《電工與電子技術(shù)教案》放大電路及集成運放

中等職業(yè)教育國家規(guī)劃教材〔非電類相關專業(yè)〕?電工與電子技術(shù)〔第2版〕?

電子教案主編馮滿順第9章

放大電路和

集成運算放大器

第9章放大電路和集成運算放大器

9.1根本放大電路9.2反響在電子電路中的應用9.3功率放大器9.4集成運放及其應用

9.1根本放大電路9.1.1根本共射放大電路9.1.2放大電路的工作原理9.1.3放大電路的分析方法9.1.4放大電路靜態(tài)工作點的設置與穩(wěn)定9.1.5放大電路的應用實例

1.根本共射放大電路的組成9.1.1根本共射放大電路〔1〕放大電路的組成原那么—發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏?！?〕根本共射放大電路各元器件作用①三極管V是放大電路的核心元件，放大電路工作時主要依靠三極管的電流放大作用。②電源VCC是放大器的能源，它和阻值適宜的Rb、Rc相配合，可使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，以滿足三極管放大的外部條件。③Rb是基極偏流電阻，改變Rb的阻值，即可改變基極偏流IB的大小，從而改變了三極管的工作狀態(tài)。假設把Rb開路，IB=0，將導致放大器不能正常放大。④集電極負載電阻Rc將放大后的電流IC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)镽c上電壓的變化，從而引起uce的變化，這個變化電壓就是輸出電壓uo。⑤耦合電容C1和C2它們分別接在放大電路的輸入端和輸出端，利用電容器對交流電的阻抗很小，交流電很容易通過來實現(xiàn)耦合。又利用電容器對直流電的阻抗很大來隔斷直流，從而防止信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間直流電流的相互影響。因此耦合電容的作用是“隔直通交〞。

1.靜態(tài)9.1.2放大電路的工作原理〔1〕靜態(tài)——放大器未加輸入信號即ui=0時，電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。〔2〕靜態(tài)工作點——靜態(tài)時電路中沒有變化量，電路中的電壓、電流都是直流量，如下圖，此時直流量IB、IC、UCE的值稱為放大電路的靜態(tài)工作點，簡稱Q點?！?〕直流通路——要分析計算放大電路的靜態(tài)工作點所對應的電壓電流IB、IC、UCE，就應先畫出放大電路的直流通路。直流通路是放大電路中直流通過的路徑。由于電容器具有隔斷直流的作用，因此畫直流通路時電容相當于開路。左以下圖是右上圖放大電路的直流通路。

2.動態(tài)9.1.2放大電路的工作原理〔1〕動態(tài)——放大器輸入端參加信號時，電路的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。〔2〕動態(tài)工作情況——輸入信號ui疊加在直流的UBE上，即uBE=UBE+ui基極電流iB=IB+ib經(jīng)過放大iC=IC+icuCE=VCC-RciC=VCC-Rc〔IC+ic〕=VCC-RcIC-Rcic=UCE-Rcic由于C2的隔直通交，輸出電壓只有交流分量，即uo=uce=-Rcic

只要Rc取值適當，就可使uo比ui大許多倍，從而實現(xiàn)電壓放大。另可看見，uo和ui的相位相反，這是共射放大電路所具有的倒相作用。〔3〕交流通路——放大電路中交流通過的路徑。由于對頻率較高的交流信號，電容器相當于短路；同時對交流信號來說，直流電源可視為短路。左以下圖是右上圖放大電路的交流通路。

3.放大電路的非線性失真9.1.2放大電路的工作原理由于靜態(tài)工作點設置不當，輸出信號將出現(xiàn)失真。這種失真是由于三極管的非線性所造成的，因而稱為非線性失真?！?〕截止失真——假設靜態(tài)工作點太低，即IB、IC太小，如右上圖所示，輸入信號疊加在直流量〔2〕飽和失真——假設靜態(tài)工作點太高，即IB、IC太大，如左以下圖所示，放大后的iC已經(jīng)超出了三極管飽和時集電極電流ICS=VCC/RC，因此使iC未變化到正半周的頂部即被削去，與此相應uRc的正半周也被削去，反相后uCE和uo的負半周被削去，這種失真是由于三極管飽和所造成的，故稱為飽和失真。如果調(diào)節(jié)Rb并使之增大，那么可消除飽和失真。上后，負半周仍處在發(fā)射結(jié)的死區(qū)或仍使發(fā)射結(jié)處于反偏，這樣iB、iC、uRc的負半周被削去，反相后uCE和uo的正半周被削去，這種失真是由于三極管的發(fā)射結(jié)截止所造成的，故稱為截止失真。如果調(diào)節(jié)Rb并使之減小，那么可消除截止失真。

