《電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2版）》 課件 第4章 集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用

第4章集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用4.1集成電路概述4.2集成運(yùn)放的基本組成及各部分的作用

4.3集成運(yùn)放的性能指標(biāo)4.4放大電路中的反饋

4.5集成運(yùn)放的應(yīng)用4.1集成電路概述4.1.1集成電路及其發(fā)展

意義：電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向和趨勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)集成化。

定義：集成電路簡(jiǎn)稱IC（IntegratedCircuits），是60年代初期發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件。它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將電路的有源器件（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等）、無(wú)源器件（電阻、電感、電容）及其布線集中制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，形成緊密聯(lián)系的一個(gè)整體電路。

發(fā)展：人們經(jīng)常以電子器件的每一次重大變革作為衡量電子技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。1904年出現(xiàn)的半導(dǎo)體器件（如真空三極管）稱為第一代，1948年出現(xiàn)的半導(dǎo)體器件（如半導(dǎo)體三極管）稱為第二代，1959年出現(xiàn)的集成電路稱為第三代，而1974年出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路，則稱為第四代?？梢灶A(yù)料，隨著集成工藝的發(fā)展，電子技術(shù)將日益廣泛地應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)方面。4.1.2集成電路的特點(diǎn)及分類

與分立元件電路相比，集成電路具有以下突出特點(diǎn)：體積小，重量輕；可靠性高，壽命長(zhǎng)；速度高，功耗低；成本低。

按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可將集成電路分成不同種類。

①按集成電路的制造工藝不同可分為半導(dǎo)體集成電路（又分雙極型集成電路和MOS型集成電路）、薄膜集成電路和混合集成電路。

②按集成電路功能的不同，可分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路和微波集成電路。

③集成規(guī)模又稱集成度，是指集成電路內(nèi)所含元器件的個(gè)數(shù)。按集成度的大小，集成電路可分為：小規(guī)模集成電路（SSI），內(nèi)含元器件數(shù)小于100；中規(guī)模集成電路（MSI），內(nèi)含元器件數(shù)為100～1000個(gè)；大規(guī)模集成電路（LSI），內(nèi)含元器件數(shù)為1000～10000個(gè)；超大規(guī)模集成電路（VLSI），內(nèi)含元器件數(shù)為10000～100000個(gè)。集成電路的集成化程度仍在不斷地提高，目前，已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)含上億個(gè)元器件的集成電路。

集成運(yùn)放有4種分類方法：按供電電源分類，有雙電源和單電源集成運(yùn)放；按制作工藝分類，有雙極型、單極型和雙極-單極兼容型集成運(yùn)放；按級(jí)數(shù)分類，有單運(yùn)放、雙運(yùn)放、三運(yùn)放和四運(yùn)放；按用途分類，有通用型和專用型兩大類。下面簡(jiǎn)要介紹通用型和專用型集成運(yùn)放。

（1）通用型集成運(yùn)放。通用型集成運(yùn)放的參數(shù)指標(biāo)比較均衡、全面，適用于一般的工程設(shè)計(jì)。一般認(rèn)為，在沒(méi)有特殊參數(shù)要求情況下工作的集成運(yùn)放均可列為通用型。由于通用型集成運(yùn)放應(yīng)用范圍寬、產(chǎn)量大，因而價(jià)格便宜。作為一般應(yīng)用，首先考慮選擇通用型集成運(yùn)放。

（2）專用型集成運(yùn)放。這類集成運(yùn)放是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的，其參數(shù)中往往有一項(xiàng)或幾項(xiàng)非常突出。主要有：低功耗或微功耗集成運(yùn)放，電源電壓在±15V時(shí)，功耗小于6mW，甚至達(dá)到μW級(jí)；高速集成運(yùn)放，在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中使用；帶寬集成運(yùn)放，一般增益帶寬積應(yīng)大于10MHz；高精度集成運(yùn)放，其特點(diǎn)是高放大培數(shù)、高共模抑制比、低偏流、低溫漂、低噪聲等；高電壓集成運(yùn)放，正常輸出電壓大于±22V。此外，還有功率型、高輸入阻抗、電流型、跨導(dǎo)型、程控型、低噪聲集成運(yùn)放以及集成電壓跟隨器等。4.1.3集成電路制造工藝簡(jiǎn)介

在集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中，在直徑為3～10mm的硅片上，同時(shí)制造幾百甚至幾千個(gè)電路。人們稱這個(gè)硅晶片為基片，稱每一塊電路為管芯，如下圖所示。

圖4-1基片與管芯圖圖4-2集成電路的剖面及外形圖

基片制成后，再經(jīng)劃片、壓焊、測(cè)試、封裝后成為產(chǎn)品。下圖（a）、（b）所示為圓殼式集成電路的剖面圖及外形，圖（c）、（d）所示為雙列直插式集成電路的剖面圖及外形。1.幾個(gè)工藝名詞

集成電路的制造工藝較為復(fù)雜，在制造過(guò)程中需要很多道工序，現(xiàn)將制造過(guò)程中的幾個(gè)主要工藝名詞介紹如下：

（1）氧化：在溫度為800～1200oC的氧氣中使半導(dǎo)體表面形成SiO2薄層，以防止外界雜質(zhì)的污染。（2）光刻與掩模：制作過(guò)程中所需的版圖稱為掩模，利用照相制版技術(shù)將掩模刻在硅片上稱為光刻。

（3）擴(kuò)散：在1000oC左右的爐溫下，將磷、砷、或硼等元素的氣體引入擴(kuò)散爐，經(jīng)一定時(shí)間形成雜質(zhì)濃度一定的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。每次擴(kuò)散完畢都要進(jìn)行一次氧化，以保護(hù)硅片的表面。

（4）外延：在半導(dǎo)體基片上形成一個(gè)與基片結(jié)晶軸同晶向的半導(dǎo)體薄層，稱為外延生長(zhǎng)技術(shù)。所形成的薄層稱為外延層，其作用是保證半導(dǎo)體表面性能均勻。

（5）蒸鋁：在真空中將鋁蒸發(fā)，沉積在硅片表面，為制造連線或引線作準(zhǔn)備。

2.集成電路中元件的特點(diǎn)

與分立元件相比，集成電路中的元件有如下特點(diǎn)：

（1）具有良好的對(duì)稱性。由于元件在同一硅片上用相同的工藝制造，且因元件很密集而環(huán)境溫度差別很小，所以元件的性能比較一致，而且同類元件溫度對(duì)稱性也較好。

（2）電阻與電容的數(shù)值有一定的限制。由于集成電路中電阻和電容要占用硅片的面積，且數(shù)值愈大，占用面積也愈大。因而不易制造大電阻和大電容。因此，電阻阻值范圍為幾十歐～幾千歐，電容容量一般小于100pF。

