qiáng)和可靠性高。單片集成電路分類：單片集成電路分類：按制造工藝分：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)字和模擬集成電路。 模擬集成電路又分為：集成運(yùn)算放大器， 集成功率放大器 集成比較器，集成乘法器，集成穩(wěn)壓器。本章僅介紹單片集成的運(yùn)算放大器和集

4、成功率放大器。 1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。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) 與分立元件比較，主要有以下特點(diǎn)主要有以下特點(diǎn)：2電阻和電容的數(shù)值有一定限制。 3用有源元件代替大電阻。由于雙極型晶體管（BJT）和場效應(yīng)管（FET）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。 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(gè)千歐之間，電容的容量一般小于100pF。 電阻是用半導(dǎo)體材料的體電阻，電容則是P

5、N結(jié)的結(jié)電容或MOS管的柵極電容。數(shù)值越大，占用的芯片面積也越大。end 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)榍凹壍臏囟绕浦苯玉詈系较乱患壊⑵浞糯?，使后級漂移很大?.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。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(dòng)，稱為溫度漂移漂移。 必須使每級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定

6、，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。 例如，電平移動(dòng)電平移動(dòng)電路，調(diào)節(jié)各級電壓的配合，達(dá)到輸入量為零時(shí)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。 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，同時(shí)要求輸入級則采用靜態(tài)工作點(diǎn)很穩(wěn)定的差分放大電路，同時(shí)要求輸入級的輸入電阻大。輸入級的輸入電阻大。 2. 2.中間級主要作電壓放大，通常中間級主要作電壓放大，通常是共射放大電路或共源放大電路。是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)。輸出級要求帶負(fù)載能力強(qiáng)。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

7、路保護(hù)電路短路保護(hù)電路，防止輸出端對地短接時(shí)損壞內(nèi)部元件；等等。end9.2 電流源電路電流源電路9.2.1 BJT電流源9.2.2 EFT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。 可以用BJT或EFT組成恒流源電路。作用：為放大電路提供穩(wěn)定的偏流、有源負(fù)載。 IREF稱為基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流。當(dāng)電源電壓和電阻確定后，基準(zhǔn)電流確定，T2向上拉負(fù)載提供基本恒定的電流，與負(fù)載無關(guān)，等效為一個(gè)電流源。1.鏡像電流源（1）電路的構(gòu)成/2211CREFBREFCIIIIIRVVIIIIIEECCREFREFCCO/2112 T1和T2特性一致（1=2=，ICEO1=ICEO2，VBE1=

8、VBE2）。 （2）工作原理 由電路得VBE1=VBE2 ，所以IB1=IB2，IC1=IC2 ，即T1和T2的集電極電流相等，互為鏡像。9.2.1 BJT電流源電流源溫度補(bǔ)償作用：溫度補(bǔ)償作用：T 溫度升高引起電流源電流的增加量被電路的自動(dòng)補(bǔ)償引起的減少量抵消，輸出電流基本不隨溫度變化。021bbii2cettorivr計(jì)算輸出電阻計(jì)算輸出電阻r ro oic2it+_Rerce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1vtrce1ro(c) 交流等效電阻計(jì)算電路左半部分電路無獨(dú)立信號源。IICC21、IREFVBIBIICC21、直流電源短路 在鏡像電流的射極增加一個(gè)電阻就組成微電流源。在

9、鏡像電流的射極增加一個(gè)電阻就組成微電流源。 2. 微電流源微電流源（1）電路的構(gòu)成（2）工作原理Re 利用T1和T2的基射電壓差在射極電阻上產(chǎn)生微電流輸出。eBEBECORVVII212TBEVvSVvSEVveIeIiTBETBE/) 1(SETBEIiVvln 晶體管的發(fā)射結(jié)電流方程分別為 OCeTEEeTIIRVIIRV121lnln=)ln(ln=21SESEeTIIIIRV-eBEBEORVVI21=-先確定IREF和IO再計(jì)算ReRe引入負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償作用比鏡像電流源更好。+_Rrce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1itvtrce1roRero1ve1/111beceo