9.1.3

放大電路的分析方法例9-1如圖9-11放大電路中Rb=470k、Rc=6k，β=50，UBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF，試求放大電路的靜態(tài)工作點Q點所對應的電壓電流IB、IC、UCE。解先畫出如圖9-11〔a〕放大電路的直流通路如圖9-11〔b〕所示。對IB回路應用KVL，得IBRb+UBE=VCC那么IB=〔VCC-UBE〕/Rb=〔20-0.7)V/470kΩ=40μA;這里VCC?UBE，故UBE可忽略，工程上經(jīng)常采用這種近似估算。IC=βIB=50×40=2mAUCE=VCC-ICRc=20-2×6=8V因此放大電路的靜態(tài)工作點的電壓電流為IB=40μA、IC=2mA、UCE=8V。1．靜態(tài)工作點的估算先畫出放大電路的直流通路，然后求解直流通路。9.1.3

放大電路的分析方法輸入端b、e兩極間等效為三極管的輸入電阻rbe=300+(1+β)26/IE(Ω)輸出端c、e兩極間等效為一個受根本電流ib控制的電流源，其輸出電流為ic=βib?！?〕放大器的輸入電阻Ri是從放大器輸入端往里看進去的等效電阻,Ri=Ui/IiRi愈大的放大器，表示其輸入回路所索取的信號電流ii愈小。從圖9-14放大器的微變等效電路可見：Ri=Rb//rbe≈rbe?！?〕放大器的輸出電阻從放大器的輸出端往里看進去，整個放大器可看成是一個等效電阻為Ro、等效電動勢為uo的電壓源，這個等效電阻就是放大器的輸出電阻。從圖9-14放大器的微變等效電路可見：Ro=Rc。2．放大電路的動態(tài)分析〔2〕放大器的電壓放大倍數(shù)Au定義為輸出電壓uo與輸入電壓ui之比，即Au=uo/ui〔1〕三極管的微變等效電路估算電壓放大倍數(shù)的方法是：先畫出放大器的微變等效電路如圖9-14所示；然后分別寫出uo和ui的表達式，即

ui=ibrbe；uo=-icRc=-βib

Rc；根據(jù)定義

Au=uo/ui

=-βib

Rc/ibrbe=-β

Rc/rbe;上式中的負號表示共射放大電路uo和ui反相。9.1.4放大電路靜態(tài)工作點的設置與穩(wěn)定根本共射放大電路的偏置電阻一經(jīng)選定，IB也隨之確定為恒定值，因此這種電路也稱為固定偏置電路。當溫度升高時β增大、ICEO增大，使得IC增大、UCE下降，從而產(chǎn)生飽和失真。因此要使uo波形不失真，就要穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點；首先要穩(wěn)定靜態(tài)IC的值。

如圖9-16所示的分壓式偏置穩(wěn)定電路有以下兩個特點：

第一，利用電阻Rb1和Rb2分壓來穩(wěn)定基極電位，由于IB很小，I1?IB，那么I1≈I2，這樣基極電位為UB=VCCRb2/(Rb1+Rb2)由于UB是由VCC經(jīng)Rb1和Rb2分壓決定，故不隨溫度變化。第二，利用發(fā)射極電阻Re來獲得反映電流IE變化的信號，反響到輸入端，實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。其過程T℃↑→IC↑→UE↑→UBE↓→IB↓IC↓←───────┘通常UB?UBE，所以發(fā)射極電流：IC=(UB-UBE)/RE〔9-5〕根據(jù)I1?IB和UB?UBE兩個條件得到的式〔9-5〕說明了UB和IC是穩(wěn)定的，根本上不隨溫度而變，而且也根本上與管子的參數(shù)β無關。9.1.5放大電路的應用實例

三極管放大電路有比較廣的應用，假設要把微弱的電信號放大，就可使用三極管放大電路。圖中V1管是光電三極管，沒有光照時光電三極管截止，電阻大；有光照時光電三極管導通，電阻小。以圖9-17〔a〕為例，當沒有光照時V1管截止，電阻大，V2管截止，輸出電壓uo≈VCC；當有光照時V1管導通，電阻小，V2管導通，輸出電壓uo≈0。這樣把光的強弱轉(zhuǎn)換成電壓的上下，并把信號傳送給執(zhí)行機構(gòu)。光電檢測與控制電路可作為探測器，用于保護銀行和不允許其它人進入等重要場所。9.2反響在電子電路中的應用9.2.1多級放大電路9.2.2放大電路中的負反響9.2.3正弦波振蕩電路9.2.1多級放大電路