（3）縱向晶體管的β值大；橫向晶體管的β值小，但PN結(jié)耐壓高。（4）用有源元件取代無(wú)源元件。由于縱向NPN管占用硅片面積小且性能好，而電阻和電容占用硅片面積大且取值范圍窄，因此，在集成電路的設(shè)計(jì)中盡量多采用NPN型管，而少用電阻和電容。4.2集成運(yùn)放的基本組成及功能

內(nèi)部組成：即集成運(yùn)放的內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。它通常包含4個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路，如圖所示。

圖4-3集成運(yùn)放的基本組成

集成運(yùn)放的基本組成

輸入級(jí)：由差動(dòng)放大電路組成。它具有很高的輸入電阻，并能很好地克服零點(diǎn)漂移。中間級(jí)：由一至二級(jí)直接耦合的共發(fā)射級(jí)電路構(gòu)成。信號(hào)的放大主要是在這一級(jí)完成，因此它的電壓放大倍數(shù)非常高。

輸出級(jí)：大多采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（將在第8章介紹）。因此，電路的輸出電阻很低、輸出功率大、帶負(fù)載能力強(qiáng)。

偏置電路：的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。各個(gè)放大級(jí)對(duì)偏置電流的要求各不相同。對(duì)于輸入級(jí)，通常要求提供一個(gè)比較?。ㄒ话銥槲布?jí)）的偏置電流，而且非常穩(wěn)定，以便提高集成運(yùn)放的輸入電阻，降低輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流及其溫漂等等。在集成電路中，大多采用電流源的形式作為偏置電路。1.鏡像電流源

圖中T1管和T2管具有完全相同的輸入特性和輸出特性，且由于兩管的b、e極分別相連，UBE1=UBE2，IB1=IB2，因而就像照鏡子一樣，T2管的集電極電流和T1管的相等，所以該電路稱為鏡像電流源。由圖可知，T1管的b、c極相連，T1管處于臨界放大狀態(tài)，電阻R中電流IR為基準(zhǔn)電流，表達(dá)式為4.2.1偏置電路—電流源

在電子電路中，特別是模擬集成電路中，廣泛使用不同類型的電流源。它的第一個(gè)用途是為各種基本放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流；第二個(gè)用途是用作放大電路的有源負(fù)載。下面討論幾種常見(jiàn)的電流源。圖4-4鏡像電流源2.微電流源

為了得到微安級(jí)的輸出電流，同時(shí)又希望電阻值不太大，可以在鏡像電流源的基礎(chǔ)上，在T1的射極電路接入電阻RE，如圖所示。這種電流源稱為微電流源。當(dāng)基準(zhǔn)電流IR一定時(shí)，IC1可確定如下：因?yàn)?/p>

所以得到：圖4-5微電流源4.2.2輸入級(jí)——差分放大電路

差分放大電路（也稱差動(dòng)放大電路），其功能是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。

選為輸入級(jí)的緣由：由于集成運(yùn)放的內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路，因此必須解決零漂問(wèn)題，電路才能實(shí)用。雖然集成電路中元器件參數(shù)分散性大，但是相鄰元器件參數(shù)的對(duì)稱性卻比較好。差動(dòng)放大電路就是利用這一特點(diǎn)，采用參數(shù)相同的三極管來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而有效地抑制零漂。在集成運(yùn)放中多以差分放大電路作為輸入級(jí)。差分放大電路常見(jiàn)的形式有三種：基本形式、長(zhǎng)尾式和恒流源式。1.基本形式的差分放大電路

圖4-6基本形式差分放大電路

將兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的單管放大電路組合在一起，就組成差分放大電路的基本形式，如圖4-6所示。（1）兩種輸入信號(hào)類型

差模輸入信號(hào)：在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號(hào)，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸入方式下，差分放大電路總的輸入信號(hào)稱為差模輸入信號(hào)，用uid表示，uid為兩輸入端輸入信號(hào)之差，即或者圖4-7差模輸入電路（1）兩種輸入信號(hào)類型

共模輸入信號(hào)：在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等、極性相同的信號(hào)，即ui1=ui2，這種輸入方式稱為共模輸入，所輸入的信號(hào)稱為共模輸入信號(hào)，用uic表示。uic與兩輸入端的輸入信號(hào)有以下關(guān)系圖4-8共模輸入電路

特別指出：當(dāng)差分放大電路的兩個(gè)輸入端輸入的信號(hào)大小不等時(shí)，可將其分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)。由于差模信號(hào)uid=ui1–ui2，共模信號(hào)uic可以寫為：

于是，加在兩輸入端上的信號(hào)可分解為：

（2）兩種電壓放大倍數(shù)

差模電壓放大倍數(shù)：差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù)叫做差模電壓放大倍數(shù)，用Aud表示，以圖4-7所示差模輸入電路為例，假設(shè)兩邊單管放大電路完全對(duì)稱，且每一邊單管放大電路的電壓放大倍數(shù)為Au，可以推出當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，Aud為：

上式表明，差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同?？梢钥闯?，差分放大電路的特點(diǎn)是，多用一個(gè)放大管后，雖然電壓放大倍數(shù)沒(méi)有增加，但是換來(lái)了對(duì)零漂的抑制。圖4-7差模輸入電路

共模電壓放大倍數(shù)：差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)叫做共模電壓放大倍數(shù)，用Auc表示，以圖4-8所示共模輸入電路為例，可以推出，當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，Auc為：

上式表明，差分放大電路對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大作用。因?yàn)楣材Ｐ盘?hào)就是由于外界干擾而產(chǎn)生的有害信號(hào)如零漂信號(hào)（為什么？），必須加以抑制。

綜上所述：差分放大電路對(duì)有效的差模信號(hào)有放大作用，而對(duì)無(wú)效的共模信號(hào)有抑制作用，也就是說(shuō)，要想放大輸入信號(hào)，必須使兩輸入端的信號(hào)有差別，正所謂“輸入有差別，輸出才有變動(dòng)”，差動(dòng)放大電路由此得名。

（3）共模抑制比

差分放大電路的共模抑制比為：差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，一般用對(duì)數(shù)表示，單位為分貝（dB），用符號(hào)KCMR表示。其表達(dá)式為：

物理意義：共模抑制比描述差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)即零漂的抑制能力。KCMR愈大，說(shuō)明抑制零漂的能力愈強(qiáng)。在理想情況下，差分放大電路兩側(cè)的參數(shù)完全對(duì)稱，兩管輸出端的零漂完全抵消，則共模電壓放大倍數(shù)Auc=0，共模抑制比KCMR=∞。

基本形式的差分放大電路小結(jié)：

存在的問(wèn)題：其一，對(duì)于基本形式的差分放大電路而言，由于內(nèi)部參數(shù)不可能絕對(duì)匹配，所以輸出電壓uO仍然存在零點(diǎn)漂移，共模抑制比很低。其二，從每個(gè)三極管的集電極對(duì)地電壓來(lái)看，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒(méi)有改善。

因此在實(shí)際工作中一般不采用這種基本形式的差動(dòng)放大電路，而是在此基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，組成了長(zhǎng)尾式差分放大電路。解決方法2.長(zhǎng)尾式差分放大電路