10、rrRr212)1 (ceeobeeorRrrRr計(jì)算輸出電阻計(jì)算輸出電阻ebtbobeRiiirr)()(2212222222)-()()-()(bceetceecebtebttirRirRriiRiiv)()(2122eceeobeeceettoRrRrrRrRivr-eceRr2ReteobeebiRrrRi122-直流電源短路輸出電阻很大。輸出電阻很大。1/2/21/21/21121)/21 (11)/21 (2REFOIIRVVVIIBEEECCREFO223ceorr 設(shè)T1、T2和T3特性一致，則各支路電流如圖中標(biāo)注所示。由電路，得基準(zhǔn)電流和輸出電流 威爾遜電流源的輸出電阻為：3

11、.3.威爾遜（威爾遜（WilsonWilson）電流源）電流源 威爾遜電流源COII1)/21 (CREFII1)/21 (1 CI1)/21 (CI )21 (CI2 從T2、T3和T4的集電極輸出多個(gè)基本恒定的電流，其他元件則是電流源的偏置電路。1101eBEBECCCREFRRVVVII4.4.多路電流源多路電流源 VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RIREFIC2IC3IC44 , 3 , 211011iRRVVVRRIRRIeBEBECCeieREFeieCi4 , 3 , 2)1 (1irRrrRrceieiobeieioi10111001)(/ebebeoR

12、rrRr 如果全部射極電阻為零，則如果全部射極電阻為零，則是多路鏡像電流源。也可以將微是多路鏡像電流源。也可以將微電流源和鏡像電流源組合成多路電流源和鏡像電流源組合成多路電流源。電流源。按射極電阻比例輸按射極電阻比例輸出基本恒定的電流出基本恒定的電流REFeCeCeCeCeIRIRIRIRIR111223344PNP管組成的電流源與NPN管相似。 endI ID1D1I ID3D3 在總電源電壓大于2個(gè)場效應(yīng)管的開啟電壓（VDD+VSS2VT）的情況下，T1、T2和T3工作在恒流區(qū)。9.2.2 FET9.2.2 FET電流源電流源1MOS管鏡像電流源 將FET偏置在恒流狀態(tài)，并確保柵源電壓不受

13、信號的影響，則FET的漏極電流基本恒定，形成電流源。SSDDGSGSDDVVVVII31312321) 1() 1(TGSDOTGSDOVVIVVI2222222) 12() 1(TSSDDDOTGSDODOVVVIVVIII2dsorr )(2113SSDDGSGSGSVVVVV)(212SSDDGSGSVVVV輸出電阻等于的T2輸出電阻，)+(21=01234SSDDGSGSGSGSGSVVVVVVV4 , 3 , 2 , 1 , 0) 1-2() 1(22iVVVIVVIITiSSDDDOiTiGSiDOiDi- 與BJT管一樣，也可以用NMOS管組成威爾遜電流源。其電路形式與BJT管威

14、爾遜電流源相似。2.MOS管多路電流源PMOS管組成的電流源與NMOS管相似。設(shè)T0和T 1的特性一致。end 9.3 差分放大電路差分放大電路9.3 1 共射差分放大電路的組成和工作原理9.3 2 共射差分放大電路的輸入輸出方式和動(dòng)態(tài)特性9.3 3 共射差分放大電路的電壓傳輸特性9.3 4 共源差分放大電路特點(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。分類：共射、共集和共基差分放大電路。 電路參數(shù)對稱：Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc，T1和T2特性一致（稱為差分對管）。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

15、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(gè)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。2 2工作原理工作原理（1）靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性 基本原理：基本原理：利用2個(gè)有源元件特性的一致性，通過減法vO=vC1-vC2抵消由溫度（或共模信號）引起的電壓或電流的變化量； 同時(shí)，引入直流負(fù)反饋（電流源支路）；使靜態(tài)工作點(diǎn)或輸出量基本不隨溫度（或共模信號）的變化。vO=VC1-VC2=0/=21IIIICBBB21=11IIIIOCCC=21VVVVVonBEEEE-=21IRVVVVCcCCCCC-靜