1.多級放大電路的組成方框圖前后級直接連接起來，如圖〔b〕。由于直接連接，使各級靜態(tài)工作點相互關聯(lián)，調(diào)整困難。直接耦合放大電路既能放大交流信號又能放大直流信號而獲得廣泛應用。在集成電路中須采用直接耦合。〔3〕變壓器耦合—通過變壓器實現(xiàn)級間耦合。一般都不采用變壓器耦合?！?〕阻容耦合—級間通過耦合電容與下級輸入電阻連接，如圖〔a〕。電容有隔直作用，使各級的靜態(tài)工作點相互沒有影響，因而各級放大電路的靜態(tài)工作點可以單獨計算。輸入級直接連接信號源，一般要求它的輸入電阻高一些。輸入級和中間級的任務是電壓放大。中間級根據(jù)需要可以是多級的電壓放大電路，將微弱的輸入電壓放大到足夠的幅度。輸出級用作功率放大，向負載輸出所需的功率。2.耦合方式多級放大電路中每兩個單級放大電路之間的連接稱為耦合

〔2〕直接耦合—不經(jīng)過電抗元件，把3.總的電壓放大倍數(shù)Au=Au1·Au2·Au3……Aun

9.2.2放大電路中的負反響1.反響的根本概念—將輸出量〔電壓或電流〕的一局部或全部回送到輸入端〔1〕反響支路—把輸出端和輸入端聯(lián)系起來的支路。要判斷一個放大電路是否有反響，只要看放大電路中是否存在反響支路。2.反響放大器的類型〔2〕反響放大器的組成開環(huán)放大倍數(shù)A=XO/Xi‘反響系數(shù)F=Xf/XO閉環(huán)放大倍數(shù)Af=XO/XI=A/〔1+AF〕≈1/F〔1〕反響極性反響使放大器的凈輸入量得到增強的是正反響；反之，使放大器的凈輸入量減弱的那么是負反響。通常采用“瞬時極性法〞來判斷反響的極性。例9-2試判斷圖9-19〔a〕所示電路的反響極性。解判斷過程的瞬時極性如圖9-19〔a〕所示。凈輸入電壓ui減小，因此是負反響。2.反響放大器的類型〔2〕交流反響和直流反響反響回來的信號如果是交流量，那么是交流反響；反之，如果是直流量，那么是直流反響。如圖9-19〔a〕存在交流反響，圖9-19〔b〕存在直流反響。9.2.2放大電路中的負反響〔4〕串聯(lián)反響和并聯(lián)反響對于串聯(lián)反響，其反響信號和輸入信號是串聯(lián)的；對于并聯(lián)反響，其反響信號和輸入信號是并聯(lián)的。如圖9-19〔a〕中反響信號uf和凈輸入信號ui＇疊加，故是串聯(lián)反響。如圖9-22中反響信號if和凈輸入信號ii＇疊加，故是并聯(lián)反響?！?〕電壓反響和電流反響如果反響支路的取樣對象是輸出電壓，那么稱為電壓反響；如果反響支路的取樣對象是輸出電流，那么稱為電流反響。如圖9-19〔a〕可見，反響支路接在輸出端，取樣對象是輸出電壓，故是電壓反響。而圖9-19〔b〕反響支路未直接接在輸出端，取樣對象是輸出電流，故是電流反響。四種類型的負反響放大電路——電壓串聯(lián)負反響、電流串聯(lián)負反響、電壓并聯(lián)負反響、電流并聯(lián)負反響。9.2.2放大電路中的負反響3.負反響放大器的特性〔1〕提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性—負反響放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定性的提高，是以減小放大倍數(shù)為代價的。負反響越深，放大倍數(shù)降低越多，放大器工作卻更加穩(wěn)定?！?〕減小放大器的非線性失真由于放大器的〔3〕展寬放大器的通頻帶把放大器對不同頻率的正弦信號的放大效果稱為放大器的頻率響應，其中放大倍數(shù)的大小和頻率之間的關系稱為幅頻特性。規(guī)定當放大倍數(shù)下降為0.707Aum時所對應的兩個頻率，分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH，在這兩個頻率之間的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用BW表示，即BW=fH-fL，通頻帶愈寬，表示放大器工作的頻率范圍愈寬。引入負反響后雖然各種頻率的信號放大倍數(shù)都有下降，但通頻帶卻加寬了。靜態(tài)工作點如果選得不適宜，輸出信號波形將產(chǎn)生飽和失真或截止失真。這種失真可以利用負反響造成一個預失真的波形來進行矯正。同樣道理，負反響可以減小由于放大器本身所產(chǎn)生的干擾和噪聲。9.2.2放大電路中的負反響3.負反響放大器的特性〔4〕改變輸入電阻和輸出電阻1〕改變輸入電阻但凡串聯(lián)負反響，因反響信號與輸入信號串聯(lián)，故使輸入電阻增大；但凡并聯(lián)負反響，因反響信號與輸入信號并聯(lián)，故使輸入電阻減小。2〕改變輸出電阻但凡電壓負反響，因具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，使其接近于恒壓源，故使輸出電阻減小；但凡電流負反響，因具有穩(wěn)定輸出電流的作用，使其接近于恒流源，故使輸出電阻增大。綜上所述，負反響使放大器的放大倍數(shù)減小，但使放大器其它性能得到改善。而正反響使放大器的放大倍數(shù)增大，利用這一特性可組成振蕩電路。9.2.3正弦波振蕩電路不需要外加輸入信號，能夠自行產(chǎn)生特定頻率的交流輸出信號，從而將電源的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸出，這種電路就稱為自激振蕩電路。