（1）電路組成

在基本差分放大電路的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)放大管發(fā)射極接入一個(gè)發(fā)射極電阻Re，如圖4-9所示。這個(gè)電阻像一條“長(zhǎng)尾”，所以這種電路稱為長(zhǎng)尾式差分放大電路。

圖4-9長(zhǎng)尾式差分放大電路

基本形式的差分放大電路

圖4-9長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路

長(zhǎng)尾電阻Re對(duì)共模信號(hào)影響：假設(shè)在電路輸入端加上正的共模信號(hào)，則兩個(gè)管子的集電極電流iC1、iC2同時(shí)增加，使流過(guò)發(fā)射極電阻Re的電流iE增加，于是發(fā)射極電位uE升高，從而兩管的uBE1、uBE2降低，進(jìn)而限制了iC1、iC2的增加。即長(zhǎng)尾電阻Re的接入對(duì)共模信號(hào)具有具有抑制作用。

長(zhǎng)尾電阻Re對(duì)差模信號(hào)的影響：對(duì)于差模輸入信號(hào)，由于兩管的輸入信號(hào)幅度相等而極性相反，所以iC1增加多少，iC2就減少同樣的數(shù)量，因而流過(guò)Re的電流總量保持不變，即△uE=0，所以長(zhǎng)尾Re對(duì)差模輸入信號(hào)無(wú)影響。

圖4-9長(zhǎng)尾式差分放大電路

【結(jié)論】：長(zhǎng)尾電阻Re的接入使共模放大倍數(shù)減小，降低了每個(gè)管子的零點(diǎn)漂移，但對(duì)差模放大倍數(shù)沒(méi)有影響，因此提高了電路的共模抑制比。Re愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，隨著Re的增大，Re上的直流壓降將愈來(lái)愈大。為此，在電路中引入一個(gè)負(fù)電源VEE來(lái)補(bǔ)償Re上的直流壓降，以免輸出電壓變化范圍太小。引入VEE后，靜態(tài)基極電流可由VEE提供，因此可以不接基極電阻Rb，如圖所示。

長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路

（2）靜態(tài)分析靜態(tài)時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故設(shè)：

IBQ1=IBQ2=IBQICQ1=ICQ2=ICQUBEQ1=UBEQ2=UBEQUCQ1=UCQ2=UCQ

β1=β2=β

長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路

（2）靜態(tài)分析

由三極管的基極回路可得：

IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE

則靜態(tài)基極電流為：

靜態(tài)集電極電流和電位為：

ICQ≈βIBQ

UCQ=VCC

-

ICQ

Rc(對(duì)地)

靜態(tài)基極電位為：

UBQ=-

IBQR(對(duì)地)

長(zhǎng)尾式差分放大電路

（3）動(dòng)態(tài)分析

畫交流通路：當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，由于兩管的輸入電壓大小相等、方向相反，流過(guò)兩管的電流也大小相等、方向也相反，結(jié)果使得長(zhǎng)尾電阻Re上的電流變化為零，則uE=0。可以認(rèn)為：Re對(duì)差模信號(hào)呈短路狀態(tài)。交流通路和微變等效電路分別如圖4-10（a）和（b）所示。

（a）長(zhǎng)尾式差分放大電路的交流通路（b）長(zhǎng)尾式差分放大電路的交流微變等效電路

（3）動(dòng)態(tài)分析

從兩管輸入端向里看，差模輸入電阻為

兩管集電極之間的輸出電阻為

其中：RL/=Rc//（RL/2）

【例4-1】

在圖4-11所示差分放大電路中，已知VCC=VEE=12V，三極管的β=50，UBEQ=0.7V，Rc=30kΩ，R

e=27kΩ，R=10kΩ，RP=500Ω，設(shè)RP的抽頭調(diào)在中間位置，負(fù)載電阻RL=20kΩ。試估算該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、差模電壓放大倍數(shù)Aud、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。

解：由三極管的基極回路可知：圖4-11接有調(diào)零電位器的長(zhǎng)尾式差分放大電路則

放大電路中引入Re對(duì)差模電壓放大倍數(shù)沒(méi)有影響，但調(diào)零電位器RP中只流過(guò)一個(gè)三極管的電流，因此將使差模電壓放大倍數(shù)降低。放大電路的交流通路如圖4-12所示。圖4-12圖4-11電路的交流通路根據(jù)圖4-12可求得差模電壓放大倍數(shù)為：式中，

則

差模輸入電阻為：

輸出電阻為：

長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路

長(zhǎng)尾電路存在的問(wèn)題：在長(zhǎng)尾式差分放大電路中，Re越大，抑制零漂能力越強(qiáng)。但Re的增大是有限的，原因有兩個(gè)：一是在集成電路中難于制作大電阻；二是在同樣的工作電流下Re越大，所需VEE將越高。為此，可以考慮采用一個(gè)三極管代替原來(lái)的長(zhǎng)尾電阻Re。

用有源元件提供大電阻：在三極管輸出特性的恒流區(qū)，當(dāng)集電極電壓有一個(gè)較大的變化量△uCE時(shí)，集電極電流iC基本不變。此時(shí)三極管C-E之間的等效電阻rCE（趨于∞）的值很大。用恒流三極管充當(dāng)一個(gè)阻值很大的長(zhǎng)尾電阻RE，既可在不用大電阻的條件下有效地抑制零漂，又適合集成電路制造工藝中用三極管代替大電阻的特點(diǎn)，因此，這種方法在集成運(yùn)放中被廣泛采用。解決方案：3.恒流源式差分放大電路

由圖可見(jiàn)，恒流管T3的基極電位由Rb1、Rb2分壓后得到，可認(rèn)為基本不受溫度變化的影響，則當(dāng)溫度變化時(shí)T3的發(fā)射極電位和發(fā)射極電流也基本保持穩(wěn)定，而兩個(gè)放大管的集電極電流iC1和iC2之和近似等于iC3，所以iC1和iC2將不會(huì)因溫度的變化而同時(shí)增大或減小，可見(jiàn)，接入恒流三極管后，抑制了共模信號(hào)的變化。圖4-11恒流源式差分放大電路3.恒流源式差分放大電路圖4-11恒流源式差分放大電路

簡(jiǎn)化畫法：有時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，常常不把恒流源式差分放大電路中恒流管T3的具體電路畫出，而采用一個(gè)簡(jiǎn)化的恒流源符號(hào)來(lái)表示，如圖4-12所示。

圖4-12恒流源差分電路的簡(jiǎn)化畫法4.差分放大電路的4種接法

差分放大電路有兩個(gè)放大三極管，它們的基極和集電極分別是放大電路的兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。差分放大電路的輸入、輸出端可以有4種不同的接法，即雙端輸入—雙端輸出、雙端輸入—單端輸出、單端輸入—雙端輸出，單端輸入—單端輸出。下面以長(zhǎng)尾式差分放大電路為例介紹不同接法的性能。