16、態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算 輸出電壓不含電源引起的直流分量。接入負(fù)載對靜態(tài)工作點(diǎn)沒有影響。 溫度升高時(shí)，集電極電流增加，引起下述自動(dòng)的負(fù)反饋過程：IB1和IB22roICIC1和IC2 輸入特性TVEVBEIC1和IC2 集電極電流的增加量負(fù)反饋引起的減少量抵消，靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定溫度補(bǔ)償vi1= vicvi2= vicvi1= vicvi2= vicro 輸入共模信號vi1=vi2=vic時(shí)，（2）共模信號的抑制021 ccocvvv21 ccvv21 ccii21 bbiiicvro是電流源的動(dòng)態(tài)電阻交流通路使輸出共模信號使輸出共模信號voc為零，抑制了共模信號輸出。為零，抑制了共模信號輸出。oboeoe

17、eeriririiv121)1 (22)( 電流源支路的電流變化量是2ie。由于ro很大，對共模信號的反饋很強(qiáng)，故共模輸入信號引起的交流分量很小。 共模信號引起差分對管的2個(gè)射極電流交流分量相等，射極電位的交流分量為vi1= vicvi2= vicvi1= vicvi2= vicroro是電流源的動(dòng)態(tài)電阻交流通路 共模信號增加和溫度升高對電路的影響相同，故共模信號屬于無用信號。 輸入差模信號vi1=-vi2=vid /2，在電路參數(shù)對稱以及T1和T2特性一致的情況下，則有下述過程（3 3）差模信號的放大）差模信號的放大10cv1212cccodvvvv222000ccbvii10ci10bi0

18、idvvvc2c1 差分放大電路對差模信號進(jìn)行放大，輸出差模信號vod。 0)(21oeeeriiv 同時(shí)，差模信號引起差分管2射極電流交流分量變化趨勢相反，即ie1-ie2，射極電位的交流分量近似為零。即射極對地交流等效為虛斷和虛短。射極對地交流等效為虛斷和虛短。 在差模輸入信號的交流通路中，射極對地等效為虛斷和虛短，對差模輸入信號沒有反饋。交流通路 因ve0，差放電路可分解為2個(gè)相對獨(dú)立的共射放大電路，稱為差放電路的半電路。bebebididididrrivivR222211cccodRRRR221主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：差模輸入電阻、差模輸出電阻和差模電壓增益。差模輸出電阻差模輸出電

19、阻半電路輸入半電路輸入電阻的電阻的2 2倍倍半電路輸出電阻的半電路輸出電阻的2 2倍倍3動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析（1）輸入差模信號差模輸入電阻差模輸入電阻差模電壓增益差模電壓增益becidcidccRidodvdorRvvvvvvvAL222121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)(LoLvdoidodvdRRRAvvA 雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出:電壓增益和半電路的電壓增益表達(dá)式相同電壓增益和半電路的電壓增益表達(dá)式相同.帶負(fù)載的差模電壓增益為帶負(fù)載的差模電壓增益為 以犧牲一個(gè)管子的增益為代價(jià)換取低溫度漂移的優(yōu)點(diǎn)。LcLbecRRRrR2beLcrRR)2/(（2）輸入共模信號v

20、i1= vicvi2= vicro111212)1 (2bobbebbbiciciciciririiivivR)1 (221obeicicicrrivR共模輸入電阻共模輸入電阻0021icicccRicocvcovvvvvvAL0)(LoLvcoicocvcRRRAvvA 差模輸出電阻與共模輸出電阻相同差模輸出電阻與共模輸出電阻相同，統(tǒng)一簡稱為輸出電阻，統(tǒng)一簡稱為輸出電阻。帶載的共模電壓增益為帶載的共模電壓增益為共模輸出電阻共模輸出電阻 對于共模輸入信號，差分對管的集電極電位變化量相等差分對管的集電極電位變化量相等。vi1= vicvi2= vicrocccocRRRR221負(fù)載開路的共模電壓

21、增益為負(fù)載開路的共模電壓增益為21iiidvvv)(2121iiicvvvidicivvv211idicivvv212)(icvdvcidvdicvcidvdocodovAAvAvAvAvvvvcvdCMRAAK)1(icCMRidvdovKvAv 對于任意的2個(gè)輸入信號vi1和vi2，定義差模輸入信號和共模輸入信號依次如下：則任意的2個(gè)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，總的輸出電壓為定義共模抑制比為定義共模抑制比為（3 3）同時(shí)輸入差模信號和共模信號）同時(shí)輸入差模信號和共模信號)1(icCMRidvdovKvAv 共模信號等效為對差模信號的