1．自激振蕩的條件

自激振蕩如果在根本放大器中引入正反響，如圖9-25方框圖所示，那么使uo越來越大。

既然如此，干脆把輸入信號ui去掉，用代替輸入信號，即在沒有輸入信號的情況下也能保持一定的輸出信號幅度，這就是自激振蕩器，方框圖如圖9-26所示。由圖可見，A=uo/u‘i，F(xiàn)=uf/u’i，uf=u‘i，因此

自激振蕩的條件

AF=1

相位平衡條件uf與u'i必須同相位，也就是要求正反響。幅值平衡條件AF=1，即uf與uI值相等。振蕩電路是由放大電路和反響網(wǎng)絡兩大主要局部組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。為了得到單一頻率的正弦波，電路必須具有選頻特性，即只使某一特定頻率的正弦波滿足自激振蕩條件，即應包含選頻網(wǎng)絡。根據(jù)選頻網(wǎng)絡的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器以及石英晶體振蕩器。9.2.3正弦波振蕩電路2.LC振蕩電路LC振蕩器有變壓器反響式和三點式LC振蕩器。

如圖9-27〔a〕是變壓器反響式振蕩器，其優(yōu)點是便于實現(xiàn)阻抗匹配，因此振蕩器的效率高、容易起振；其另一個優(yōu)點是調(diào)頻方便，只要將諧振電容C換成一個可變電容器，就可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率的要求。LC振蕩器的振蕩頻率范圍一般為一兆到幾百兆赫，頻率過低，將使L或C值很大而制作困難，會使振蕩器體積重量增大損耗加大而不易起振。因此1MHZ以下的正弦波振蕩器多采用RC振蕩器。演示實驗9-4用示波器觀察圖9-28所示LC電感三點式振蕩器的輸出電壓波形。調(diào)節(jié)L、C，可以看到輸出信號的頻率發(fā)生變化。

圖9-27〔b〕是電感三點式振蕩器，其優(yōu)點是容易起振、調(diào)節(jié)頻率方便、并且調(diào)節(jié)范圍較寬；缺點是振蕩波形差。圖9-27〔c〕是電容三點式振蕩器，其優(yōu)點是振蕩頻率高、振蕩波形好；缺點是調(diào)節(jié)頻率較困難。LC振蕩器的振蕩頻率為f0=1/。9.2.3正弦波振蕩電路3.RC振蕩器——由兩局部組成?！?〕RC串并聯(lián)網(wǎng)絡，這個電路具有選頻特性，如下圖把輸出電壓uo加到RC串并聯(lián)網(wǎng)絡，并從中取出ui加到放大電路的輸入端，可以證明：當f0=1/2πRC時，Ui=U0/3，φ=0?！?〕原理—在放大電路的輸入端的ui〔f=f0的信號〕經(jīng)兩級共射放大電路放大后，得到的uo再經(jīng)過RC串并聯(lián)網(wǎng)絡回到輸入端的信號，其相位和ui相同，加強了ui，因而形成正反響，即電路的總的相移φ=φa+φf，滿足自激振蕩的相位條件?！?〕振蕩頻率f0=1/2πRC?！?〕根本放大電路—是一個兩級電壓串聯(lián)負反響放大電路，有足夠大的放大倍數(shù)，以滿足自激振蕩的幅值條件。由于放大電路是由兩級共射放大電路組成，因此輸出電壓uo和輸入電壓ui相位相同。即兩級共射放大電路的相移φa=360°。4.石英晶體振蕩器——石英晶體諧振器是石英晶體振蕩器的核心元件