長(zhǎng)尾式差分放大電路

（1）雙端輸入—雙端輸出

雙入—雙出方式差模電壓放大倍數(shù)Aud為：

共模電壓放大倍數(shù)為：

Auc=0

差模輸入電阻Rid為：

Rid=2（Rb+rbe）輸出電阻為：Ro=2Rc

應(yīng)用：雙端輸入—雙端輸出適用于輸入、輸出都不需接地，對(duì)稱輸入、對(duì)稱輸出的場(chǎng)合。

（2）雙端輸入—單端輸出

雙入—單出方式

差模電壓放大倍數(shù)Aud為：

共模電壓放大倍數(shù)為：

輸出電阻為：Ro=2Rc

應(yīng)用：雙端輸入—單端輸出適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出的場(chǎng)合。

（3）單端輸入—雙端輸出

單入—雙出方式

當(dāng)忽略電路對(duì)共模信號(hào)的放大作用時(shí)，單端輸入就可等效為雙端輸入情況，故雙端輸入—雙端輸出的結(jié)論均適用單端輸入—雙端輸出。

應(yīng)用：這種接法的特點(diǎn)是可把單端輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端輸出，作為下一級(jí)的差動(dòng)輸入，適用于負(fù)載兩端任何一端不接地，而且輸出正負(fù)對(duì)稱性好的情況。

（4）單端輸入—單端輸出

單入—單出方式

單端輸入—單端輸出差動(dòng)放大電路如圖所示。按前面同樣的方法，可得出它與雙端輸入—單端輸出等效。

應(yīng)用：這種接法的特點(diǎn)是，它比單管基本放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力，而且可根據(jù)不同的輸出端，得到同相或反相關(guān)系。4.差分放大電路的4種接法

總結(jié)：

（1）差分放大電路的主要性能指標(biāo)僅與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無(wú)關(guān)。（2）差分放大電路雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)就是半邊差模等效電路的電壓放大倍數(shù)，而單端輸出時(shí)，則是半邊差模等效電路電壓放大倍數(shù)的一半。（3）差模輸入電阻不管是雙端輸入還是單端輸入方式，都是半邊差模等效電路輸入電阻的兩倍。而輸出電阻在單端輸出時(shí)，Ro=Rc；在雙端輸出時(shí)，Ro=2Rc。表4-1差分放大電路四種接法之性能比4.2.3中間級(jí)—采用有源負(fù)載的共射放大電路

采用有源負(fù)載的理由：中間級(jí)的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，為此，不僅要求中間級(jí)本身具有較高的電壓增益，同時(shí)為了減少對(duì)前級(jí)的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。共射放大電路（或共源放大電路，此處以共射放大電路為例）具有較高的電壓放大倍數(shù)，而且，為了提高電壓放大倍數(shù)，比較有效地方法是增大集電極電阻Rc。然而，一方面集成電路的工藝不便于制造大電阻；另一方面，為了維持放大管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc的同時(shí)必須提高電源電壓，當(dāng)電源電壓增大到一定程度時(shí)，電路的設(shè)計(jì)就變得不合理了。

由前面對(duì)恒流源式差分放大電路的介紹可知，當(dāng)三極管工作在放大區(qū)（也稱恒流區(qū)）時(shí)，c-e之間的等效電阻rce的值很大。因此，在集成運(yùn)放中，常采用由三極管構(gòu)成的電流源取代Rc，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可得到很大的等效的Rc。由于三極管和場(chǎng)效應(yīng)管均為有源器件，而上述電路中又以它們作為負(fù)載，故稱之為有源負(fù)載。另外，中間級(jí)的放大管有時(shí)采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式，這樣不僅可以得到很高的電流放大系數(shù)β，以便提高本級(jí)的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級(jí)的輸入電阻，以免對(duì)前級(jí)放大倍數(shù)產(chǎn)生不良的影響，特別是在前級(jí)采用有源負(fù)載時(shí)，其效果是提高了集成運(yùn)放總的電壓放大倍數(shù)。1.復(fù)合管的接法及其β和rbe

復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管組合而成。復(fù)合管的接法有多種，它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。例如在圖中，圖（a）和（b）分別由兩個(gè)同為NPN型或同為PNP型的三極管組成，但圖（c）和（d）中的復(fù)合管卻由不同類型的三極管組成。

圖4-16復(fù)合管的接法2.由復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路

左圖所示為利用復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路。其中三極管T1和T2組成的NPN型復(fù)合管是放大管，T3管是復(fù)合管得有源負(fù)載。T3與T4組成鏡像電流源，作為偏置電路，負(fù)責(zé)為放大管提供合適的集電極直流偏置電流ICQ。由圖可得，基準(zhǔn)電流IREF由VCC、T4和R支路產(chǎn)生，其表達(dá)式為

根據(jù)基準(zhǔn)電流IREF，即可確定放大管的集電極靜態(tài)電流ICQ。當(dāng)β＞＞2時(shí)，ICQ≈IREF。圖4-17由復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路4.2.4輸出級(jí)—功率放大電路

集成運(yùn)放的輸出級(jí)向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。1.功率放大電路的特點(diǎn)

①因?yàn)樾盘?hào)的幅度放大在前置電路中已經(jīng)完成，所以功率放大電路對(duì)電壓放大倍數(shù)并無(wú)要求。由于發(fā)射極輸出器的輸出電流較大，能使負(fù)載獲得較大的輸出功率，并且它的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，因此通常采用發(fā)射極輸出器作為基本的功率放大電路。不過(guò)單個(gè)的發(fā)射極輸出器對(duì)信號(hào)正、負(fù)半周的跟隨能力不同，在實(shí)際的功率放大電路中大多采用雙管的互補(bǔ)對(duì)稱形式。

②為了能獲得足夠大的不失真輸出功率，功率放大電路中的電壓、電流幅度都很大，輸出信號(hào)容易產(chǎn)生非線性失真，這就需要根據(jù)負(fù)載要求規(guī)定允許的失真度范圍，一般也不采用微變等效電路法進(jìn)行分析。

③為了提高功率放大電路的工作效率，需要盡可能降低其靜態(tài)電流。但靜態(tài)電流太小容易引起輸出信號(hào)的失真，互補(bǔ)對(duì)稱形式的功率放大電路可以克服因不適合的靜態(tài)工作點(diǎn)而引起的非線性失真。2.功率放大電路的三種工作狀態(tài)

低頻功率輸出級(jí)按功率放大電路的工作狀態(tài)，可分為甲類、乙類、甲乙類三種。三種功率放大電路的特點(diǎn)如下。

甲類功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)失真小。其缺點(diǎn)是，三極管有較大的集電極靜態(tài)電流ICQ，這時(shí)管耗PC大，而且甲類功率放大時(shí)，不管有無(wú)輸入信號(hào)，電源供給的功率都是不變的。可以證明，即使在理想情況下，甲類功率放大電路的效率最高只有50%。