22、干擾信號（誤差信號），所以，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，共模電壓增益為零，共模抑制比為無窮大，即共模信號對差模信號沒有干擾。 例例9.19.1 差分放大電路如圖所示。設(shè)T1和T2特性一致，1=2=3=50；rce3=50k，rz=100，RL=50k。（1）確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）求電路的動(dòng)態(tài)特性。mARVVIeBEZC15. 0367 . 0633電流源的電流為RLRbRb解 （1）靜態(tài)分析V.VVVVBEEEE70-=-=210750=21=311.IIIICCCCV.IRVVVVCcCCCCC54=0750100-12=-=21R

23、LRbRbkIrrEbebe1817880=075.02651+200=26)+1 (+200=121kIrEbe0 .99040=15.02651+200=26)+1 (+200=33krRrrRrceezbeeo171450)361 . 01836501 ()1 (3333T1、T2和T3的輸入電阻為電流源的輸出電阻為 krRRbebid56)1810(2)(2krrRRobebic87428=)1714512+18+10(21=)+1 (2+21=RLRbRb7 .351810)25/100(50)2/(bebLcvdrRRRA0vcAkRRRRcccod2001002221在交流回路中

24、，Rb與T1和T2的輸入電阻rbe串聯(lián)。 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)大于共模輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模輸入電阻；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；差分對管的靜態(tài)差分對管的靜態(tài)電流越小，差模輸入電阻越大。電流越小，差模輸入電阻越大。end9.3.2 9.3.2 共射差分放大電路的輸入輸出方式和動(dòng)態(tài)性能共射差分放大電路的輸入輸出方式和動(dòng)態(tài)性能雙端輸入雙端輸入: : 在兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入電壓信號（vi10和vi20）.單端輸入單端輸入: :只在任何一個(gè)輸入端輸入電壓信號,（vi10和vi2=0） 或者（vi1

25、=0和vi20）雙端輸出雙端輸出: :負(fù)載跨接于兩個(gè)輸出端之間（浮地負(fù)載）.單端輸出單端輸出: :負(fù)載連接在任何一個(gè)輸出端與參考電位 之間(接地負(fù)載）則稱為單端輸出。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vi10和和vi2=0，負(fù)載負(fù)載R RL L跨接于兩個(gè)集電極之間?？缃佑趦蓚€(gè)集電極之間。 單端輸入雙端輸出方式單端輸入雙端輸出方式RL1. 1. 單端輸入雙端輸出方式的單端輸入雙端輸出方式的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能輸入信號可分解為輸入信號可分解為 差模信號（差模信號（vid =vi1）

26、共模信號（共模信號（vic =vi1/2） 靜態(tài)工作點(diǎn)的靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算計(jì)算亦相同亦相同動(dòng)態(tài)性能相同動(dòng)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/212121121CBBBCcCCCOCCCBEEEEIIIIIRVVIIIIVVVV)/(1cLCCCcLLCRRIVRRRV vi10和和vi20，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)電位卻的集電極靜態(tài)電位卻不同，修正為下式不同，修正為下式2. 2. 雙端輸入單端輸出方式的雙端輸入單端輸出方式的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能靜態(tài)時(shí)，由于靜態(tài)時(shí)，由

27、于T T1 1和和T T2 2的輸入回路參數(shù)對稱。的輸入回路參數(shù)對稱。R RL L雙端輸入單端輸出方式雙端輸入單端輸出方式beLcebbeLcbiddoiddovdrRRvirRRivvvvA2)/(-)(2)/(2211111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(gè)管子輸入信號和輸出信號不在同一個(gè)管子的電極上的電極上），單端輸出的差模電壓增益表達(dá)式中沒有），單端輸出的差模電壓增益表達(dá)式中沒有“-”-”。ve0差模輸入信號交流通路RL 當(dāng)輸入差模

28、信號時(shí)，因當(dāng)輸入差模信號時(shí)，因T T1 1和和T T2 2的參的參數(shù)對稱，差分對管射極電流的變化量數(shù)對稱，差分對管射極電流的變化量大大小相等，符號相反小相等，符號相反，射極仍然是，射極仍然是虛短和虛短和虛斷虛斷。輸出電阻輸出電阻: :ccoRRR1共模輸入電阻共模輸入電阻: :beidrR2obeLcobbbeLcbiccovcrrRRriirRRivvA)1 (2)/(-)1 (2)/(111111beobeobevcvdCMRrrrrrAAK)1 (221共模抑制比共模抑制比為為 共模抑制比與負(fù)載大小無關(guān)共模抑制比與負(fù)載大小無關(guān)，僅與負(fù)載僅與負(fù)載同差放電路的同差放電路的連接方式連接方式有關(guān)