9.2.3正弦波振蕩電路〔1〕壓電效應——在石英晶體諧振器的兩個電極加交變電壓，晶體將產(chǎn)生機械形變振動，而這一振動又會產(chǎn)生交變電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。當外加交變電壓的頻率正好等于石英晶體的固有頻率時，振幅突然加大，這種現(xiàn)象稱為諧振。據(jù)分析測定石英晶體諧振器有兩個諧振頻率：一個是串聯(lián)諧振頻率fS，另一個是并聯(lián)諧振頻率fP，但這兩者很接近。當信號頻率f正好等于串聯(lián)諧振頻率fS時，石英晶體呈現(xiàn)純電阻，可視為一個很小的電阻；當信號頻率f處于fS和fP之間，石英晶體呈現(xiàn)電感性，可看成電感。2〕并聯(lián)型石英晶體振蕩器——振蕩頻率f0處于fS和fP之間，石英晶體看成電感，和其它元件一起組成三點式LC振蕩電路，如圖9-33所示。由于石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q值很高，故振蕩頻率非常穩(wěn)定，常用于電子鐘、精確計時儀器和通訊設備上。〔2〕石英晶體振蕩器1〕串聯(lián)型石英晶體振蕩器——振蕩頻率f0=fS，石英晶體看成一個很小的電阻，和其它元件一起構(gòu)成正反響電路如圖9-32所示。9.3功率放大器9.3.1功率放大器的任務、要求和類型9.3.2射極輸出器9.3.3互補推挽功率放大器〔OCL電路〕9.3.1功率放大器的任務、要求和類型

1.功率放大器的任務——供給負載足夠大的信號功率。2.放大器的效率——定義為負載得到的信號功率Po與電源供給的直流功率PDC之比，即η=Po/PDC3.輸出功率Po——輸出電壓與輸出電流的有效值之積，即Po=UoIo=UomIom/24.電源供給的直流功率PDC——電源電壓與流過電源的平均電流之積，即PDC=2〔VCC×Iom〕/π5.功率放大器按工作方式來分，有甲類放大、乙類放大和甲乙類放大。〔1〕甲類放大——信號的整個周期內(nèi)都有集電極電流通過三極管。甲類放大由于管子始終導通，靜態(tài)工作點比較適中，因此失真很小；但隨之帶來的是耗電多、效率低，在理想情況下效率僅為50%?！?〕乙類放大——在輸入信號的半個周期內(nèi)有集電極電流通過三極管。乙類放大由于管子只有半個周期內(nèi)導通，而在另半個周期內(nèi)IC=0，因此耗電少、效率高，在理想情況下效率可達78.5%。6。功率放大器按電路形式來分，主要有單管功率放大器、變壓器耦合功率放大器和互補推挽功率放大器。