如果在甲類功率放大電路的基礎(chǔ)上，把靜態(tài)工作點(diǎn)向下移動(dòng)，使集電極靜態(tài)電流ICQ等于零，這樣就能改變甲類功率放大時(shí)效率低的狀況，這種工作方式下的電路稱為乙類功率放大電路。乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。乙類功率放大電路提高了能量的轉(zhuǎn)換效率，在理想情況下，其效率可達(dá)78.5%，但此時(shí)卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期，僅在半個(gè)周期內(nèi)三極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)，只能對(duì)半個(gè)周期的輸入信號(hào)進(jìn)行放大。

如果將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，使三極管的導(dǎo)通時(shí)間大于輸入信號(hào)的半個(gè)周期，且小于一個(gè)周期，這類工作方式下的電路稱為甲乙類功率放大電路。目前，常用的音頻功率放大電路中，功率放大管多數(shù)工作于甲乙類功率放大狀態(tài)。這種電路的效率略低于乙類功率放大電路，但它克服了乙類功率放大電路的失真問(wèn)題，目前使用較廣泛。3.OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

（1）乙類OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。圖4-18所示為雙電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。它采用由兩個(gè)不同類型的管子構(gòu)成的發(fā)射極輸出器組合而成。VT1是NPN型管，VT2是PNP型管，VT1和VT2的基極連在一起作為輸入端，發(fā)射極連在一起作為輸出端，RL為負(fù)載。電路中正、負(fù)電源對(duì)稱，兩管參數(shù)對(duì)稱。

工作原理：由于兩管都沒(méi)有偏置電阻，故靜態(tài)（ui=0V）時(shí)，兩管都截止，此時(shí)IBQ、ICQ、IEQ均為零，負(fù)載電阻上無(wú)電流通過(guò)，輸出電壓uo=0V。動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)ui為正半周時(shí)，ui＞0V，兩管的基極電位為正，故VT1導(dǎo)通，VT2截止，電流iC1從+VCC流出，經(jīng)VT1后流過(guò)負(fù)載電阻RL，在RL上形成正半周輸出電壓uo＞0V。當(dāng)輸入信號(hào)ui為負(fù)半周時(shí)，ui＜0V，兩管的基極電位為負(fù)，故VT2導(dǎo)通，VT1截止，iC2從?VCC通過(guò)VT2流過(guò)RL，在RL上形成負(fù)半周輸出電壓uo＜0V。圖4-18雙電源乙類互補(bǔ)對(duì)

稱功率放大電路

不難看出，在輸入信號(hào)ui的一個(gè)周期內(nèi)，VT1、VT2輪流導(dǎo)通，而且iC1、iC2流過(guò)負(fù)載電阻的方向相反，從而形成完整的正弦波。由于靜態(tài)時(shí)兩管的靜態(tài)偏置電流均為零，因此這種工作方式稱為乙類功率放大電路。這種電路中的三極管交替工作，組成推挽式電路，兩個(gè)管子互補(bǔ)對(duì)方缺少的另一個(gè)半周，且互相對(duì)稱，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。這種電路又稱為無(wú)輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，即OCL（OutputCapacitor-Less）互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。

乙類功率放大電路中由于靜態(tài)電流為零，因此效率較高；但是它會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真，這是因?yàn)楫?dāng)輸入電壓ui小于管子的死區(qū)電壓時(shí)，兩個(gè)管子均是截止的，這段范圍里的輸出電壓uo=0V，從而在輸出電壓的交越處產(chǎn)生不連續(xù)的間斷點(diǎn)，這種失真稱為交越失真，如圖4-19所示。圖4-19交越失真（2）甲乙類OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。

交越失真是由于管子工作于乙類功率放大狀態(tài)引起的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)用電路都采用甲乙類OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖4-20所示。圖4-20中通過(guò)電阻R1和R2及兩個(gè)二極管為三極管VT1和VT2建立了較小的基極靜態(tài)電流，使它們?cè)陟o態(tài)時(shí)已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這種偏置方式稱為甲乙類功率放大電路。由于三極管已經(jīng)導(dǎo)通，當(dāng)加入輸入電壓ui后，立即會(huì)有輸出電流流過(guò)負(fù)載電阻，負(fù)載電阻上得到的輸出電壓在正負(fù)交替處比較平滑，因此輸出波形將是較為理想的正弦波。圖4-20甲乙類OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率

放大電路（3）主要參數(shù)的估算

下面根據(jù)圖4-20估算OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的主要參數(shù)。①最大輸出功率

如果考慮管子的飽和壓降UCES，則最大輸出功率為：②電源提供的平均功率③

效率④

集電極最大允許電流⑤

集電極最大允許反向電壓U(BR)CEO=2VCC–UCES≈2VCC⑥

每只管子的最大管耗【注意】：（1）以上對(duì)三極管極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO和PTm的估算結(jié)果是在理想情況下得出的。在實(shí)際工作中選用三極管時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗟?。另外，有些大功率的三極管，還必須根據(jù)手冊(cè)上的要求，安裝規(guī)定尺寸的散熱片。（2）由于甲乙類功率放大電路中為了減小靜態(tài)損耗，提高效率，通常靜態(tài)工作點(diǎn)選得很低，因此，甲乙類功率放大電路的工作狀況和乙類的基本相似。上述各參數(shù)對(duì)乙類功率放大電路和甲乙類功率放大電路都適用。4.OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

圖4-20所示的雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中，由于靜態(tài)時(shí)VT1、VT2兩管的發(fā)射極電位為零，故負(fù)載電阻可直接連接發(fā)射極，而不必采用耦合電容。但缺點(diǎn)是需要兩個(gè)獨(dú)立電源，使用很不方便。為了簡(jiǎn)化電路，可采用單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖4-21所示。與圖4-20相比，省去了一個(gè)負(fù)電源（?VCC），在兩管的發(fā)射極與負(fù)載之間增加了電容C，這種電路通常稱為無(wú)輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，即OTL（OutputTransform-Less）互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。圖4-20甲乙類OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率

放大電路圖4-21單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

工作原理：圖4-21電路中，R1、R2為偏置電阻，適當(dāng)選擇R1、R2阻值，可使兩管靜態(tài)時(shí)發(fā)射極電位VE為VCC/2，電容兩端電壓也穩(wěn)定在VCC/2，這樣VT1、VT2兩管的c-e之間如同分別加上了+VCC/2和?VCC/2的電源電壓。

在輸入信號(hào)正半周，VT1導(dǎo)通，VT2截止，VT1以發(fā)射極輸出器形式將正信號(hào)傳送給負(fù)載電阻，同時(shí)對(duì)電容C充電；在輸入信號(hào)負(fù)半周，VT1截止，VT2導(dǎo)通，電容C放電，相當(dāng)于VT2的直流工作電源，此時(shí)VT2也以發(fā)射極輸出器的形式將負(fù)向信號(hào)傳送給負(fù)載電阻。這樣，在負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)完整的信號(hào)波形。