29、。有關(guān)。共模電壓增益共模電壓增益為為雙端輸出共模抑制比為無窮大，單端輸出可達(dá)幾千倍。雙端輸出共模抑制比為無窮大，單端輸出可達(dá)幾千倍。輸出電阻輸出電阻: :ccoRRR1共模輸入電阻共模輸入電阻: :)1 (221obeicicicrrivR雙端輸入單端輸出方式RL3. 單端輸入單端輸出方式的單端輸入單端輸出方式的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能輸入信號可分解輸入信號可分解vid =vi1和和vic =vi1/2。 （1 1）輸入方式僅影響差模輸入信號和共模輸入信號的大小不）輸入方式僅影響差模輸入信號和共模輸入信號的大小不影響差分放大電路的性能參數(shù)；影響差分放大電路的性能參數(shù)； （2 2）4 4種方式的輸入電阻

30、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出方式有關(guān)；單端輸出時(shí)，）電壓增益和輸出電阻則與輸出方式有關(guān)；單端輸出時(shí)，差模增益和輸出電阻是雙端輸出的一半，共模增益比雙端輸出大。差模增益和輸出電阻是雙端輸出的一半，共模增益比雙端輸出大。 動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能與雙端輸入單端輸出的與雙端輸入單端輸出的動(dòng)態(tài)性能相同，動(dòng)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)算亦亦相同。相同。結(jié)論：結(jié)論： 例例9.2 9.2 有源負(fù)載共射差放電路如圖所示。試求電路的差模電壓有源負(fù)載共射差放電路如圖所示。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。增益、差模輸入電阻和輸出電阻的表達(dá)式。 解：

31、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。設(shè)晶體管的電流放大倍數(shù)相同。電極電流互為鏡像。設(shè)晶體管的電流放大倍數(shù)相同。 當(dāng)輸入差模信號時(shí)，當(dāng)輸入差模信號時(shí)，差分對管的發(fā)射極交流電位近似為零差分對管的發(fā)射極交流電位近似為零。IObeidbeidbrvrvi2=2=1112222-bbeidbeidbirvrvi443434433=bbbebebbbebbeiirriirir1144331+2=+=bbbbbbbiiiiiiiidbececececebb

32、cecebbovr)r/r()r/r()ii ()r/r)(ii(v42422142242=-=-=bececeidovdorrrvvA)/(422bebididididrivivR222142/ceceorrR 輸入信號為零時(shí)，輸入信號為零時(shí)，ib1= ib2=0，使，使ib4=0。 因此，有源負(fù)載因此，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。bececeidovdorrrvvA)/(422endTBEBET

33、BETBEVvvVvSVvSEECCeeIeIiiii/ )(/21212121) 1() 1( 當(dāng)輸入信號大范圍變化時(shí)，不能用小信號模型分析晶體管的特當(dāng)輸入信號大范圍變化時(shí)，不能用小信號模型分析晶體管的特性?？梢岳镁w管的性?？梢岳镁w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O(shè)EECCIiiii2121由電路，由

34、電路，OVvvVvvCOVvvCIeeiIeiTBEBETBEBETBEBE/ )(/ )(1/ )(2212121111 所以，所以，)()(212121CCcCcCCCcCCCCOiiRiRViRVvvvTBEBEOcOVvvthIRv221TidOcOVvthIRv2再由電路，再由電路，輸入共模信號，輸入共模信號，vBE1= vBE2，vO O= =0 0th(x)th(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)。 輸入差模信號，輸入差模信號， vid = vBE1-vBE2。OcVvvVvvVvvVvvOcVvvVvvOIReeeeIReevTBEBETBEBETBEBETBE