9.3.2射極輸出器1.電路組成——輸出電壓是直接從發(fā)射極引出的，故稱射極輸出器。射極輸出器的交流通路如圖9-34〔b〕所示，可見集電極是輸入、輸出回路的共同端點，所以射極輸出器是共集電極電路。晶閘管的可控單向?qū)щ娦匝菔緦嶒瀸嶒灛F(xiàn)象與結(jié)論列于下表2.特點——射極輸出器是深度電壓串聯(lián)負反響電路，由圖9-34〔a〕可見，輸出電壓uo全部反響到輸入回路，它具有以下特點：〔1〕電壓放大倍數(shù)小于但近似等于1。由于uo全部反響到輸入回路，即uf=uo，所以F=1，Auf≈1。由此可見，輸出電壓uo與輸入電壓ui相位相同，大小近似相等，即ui≈uo，因此射極輸出器又稱為射極跟隨器。雖然它不具有電壓放大作用，但仍具有電流放大和功率放大?！?〕輸入電阻高由于射極輸出器是串聯(lián)負反響,所以輸入電阻大，常用作輸入級?！?〕輸出電阻低由于射極輸出器是電壓負反響,所以輸出電阻小，即帶負載能力強，常用作輸出級。9.3.3互補推挽功率放大器〔1〕電路組成——采用雙電源供電，V1是NPN型管，V2是PNP型管，要求兩管的特性相同。兩管的基極和基極連在一起，兩管的發(fā)射極和發(fā)射極連在一起，信號由基極輸入，發(fā)射極輸出，負載接在公共發(fā)射極上，因此它是由兩個射極輸出器組合而成的，如圖9-36〔a〕所示?！?〕工作原理①靜態(tài)——由于兩管均無直流偏置，故靜態(tài)時IB=0，兩管均截止，集電極靜態(tài)電流IC=0，因此放大器不放大信號時，沒有功耗，有利于提高效率。②動態(tài)——在ui的正半周期內(nèi)〔0＜t＜π〕，NPN型管V1因發(fā)射結(jié)正偏而導通，PNP型管V2因發(fā)射結(jié)反偏而截止。這時ic1自電源VCC流經(jīng)V1、RL到地，產(chǎn)生輸出電壓的正半周波形，見9-36〔b〕。在ui的負半周期內(nèi)〔π＜t＜2π〕，情況正好相反，V1截止，V2導通，這時ic2自地流經(jīng)RL、V2到-VCC，產(chǎn)生輸出電壓的負半周波形，見圖9-36〔b〕?？梢姡琕1管、V2管都只有半個周期導通，它們交替輪流導通，一個“推〞、一個“拉〞，互相補充，結(jié)果在負載RL上合成一個完整的信號波形，故稱為互補推挽功率放大器。1.互補推挽功率放大器工作原理

9.3.3互補推挽功率放大器2.甲乙類互補推挽功率放大器〔1〕乙類放大電路存在問題——輸出信號波形在正、負半周的交接處有失真，這個失真稱為交越失真。為防止交越失真可以為兩管設置一個略大于死區(qū)電壓的正向偏壓，使靜態(tài)IB略大于零，兩管處于微導通。〔2〕甲乙類互補推挽功率放大器——圖9-38所示的電路就是利用二極管的直流壓降作為功放管基極偏壓來克服交越失真，這種工作方式稱為甲乙類放大?！?〕OTL電路——在有些場合采用單電源供電的互補推挽功率放大器〔OTL電路〕。OTL電路是在OCL電路的根底上去掉一組電源，在輸出端接入一個大電容C，利用大電容C的充放電來代替一組電源。3.集成功率放大電路——把包括功放管在內(nèi)的元器件都做在一塊芯片上，完成功率放大的功能。集成功率放大電路性能穩(wěn)定、可靠，能適應長時間連續(xù)工作，有的還具有過載保護和熱切斷保護電路，當輸出過載或輸出短路均能起保護作用，防止器件損壞。圖9-41是集成功率放大電路TDA2030及應用電路。9.4集成運放及其應用9.4.1集成運算放大器的根本知識9.4.2差動放大電路9.4.3集成運放主要參數(shù)和特點9.4.4根本運算電路9.4.5集成運放的非線性應用9.4.1集成運算放大器的根本知識1．集成電路〔1〕分立元件電路——由互相分開的晶體管、電阻、電容等元器件，一個一個地按一定的要求借助導線或印刷電路板連接成一個完整的電路?！?〕集成電路——將整個電路中的晶體管、電阻、電容和導線集中制作在一小塊〔面積約0.5mm2〕硅片上，封裝成為一個整體器件?！?〕分類①按其集成度來分有小規(guī)模集成電路〔SSI〕、中規(guī)模集成電路〔MSI〕、大規(guī)模集成電路〔LSI〕和超大規(guī)模集成電路〔VLSI〕；②按其功能來分有數(shù)字集成電路和模擬集成電路數(shù)字集成電路用來處理數(shù)字信號，數(shù)字集成電路中的晶體管通常工作在開關狀態(tài)，反映在電路的輸入端和輸出端上的電壓，不是高電平就是低電平。一般數(shù)字集成電路的通用性較強，廣泛應用于計算機技術(shù)和自動控制電路中。模擬集成電路用來處理模擬信號，其輸入端和輸出端通常為連續(xù)變化的電壓或電流，最常見的模擬集成電路有集成運放電路、集成穩(wěn)壓電路、集成功率放大電路以及其它專用集成電路，其中應用最廣的是集成運放電路。9.4.1集成運算放大器的根本知識2．集成運算放大電路集成運放實際上是一種放大倍數(shù)很高的直接耦合放大器，簡稱集成運放?！?〕集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路組成，如圖9-43所示。輸入級要求輸入電阻高，而且要能有效地放大有用信號抑制無用信號,因此都采用差動放大電路；中間級要有足夠大的放大倍數(shù)；輸出級要求輸出電阻小帶負載能力強。偏置電路為各級電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流和工作電流?！?〕集成運放的圖形符號——集成運放有兩個輸入端，一個輸出端。如果輸入信號uI加在反相輸入端，稱為反相輸入方式，此時輸出信號和輸入信號相位相反；如果輸入信號uI加在同相輸入端，稱為同相輸入方式，此時輸出信號和輸入信號相位相同；當然輸入信號也可同時加在兩個輸入端，稱為雙端輸入方式，或稱為差動輸入方式。〔3〕集成運放的應用——最初作為運算放大電路用于模擬計算機中，由于在集成運放的輸入端和輸出端之間外加不同的網(wǎng)絡即可組成具有各種功能、不同用途的電路，因此集成運放已遠遠超出原來的運算放大的范圍，而廣泛應用在工業(yè)自動控制、精密檢測系統(tǒng)等領域。9.4.2差動放大電路