對(duì)于OTL電路各主要參數(shù)的估算，可參照前面對(duì)OCL電路的分析。實(shí)際上，根據(jù)OTL和OCL電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將前述OCL電路各參數(shù)估算公式中的VCC用VCC/2代替，即可得到OTL電路各參數(shù)的估算公式。

由于OTL電路和負(fù)載的連接是阻容耦合，因此它不能放大頻率較低的信號(hào)。而OCL電路和負(fù)載是直接耦合，對(duì)信號(hào)頻率沒(méi)有限制，且易于集成，因此應(yīng)用廣泛。5.由復(fù)合管組成的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

如果集成運(yùn)放輸出端的負(fù)載電流比較大，則必須要求互補(bǔ)對(duì)稱管VT1和VT2是能輸出大電流的三極管。但是，由于輸出大電流的三極管β值一般較低，因此就需要中間級(jí)輸出大的推動(dòng)電流提供給輸出級(jí)。在集成運(yùn)放中，中間級(jí)一般用于電壓放大，很難輸出大的電流。為了解決這一矛盾，一般輸出級(jí)采用由復(fù)合管構(gòu)成的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖4-22所示。這種互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路有一個(gè)缺點(diǎn)，大功率三極管VT3為NPN型，而VT4為PNP型，它們的類型不同，很難做到特性互補(bǔ)對(duì)稱。圖4-22由復(fù)合管組成的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可使VT3和VT4采用同一類型甚至同一型號(hào)的三極管，例如，二者均為NPN型，而VT2則用另一類型的三極管，如PNP型，如圖4-23所示。此時(shí)VT2和VT4組成的復(fù)合管為PNP型，可與VT1和VT3組成的NPN型復(fù)合管實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。這種電路稱為準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。圖4-23中接入電阻Re1和Rc2是為了調(diào)整功率管VT3和VT4的靜態(tài)工作點(diǎn)。

圖4-23由復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路4.3集成運(yùn)放的性能指標(biāo)4.3.1雙極型集成運(yùn)放F007

圖4-24F007電路原理圖F007屬于第二代通用型集成運(yùn)放，目前應(yīng)用比較廣泛。常見(jiàn)的F007外形為圓殼式，共有12個(gè)引腳。圖4-24所示為F007的電路原理圖，電路包括4個(gè)部分：偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)。

（1）偏置電路。由VT8～VT13以及電阻R4、R5等組成，其作用是為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

（2）輸入級(jí)。包括由VT1、VT2、VT3和VT4組成的共集-共基差分放大電路，以及由VT5和VT6組成的有源負(fù)載，以代替負(fù)載電阻Rc。差分輸入信號(hào)由VT1、VT2的基極送入，從VT4的集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。輸入級(jí)的主要作用是減小零漂，提高共模抑制比。

（3）中間級(jí)。中間級(jí)的放大管是由VT16、VT17組成的復(fù)合管，VT13作為其有源負(fù)載。所以中間級(jí)不僅能提供很高的電壓放大倍數(shù)，還具有很高的輸入電阻，避免降低前級(jí)的電壓放大倍數(shù)。

（4）輸出級(jí)。由VT14、VT18和VT19組成。NPN型三極管VT14與由VT18和VT19組成的PNP型復(fù)合管構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，特性比較容易匹配。輸出級(jí)采用這種準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要是為了提高運(yùn)放的輸出功率和帶負(fù)載能力。4.3.2集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo):

集成運(yùn)放性能的好壞，可用其性能指標(biāo)來(lái)衡量。為了合理正確地選擇和使用運(yùn)放，必須明確其性能指標(biāo)的意義。（1）開(kāi)環(huán)差模電壓增益AodAod是指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下的直流差模增益，一般用對(duì)數(shù)表示，單位為分貝（dB）。它是頻率的函數(shù)，也是影響運(yùn)算精度的重要參數(shù)。一般運(yùn)放的Aod為60dB～120dB，性能較好的運(yùn)放Aod＞140dB。（2）共模抑制比共模抑制比是指運(yùn)放的差模電壓增益Aud與共模電壓增益Auc之比，一般也用對(duì)數(shù)表示。一般運(yùn)放的KCMR為80～160dB。該指標(biāo)用以衡量集成運(yùn)放抑制零漂的能力。

（3）差模輸入電阻Rid

該指標(biāo)是指開(kāi)環(huán)情況下，輸入差模信號(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。其定義為差模輸入電壓UId與相應(yīng)的輸入電流Iid的變化量之比。Rid用以衡量集成運(yùn)放向信號(hào)源索取電流的大小。該指標(biāo)越大越好，一般運(yùn)放的Rid為10kΩ～3MΩ。

（4）輸入失調(diào)電壓Uio

它的定義是，為了使運(yùn)放在零輸入時(shí)零輸出，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。Uio實(shí)際上就是輸出失調(diào)電壓折合到輸入端電壓的負(fù)值，其大小反映了運(yùn)放電路的對(duì)稱程度。Uio越小越好，一般為±（0.1～10）mV。

（5）最大差模輸入電壓Uidm

這是集成運(yùn)放反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。若超過(guò)這個(gè)限度，輸入級(jí)差分對(duì)管中的一個(gè)管子的發(fā)射結(jié)可能被反向擊穿。若輸入級(jí)由NPN管構(gòu)成，則其Uidm約為±5V，若輸入級(jí)含有橫向PNP管，則UIdm可達(dá)±30V以上。4.4理想運(yùn)算放大器4.4.1什么是理想運(yùn)放

在分析集成運(yùn)放的各種應(yīng)用電路時(shí)，常常將其中的集成運(yùn)放看成是一個(gè)理想的運(yùn)算放大器。所謂理想運(yùn)放就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)為：

開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod=∞；

差模輸入電阻Rid=∞；

輸出電阻Ro=0；

共模抑制比KCMR=∞；

上限截止頻率fH=∞；輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及它們的零漂均為零。說(shuō)明：

實(shí)際的集成運(yùn)放當(dāng)然達(dá)不到上述理想化的技術(shù)指標(biāo)。但由于集成運(yùn)放工藝水平的不斷提高，集成運(yùn)放產(chǎn)品的的各項(xiàng)性能指標(biāo)愈來(lái)愈好。因此，一般情況下，在分析估算集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，將實(shí)際運(yùn)放看成理想運(yùn)放所造成的誤差，在工程上是允許的。后面的分析中，如無(wú)特別說(shuō)明，均將集成運(yùn)放作為理想運(yùn)放進(jìn)行討論。

1.理想運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)

在各種應(yīng)用電路中集成運(yùn)放的工作狀態(tài)可能有線性和非線性兩種狀態(tài)，在其傳輸特性曲線上對(duì)應(yīng)兩個(gè)區(qū)域，即線性區(qū)和非線性區(qū)。集成運(yùn)放的電路符號(hào)和電壓傳輸特性分別如圖（a）和（b）所示。

圖4-25運(yùn)放的電壓傳輸特性及符號(hào)4.4.2運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)及理想運(yùn)放的特點(diǎn)