35、BETBEBETBEBE2/ )(2/ )(2/ )(2/ )(/ )(/ )(21212121212111抑制共模信號。抑制共模信號。時(shí)，當(dāng)2TidVv412TidVvTidOcTidOcOVvIRVvthIRv22OTOTETETbbbeIVIVIVIVrr22/)1 (idbecOvrRv 電壓增益與使用小信號模型獲得的相同電壓增益與使用小信號模型獲得的相同。TidOcOVvthIRv212112)2()!2(11)2()!12(12nnTidmmTidTidOcVvnVvmVvIRmVmVVvTid132262RRTcTc+R+RTsTsP PC C是管芯耗散功率是管芯耗散功率( (熱

36、源熱源) )R RTjTj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 RTaTa是管芯至環(huán)境的熱阻是管芯至環(huán)境的熱阻 R RTcTc是管殼至散熱片的熱阻（與有否墊片、接觸面積、緊固程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)）度等有關(guān)） 當(dāng)忽略管殼至周圍當(dāng)忽略管殼至周圍環(huán)境的熱阻時(shí)，可求出環(huán)境的熱阻時(shí)，可求出散熱回路的總熱阻散熱回路的總熱阻(a) 散熱片安裝示意圖熱阻RTc墊片熱阻RTc功率管熱阻RTj環(huán)境熱阻RTa散熱片s環(huán)境a 環(huán)境a 管芯j管殼c 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

37、管低頻大功率管。由晶體管手冊查出，最大允許功耗手冊查出，最大允許功耗P PCMCM=20W=20W，最高允許結(jié)溫，最高允許結(jié)溫T TjMjM=178=1780 0C C，R RTjTj=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 RTcTc=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？WCWCPTTRCMajMT/75. 6=20)40175(=-=00-R RTsTs=R=RT T -R -RTjTj-R-RTcTc= =（6.75-3-16.75-3-1）0 0C/W=2.75C/W=2.750 0C/W

38、C/W散熱片的熱阻為散熱片的熱阻為應(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：可得總熱阻為可得總熱阻為end 9.5 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器9.5.1 雙極型集成運(yùn)算放大器LM7419.5.2 CMOS集成運(yùn)算放大器MC145739.5.3 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)9.5.4 集成運(yùn)算放大器的種類和選擇 由于集成運(yùn)放通常不直接驅(qū)動(dòng)終端負(fù)載，故不必像集成功率放由于集成運(yùn)放通常不直接驅(qū)動(dòng)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，增益和輸入電阻大，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。頻率特

39、性好。 利用運(yùn)放的高增益和對其引入的負(fù)反饋，可以組成利用運(yùn)放的高增益和對其引入的負(fù)反饋，可以組成各種模擬信各種模擬信號運(yùn)算電路號運(yùn)算電路，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。 _vi1vovi2+(a)+ (b)vo+_vi1vi2+A9.5.1 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電流源電路電流源電路差分輸入級差分輸入級中間放大級中間放大級互補(bǔ)輸出級互補(bǔ)輸出級1.電流源偏置電路電流源偏置電路mARVVVVIBEBEEECCR73. 0397 . 07 . 030)(5111

40、20.730.730.7310410lnCRTCIIRVIAIC2810代入?yún)?shù)解得代入?yún)?shù)解得28A28A28A14A14A 輸入級交流通路輸入級交流通路1)1 ( 24422bebeidrrR2. 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 rbebe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。 輸入級組成輸入級組成共集共基組合共集共基組合差分放大電路，負(fù)載是中間級的差分放大電路，負(fù)載是中間級的R Ri2 i2 。 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倍倍 通過計(jì)算通過計(jì)算T2T2和和T4T4的級聯(lián)增益

41、計(jì)算差模增的級聯(lián)增益計(jì)算差模增益。因?yàn)橐妗Ｒ驗(yàn)镽 Ri2 i2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本級的輸出電阻，則差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本級的輸出電阻，則差模電壓增益為模電壓增益為差模電壓增益等于半電路的電壓增益。差模電壓增益等于半電路的電壓增益。422424242444224421241)1 ()1 ()1)(1 (1)1 (1)1 (bebeibeibebebeiicvdrrRrRrrrvvvA3. 3. 中間放大級中間放大級1717162)1 (bebeirrR復(fù)合管共射放大有源負(fù)載相位補(bǔ)償1717163171317164172)1 ()/(bebeicececcvrrRrrvvAR Ri3 i3是輸出級是輸出級的輸入電阻的