1.直流放大器中的零點漂移因外界因素，如溫度的變化、電源電壓的波動、晶體管參數(shù)的變化等等，將引起放大電路的靜態(tài)工作點發(fā)生變化。又由于是直接耦合，靜態(tài)工作點的變化都將直接傳送到下一級并被放大。尤其是第一級的靜態(tài)電位的變化，經(jīng)過逐級放大，直到輸出級，這樣在輸出端形成較大的零漂電壓。這種現(xiàn)象稱為零點漂移。當零漂嚴重時，有可能淹沒需要放大的有用信號，導致放大器無法正常工作。因此需要抑制，采用差動放大電路可以較有效地抑制零點漂移。2.差動放大電路的根本原理圖9-45所示是一個根本差動放大電路，它是由兩個完全對稱的單管放大電路組合而成。輸出電壓△UO從兩管的集電極之間取出，即△UO=△UO1-△UO2〔1〕靜態(tài)時的情況△UI=0，由于電路左右兩邊完全對稱，靜態(tài)值完全相同，故△UO1=△UO2，因此△UO=△UO1-△UO2=0，實現(xiàn)了零輸入零輸出的要求?！?〕抑制零漂的原理當外界因素發(fā)生變化時，兩管的靜態(tài)值同時發(fā)生漂移，例如溫度上升時，IC1和IC2同時增大，結(jié)果UC1和UC2同時下降，即兩管集電極電壓變化量相等，所以△UO=△UO1-△UO2=0，這就說明零點漂移因兩管對稱而抵消了。顯然差動放大電路兩邊對稱性愈好，零漂電壓就被抑制得愈小。9.4.2差動放大電路3.共模信號和共模放大倍數(shù)〔1〕共模信號—兩個大小相等、極性〔相位〕相同的信號電壓，△UIc1=△UIc2=△UIc，，用帶有下標符號“c〞表示。共模信號是無用的干擾或噪聲?！?〕共模電壓放大倍數(shù)——共模輸出電壓△UOc和共模輸入電壓△UIc的比值，用Auc來表示，即：Auc=△UOc//△UIc〔9-15〕如果電路左右兩邊完全對稱，那么△UOc=0，Auc=0?？梢姡材ｋ妷悍糯蟊稊?shù)愈小，抑制共模信號的能力就愈強。4.差模信號和差模電壓放大倍數(shù)〔1〕差模信號——兩個大小相等、極性〔相位〕相反的信號電壓即△UId1=△UId，△UId2=-△UId，用帶有下標符號“d〞表示。差模信號是需要放大的有用的信號。〔2〕差模電壓放大倍數(shù)——差模輸出電壓△UOd和差模輸入電壓△UId的比值，即：Aud=△UOd/△UId=〔△UId-△UId〕/〔△UId-△UId〕=2△UOd/2△UId=Au1差動放大電路雙端輸出的電壓放大倍數(shù)和單管共射放大電路的電壓放大倍數(shù)相同，也就是說差動放大電路是以多用一個放大管為代價來換取對零漂電壓的抑制5．共模抑制比KCMR——定義為差模電壓放大倍數(shù)Aud和共模電壓放大倍數(shù)Auc的比值，即KCMR=Aud/Aud〔9-17〕差模電壓放大倍數(shù)Aud愈大，而共模電壓放大倍數(shù)Auc愈小，那么共模抑制比KCMR愈大，差動放大電路的性能越好。