同相輸入和反相輸入：由圖（a）所示電路符號(hào)可以看出，運(yùn)放有同相和反相兩個(gè)輸入端，分別對(duì)應(yīng)其內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)的兩個(gè)輸入端，u+代表同相輸入端電壓，u-代表反相輸入端電壓，輸出電壓uo與u+具有同相關(guān)系，與u-具有反相關(guān)系。

電壓傳輸特性分析：運(yùn)放的差模輸入電壓uid=（u+-u-）。圖（b）中，虛線代表實(shí)際運(yùn)放的傳輸特性，實(shí)線代表理想運(yùn)放?？梢钥闯?，線性工作區(qū)非常窄，當(dāng)輸入端電壓的幅度稍有增加，則運(yùn)放的工作范圍將超出線性放大區(qū)而到達(dá)非線性區(qū)。運(yùn)放工作在不同狀態(tài)，其表現(xiàn)出的特性也不同，下面分別討論。2.理想運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)下的特點(diǎn)

（1）線性特點(diǎn)

當(dāng)工作在線性區(qū)時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即：

式中uo是集成運(yùn)放的輸出端電壓；u+

和u-分別是其同相輸入端和反相輸入端電壓；Aod是其開(kāi)環(huán)差模電壓增益。

①理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零

由于運(yùn)放工作在線性區(qū)，故輸出、輸入電壓之間符合上式。而且，因理想運(yùn)放的Aod=∞，所以由式可得：即虛短

②理想運(yùn)放的輸入電流等于零

由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻Rid=∞，因此在其兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即在圖（a）中，有虛斷線性特點(diǎn)說(shuō)明：

關(guān)于“虛短”：實(shí)際集成運(yùn)放的Aod≠∞，因此u+與u-不可能完全相等。但是當(dāng)Aod足夠大時(shí)，集成運(yùn)放的差模輸入電壓（u+-u-）的值很小，可以忽略。例如，在線性區(qū)內(nèi)，當(dāng)uo=10V時(shí)，若Aod=105，則u+-u-=0.1mV；若Aod=107，則u+-u-=1μV?？梢?jiàn)，在一定的uo值下，集成運(yùn)放的Aod愈大，則u+

與u-的差值愈小，將兩點(diǎn)視為短路所帶來(lái)的誤差也愈小。

理想運(yùn)放線性特點(diǎn)的應(yīng)用：虛短和虛斷是理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要特點(diǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)常常作為今后分析運(yùn)放應(yīng)用電路的出發(fā)點(diǎn)，因此必須牢固掌握。（2）非線性狀態(tài)特點(diǎn)

如果運(yùn)放的工作信號(hào)超出了線性放大的范圍，則輸出電壓與輸入電壓不再滿足式線性關(guān)系，uo將達(dá)到飽和。

①理想運(yùn)放的輸出電壓uo只有兩種取值等于運(yùn)放的正向最大輸出電壓+UOM，或等于其負(fù)向最大輸出電壓-UOM。即當(dāng)u

+＞u-時(shí)，uo=+UOM

當(dāng)u

+＜u-時(shí)，uo=-UOM

②理想運(yùn)放的輸入電流等于零因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的Rid=∞，故在非線性區(qū)仍滿足輸入電流等于零，即“i+=i-=0”。運(yùn)放工作狀態(tài)小結(jié)：

如上所述，理想運(yùn)放工作在不同狀態(tài)時(shí)，其表現(xiàn)出的特點(diǎn)也不相同。因此，在分析各種應(yīng)用電路時(shí)，首先必須判斷其中的集成運(yùn)放究竟工作在哪種狀態(tài)。

集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod通常很大，如不采取適當(dāng)措施，即使在輸入端加一個(gè)很小的電壓，仍有可能使集成運(yùn)放超出線性工作范圍。為了保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，一般情況下，必須在電路中引入深度負(fù)反饋，以減小直接施加在運(yùn)放兩個(gè)輸入端的凈輸入電壓。

所謂反饋，就是將放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定的電路形式（反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到它的輸入端來(lái)影響輸入量（電壓或電流）的連接方式。

圖4-26反饋電路的方框圖1.反饋的基本概念4.5放大電路中的反饋4.5.1反饋的基本概念、分類及判別方法Xi

——輸入信號(hào)，由前級(jí)電路提供；Xf——反饋信號(hào)，是反饋電路從輸出端取樣后送回到輸入端的信號(hào)；Xi/——是輸入信號(hào)Xi與反饋信號(hào)Xf在輸入端疊加后的凈輸入信號(hào)；Xo

——輸出信號(hào)；取樣——從輸出端取出信號(hào)的過(guò)程；比較——Xi與Xf的疊加過(guò)程；閉環(huán)放大電路（或閉環(huán)系統(tǒng)）——引入了反饋的放大電路；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)——未引入反饋的放大電路叫做開(kāi)環(huán)放大電路。2.反饋的分類及判別方法有無(wú)反饋的判斷：

判斷方法：尋找電路中有無(wú)反饋通路。只有首先判斷出電路中存在反饋，繼而才能進(jìn)一步分析反饋的類型。舉例：

圖4-27有無(wú)反饋的判斷（1）正反饋和負(fù)反饋

定義：按照反饋量的極性分類。以右圖為例，如果反饋量Xf增強(qiáng)了凈輸入量Xi

/

，使輸出量有所增大，稱為正反饋。反之，如果反饋量Xf削弱了凈輸入量Xi/

，使輸出量有所減小，則稱為負(fù)反饋。判斷方法——瞬時(shí)極性法：

（1）首先假設(shè)輸入信號(hào)某一時(shí)刻的瞬時(shí)極性為正（用“+”表示）或負(fù)（用“-”表示），“+”號(hào)表示該瞬間信號(hào)有增大的趨勢(shì)，“-”則表示有減小的趨勢(shì)。（2）根據(jù)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位關(guān)系，逐步推斷電路有關(guān)各點(diǎn)此時(shí)的極性，最終確定輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性。（3）再根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的連接情況（串聯(lián)與并聯(lián)），分析凈輸入量的變化，如果反饋信號(hào)使凈輸入量增強(qiáng)，即為正反饋，反之為負(fù)反饋。舉例：

圖4-28（a）、（b）所示為由集成運(yùn)放構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，其中圖（a）中通過(guò)電阻R2和R1在運(yùn)放的反相輸入端引入了負(fù)反饋；圖（b）中通過(guò)電阻R2和R1在運(yùn)放的同相輸入端引入了正反饋。由此可知，對(duì)于單個(gè)集成運(yùn)放，若通過(guò)純電阻網(wǎng)絡(luò)將反饋引到反相輸入端，則為負(fù)反饋；引到同相輸入端，則為正反饋。