42、輸入電阻4. 4. 輸出級輸出級PNP復(fù)合管NPN管V VBEBE倍倍增電路增電路互補(bǔ)對稱輸出電路VVRRRRVVVBEBEBEBB96. 06 . 0)5 . 75 . 41 ()1 (15877815151814調(diào)節(jié)電阻比值，可以將輸出管準(zhǔn)確偏置在甲乙類1515718141beBBrRr倍增電路的交流等效電阻為17131814/ceceBBrrr交流電壓為0交流等位點(diǎn)LbeiRrR)1 (141431417131/ceceorrR2112vvdiiovdAAvvvA422414141713171642)1 (/()1)(1 (bebeLbececevdrrRrrrA甲乙類互補(bǔ)對稱電路的輸出

43、電阻甲乙類互補(bǔ)對稱電路的輸出電阻甲乙類互補(bǔ)對稱電路的輸出電阻甲乙類互補(bǔ)對稱電路的輸出電阻 甲乙類互補(bǔ)對稱電路的電壓增益近似為甲乙類互補(bǔ)對稱電路的電壓增益近似為1 1。 LM741LM741總的差模電壓增益為總的差模電壓增益為 電壓增益可達(dá)電壓增益可達(dá)106dB106dB。負(fù)號說明。負(fù)號說明vi1 i1與輸出電壓與輸出電壓vo o同相、同相、vi2 2與輸出與輸出電壓電壓vo o反相，即反相，即3 3端是同相輸入端，端是同相輸入端，2 2端是反相輸入端。端是反相輸入端。輸出電阻小于輸出電阻小于200200。5 5限流保護(hù)電路限流保護(hù)電路 過流時(shí)，若過流時(shí)，若正半周輸出正半周輸出，R R9 9上的

44、電壓明顯增大，致使上的電壓明顯增大，致使D D1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，從從T T1414的基極分流，限制的基極分流，限制T T1414的集電極電流，保護(hù)的集電極電流，保護(hù)T T1414管。管。 過流時(shí)，若輸出過流時(shí)，若輸出負(fù)半周負(fù)半周，R R1010上的電壓明顯增大，使上的電壓明顯增大，使D D2 2導(dǎo)通，從導(dǎo)通，從T T1818的基極分流，限制的基極分流，限制T T1919的集電極電流，保護(hù)的集電極電流，保護(hù)T T1919管。管。 正常工作正常工作時(shí)，時(shí)，R R9 9和和R R1010上上的電壓很小，的電壓很小，D D1 1、和、和D D2 2均截均截止，不影響電止，不影響電路工作。路工作。6 6

45、調(diào)零電路調(diào)零電路 在在LM741LM741電路中，通過電路中，通過PNPPNP管和管和NPNNPN管的配合，使得在零輸管的配合，使得在零輸入電壓時(shí)輸出電壓也近似為零。實(shí)際使用時(shí)還可以在入電壓時(shí)輸出電壓也近似為零。實(shí)際使用時(shí)還可以在、端外端外接調(diào)零電位器。接調(diào)零電位器。 通過對雙極型運(yùn)放通過對雙極型運(yùn)放LM741LM741的分析可知，雙極型集成運(yùn)放的輸入的分析可知，雙極型集成運(yùn)放的輸入偏置電流及器件功耗較大，輸入電阻較小。偏置電流及器件功耗較大，輸入電阻較小。 但是由于采用多種改進(jìn)技術(shù)，所以品種繁多、功能很強(qiáng)。但是由于采用多種改進(jìn)技術(shù)，所以品種繁多、功能很強(qiáng)。end9.5.2 CMOS9.5.2

46、 CMOS集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器MC14573MC14573 電路由增強(qiáng)型電路由增強(qiáng)型PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管組成，稱為管組成，稱為CMOS CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor )(Complementary metaloxidesemiconductor )集成運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器。電流源電路電流源電路共源差分放大輸入級共源差分放大輸入級共源放大輸出級。共源放大輸出級。26566) 1(TGSDODVVII28588) 1(TGSDODVVII1 1電流源電路電流源電路25555) 1()(TGSDORDDSS