9.4.3集成運放主要參數(shù)和特點1.集成運放的主要參數(shù)

〔1〕輸入失調(diào)電壓UIO一個理想的集成運放，當輸入電壓為零時〔uI=0〕，輸出電壓也為零〔uO=0〕。但實際上由于集成運放輸入級的差動管不對稱，通常在輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓，這種現(xiàn)象稱為靜態(tài)失調(diào)。把這個輸出電壓折算到輸入端就是輸入失調(diào)電壓UIO。UIO越小越好，UIO越小說明電路匹配越好。

〔2〕輸入偏置電流IIB與輸入失調(diào)電流IIO一個理想集成運放的兩個輸入端電流完全相等。實際上，當集成運放的輸出電壓為零〔uO=0〕時，流入兩個輸入端的電流IB1和IB2不等。把IB1與IB2之差稱為輸入失調(diào)電流IIO，即IIO=IB1IB2，它反映集成運放輸入級電流的不對稱程度。IIO值越小越好。當輸出電壓為零〔uO=0〕時，流入兩輸入端的靜態(tài)電流的平均值稱為偏置電流，即IIB=(IB1+IB2)/2。〔3〕開環(huán)電壓放大倍數(shù)——無外加反響回路情況下的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)〔4〕共模抑制比KCMR——差模電壓放大倍數(shù)Aod與共模電壓放大倍數(shù)Aoc之比〔5〕輸入電阻rid是指輸入差模信號時，集成運放的開環(huán)輸入電阻。輸出電阻rod是指運放本身輸出級的開環(huán)輸出電阻?！?〕最大輸出電壓UOM輸出端開路時集成運放能輸出的最大不失真電壓峰值〔7〕最大輸出電流IOM是指集成運放在不失真條件下的最大輸出電流。9.4.3集成運放主要參數(shù)和特點2.集成運放的特點〔1〕集成運放線性應用的條件和特點在線性放大的條件下，輸出和輸入的關系為：uO=AoduI=Aod〔U+-U-〕。1)集成運放線性應用的必要條件——集成運放必須引入深度負反響。

2)集成運放線性工作區(qū)的特點①虛短——由于集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)Aod很大，而輸出電壓是一個有限值，因而集成運放兩個輸入端之間的電壓很小，可以認為近似等于零。即uI=U+U=uO/Aod≈0得U+≈U〔9-18〕②虛斷——由于集成運放的輸入電阻很大，因此集成運放流入兩個輸入端的電流很小，可以認為近似等于零，即：I+≈I≈0〔9-19〕〔2〕集成運放非線性應用的特點和條件1〕集成運放非線性應用的必要條件—集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反響。2〕集成運放非線性應用的特點①輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：正最大輸出電壓+UOM或負最大輸出電壓UOM。②集成運放的輸入電流等于零?？傊诜治黾蛇\放的應用電路時，應判斷其中的集成運放是否工作在線性區(qū)，在此根底上，根據(jù)線性區(qū)或非線性區(qū)的特點分析具體電路的工作原理。9.4.4根本運算電路1.比例運算電路

〔1〕反相輸入比例運算電路——輸入電壓uI通過外接電阻R1加在反相端上，同相端經(jīng)過平衡電阻R接地，輸出電壓uO經(jīng)過Rf接回反相端，形成電壓并聯(lián)負反響。輸出電壓和輸入電壓的關系為：UO=-Ui×Rf/R1假設Rf=R1，那么UO=-Ui，電路成為反相器。〔2〕同相輸入比例運算電路——輸入電壓uI通過R加在同相端上，反相端經(jīng)過R1接地，輸出電壓uO經(jīng)過Rf接回反相端，形成一個深度電壓串聯(lián)負反響。輸出電壓和輸入電壓的關系為：UO=Ui×〔1+Rf/R1〕假設Rf=0，R1=∞，那么UO=Ui，電路成為電壓跟隨器。2.加減運算電路

〔1〕反相求和電路——多個輸入電壓通過外接電阻加在反相端上，輸出電壓uO經(jīng)過Rf接回反相端。根據(jù)虛斷和虛短的概念，可求得輸入電壓和輸出電壓的關系為：uO＝-(ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3+〕Rf假設R=R1=R2=R3，那么uO＝-Rf〔uI+uI2+uI3〕/R19.4.