47、RGSVVIIVVIRV2 2共源差分放大輸入級共源差分放大輸入級)/(42221dsdsmidovdrrgvvA基準(zhǔn)電流PMOS多路電流源NMOS有源負(fù)載差分放 差模電壓增益等于半電差模電壓增益等于半電路的電壓增益路的電壓增益 差模輸入電阻和共模輸差模輸入電阻和共模輸入電阻髙達(dá)入電阻髙達(dá)10101212 。87/dsdsorrR )/(87722dsdsmoovrrgvvA3 3共源放大輸出級共源放大輸出級NMOS有源負(fù)載共源放大電路)/)(/(87427221dsdsdsdsmmvvdidovdrrrrggAAvvA總電壓增益為相位補(bǔ)償達(dá)到達(dá)到90dB90dB左右。左右。 單極型運(yùn)放的輸入

48、電阻特別單極型運(yùn)放的輸入電阻特別大，功耗低，電路簡單。但是，大，功耗低，電路簡單。但是，輸出電阻也較大。輸出電阻也較大。 end9.5.3 9.5.3 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1. 1. 絕對最大額定值絕對最大額定值（1 1）最大電源電壓）最大電源電壓 最大正電源電壓和最大負(fù)電源電壓。LM741的電源電壓額定值是18V。（2 2）最大差模輸入電壓）最大差模輸入電壓V Vidmaxidmax 從運(yùn)放的兩個(gè)輸入端看進(jìn)去，常有兩個(gè)或多個(gè)PN結(jié)串聯(lián)。加上差模電壓，一些PN結(jié)承受反向電壓，另一些承受正向電壓。對應(yīng)于反偏PN結(jié)擊穿的差模輸入電壓就是最大差模輸入電壓。LM741的Vi

49、dmax是30V。 保證器件安全工作或保證器件特性的極限參數(shù)既是絕對最大額定值。使用時(shí)不能超過額定值。（3 3）最大共模輸入電壓）最大共模輸入電壓V Vicmaxicmax 當(dāng)共模電壓超過一定范圍時(shí)，運(yùn)放輸入級的差放管出現(xiàn)飽和或截止，電路不能正常放大差模信號。該范圍的邊界共模電壓就是最大共模輸入電壓。LM741的Vicmax是15V。（4 4）最大功率損耗）最大功率損耗P PD D器件允許的最大功耗。LM741的PD是500mW。2. 2. 直流誤差特性直流誤差特性（1 1）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓VIOVIO及失調(diào)電壓漂移及失調(diào)電壓漂移dVdVIOIO/dT/dT 靜態(tài)時(shí)，為了使輸出電壓為

50、零而在輸入端所加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。失調(diào)電壓變化量與相應(yīng)的溫度變化量之比，稱為輸入失調(diào)電壓漂移。（2 2）輸入偏置電流）輸入偏置電流I IIBIB 兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，稱為輸入偏置電流。當(dāng)信號源內(nèi)阻較大時(shí)，IIB對運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)有影響。（3 3）輸入失調(diào)電流）輸入失調(diào)電流I IIOIO及失調(diào)電流漂移及失調(diào)電流漂移dIdIIOIO/dT/dT 兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差的絕對值。失調(diào)電流變化量與相應(yīng)的溫度變化量之比定義為失調(diào)電流漂移。當(dāng)信號源內(nèi)阻大時(shí)，IIO將在輸入端產(chǎn)生較大的誤差電壓。（4 4）電源電壓抑制比）電源電壓抑制比K KSVRSVR 定義為電源電壓變化量與電源電壓引起的

51、輸入失調(diào)電壓變化量之比。KSVR通常大于90dB。3 3差模特性差模特性（1 1）開環(huán)差模電壓增益）開環(huán)差模電壓增益A Avdovdo 運(yùn)放在沒有外加反饋和連接給定負(fù)載的情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比。 常用分貝(dB)表示。理想運(yùn)放的開環(huán)差模電壓增益為無窮大。（2 2）差模輸入電阻）差模輸入電阻R Rid id和輸出電阻和輸出電阻R Ro o（3 3）開環(huán)帶寬）開環(huán)帶寬BWBW和單位增益帶寬和單位增益帶寬BWBWG G 開環(huán)差模電壓放大增益下降3dB所對應(yīng)的頻率定義為開環(huán)帶寬。而開環(huán)差模電壓增益下降至0dB所對應(yīng)的頻率定義為單位增益帶寬。4. 4. 共模特性共模特性（1 1）共模抑制比）共模抑制比K KCMRCMR