圖4-28正負(fù)反饋的判斷

圖（c）所示為由分立元件構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)瞬時(shí)極性法，假設(shè)交流信號(hào)源uS瞬時(shí)極性為“+”，則基極電位也瞬時(shí)為“+”，ib電流如圖中虛線所示，集電極電位對(duì)地瞬時(shí)為“?”，所以u(píng)o在電阻RF上產(chǎn)生的電流if的方向是從基極流向集電極，且有增大的趨勢(shì)，而凈輸入電流ib=ii?if，顯然反饋的結(jié)果使凈輸入電流減小，所以此電路引入的是負(fù)反饋。（2）直流反饋和交流反饋

定義：按照反饋量中包含交、直流的成分的不同，有直流反饋和交流反饋之分。如果反饋量中只含有直流成分，稱為直流反饋。如果反饋量中只含交流成分，稱為交流反饋。在集成運(yùn)放反饋電路中，往往是兩者兼有。直流負(fù)反饋的主要作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；交流負(fù)反饋則影響電路的動(dòng)態(tài)性能。判斷方法：主要看交流通路或直流通路中有無(wú)反饋通路，若存在反饋通路，必有對(duì)應(yīng)的反饋。例如，圖（a）所示放大電路中，只引入了直流反饋；圖（b）中只引入了交流反饋。

交直流反饋的判斷（3）電壓反饋和電流反饋

定義：按照反饋量在放大電路輸出端取樣方式的不同，可分為電壓反饋和電流反饋。如果反饋量取自輸出電壓，和輸出電壓成正比，則稱為電壓反饋；如果反饋量取自輸出電流，和輸出電流成正比，則稱為電流反饋。判斷方法（1）——輸出短路法（即令輸出電壓uo=0）:

首先假設(shè)輸出電壓uo等于零，即將放大電路的輸出端和地短路，然后看反饋信號(hào)是否依然存在，如果短路后反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋；否則，反饋信號(hào)依然存在，就是電流反饋。判斷方法（2）——根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)判定：在交流通路中，若放大器的輸出端和反饋網(wǎng)絡(luò)的取樣端是同一個(gè)端的話，則為電壓反饋；否則，就是電流反饋。判斷電壓反饋和電流反饋舉例：

圖4-29電壓并聯(lián)反饋圖4-30電流串聯(lián)反饋（4）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

定義：如果反饋信號(hào)和輸入信號(hào)都是以電壓形式出現(xiàn)，那么它們?cè)谳斎牖芈繁囟ㄒ源?lián)的方式連接，這就是串聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)和輸入信號(hào)都是以電流形式出現(xiàn)，那么它們?cè)谳斎牖芈繁囟ㄒ圆⒙?lián)的方式連接，這就是并聯(lián)反饋。判斷方法：對(duì)于交流分量而言，如果輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別接到同一放大器件的同一個(gè)電極上，則為并聯(lián)反饋；如果兩個(gè)信號(hào)接到不同電極上，則為串聯(lián)反饋。（a）并聯(lián)反饋

（b）串聯(lián)反饋

【說(shuō)明】：以上提出了幾種常見(jiàn)的反饋分類方法。除此之外，反饋還可以從其他方面分類。例如，在多級(jí)放大電路中，可以分為局部反饋（本級(jí)反饋）和級(jí)間反饋；又如在差動(dòng)放大電路中，可以分為差模反饋和共模反饋等，此處不再一一列舉。

交流負(fù)反饋的四種組態(tài)：

根據(jù)以上分析可知，實(shí)際放大電路中的反饋形式多種多樣，本章將著重分析各種形式的交流負(fù)反饋。對(duì)于交流負(fù)反饋來(lái)說(shuō)，根據(jù)反饋信號(hào)在輸出端取樣方式以及在輸入回路中疊加形式的不同，共有四種組態(tài)，分別是：電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。表4-2四種組態(tài)交流負(fù)反饋比較

【例4-2】試分析下圖所示電路中引入的反饋的極性和組態(tài)。

解：根據(jù)瞬時(shí)極性法，假設(shè)輸入端電壓ui瞬時(shí)極性為“+”，依次可判斷出電路中相關(guān)各點(diǎn)電位的瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注，最終在電阻R2上獲得的反饋電壓uF為“+”，即uF有增大的趨勢(shì)，這個(gè)增大的趨勢(shì)將會(huì)使電路的凈輸入電壓變小，故電路中引入的是負(fù)反饋。接下來(lái)判斷反饋的組態(tài)。令輸出電壓uo=0，這將使反饋電壓uF=0，故引入的是電壓反饋。又因?yàn)檩斎腚妷簎i是從T1管的基極輸入的，而反饋電壓uF接的是T2管的基極，兩者的接入端不是同一個(gè)電極，因此是串聯(lián)反饋。綜上判斷可知，該電路中引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

圖4-31例4-2圖4.5.2負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式和分析計(jì)算1.負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式

根據(jù)下圖所示閉環(huán)放大系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖，不難得到：開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=Xo/Xi/（此處只考慮的大小而不考慮相位，以下各量同）、反饋系數(shù)F=Xf/Xo，以及凈輸入信號(hào)Xi/=Xi-Xf，由此可以推得輸出信號(hào)Xo=AXi/=A(Xi-Xf)=A(Xi-FXo)，整理此式可得：

上式即為閉環(huán)放大倍數(shù)的一般表達(dá)式。其中，1+AF稱為反饋深度，表示引入反饋后放大電路的放大倍數(shù)與無(wú)反饋時(shí)相比所變化的倍數(shù)。討論：

（1）若(1+AF)＞1，則Af

＜A，說(shuō)明引入反饋后使放大倍數(shù)減小，這時(shí)的反饋即為負(fù)反饋。負(fù)反饋雖然降低了放大倍數(shù)，但卻換來(lái)了放大電路性能的穩(wěn)定，可以說(shuō)，負(fù)反饋放大電路是以犧牲放大倍數(shù)作為代價(jià)換來(lái)整個(gè)電路性能的改善。

在負(fù)反饋情況下，如果反饋深度(1+AF)＞＞1，則上式可簡(jiǎn)化為

Af≈1/F，這表明，當(dāng)反饋深度(1+AF)＞＞1時(shí)，閉環(huán)放大倍數(shù)Af基本上等于反饋系數(shù)F的倒數(shù)，而與放大電路的放大倍數(shù)A無(wú)關(guān)。因而，即使由于溫度等因素變化而導(dǎo)致放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)A發(fā)生變化，只要F的值一定，就能保證閉環(huán)放大倍數(shù)Af穩(wěn)定，這是深度負(fù)反饋放大電路的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際的反饋網(wǎng)絡(luò)常由電阻等元件組成，反饋系數(shù)F通常決定于某些電阻值之比，基本上不受溫度的影響。實(shí)際在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，為了提高穩(wěn)定性，往往選用開(kāi)環(huán)電壓增益Aod很高的集成運(yùn)放，以便引入深度負(fù)反饋。

（2）若(1+AF)＜1，則Af＞A，即引入反饋后放大倍數(shù)比原來(lái)增大，因此這時(shí)的反饋為正反饋。正反饋雖然可以提高增益，但使放大電路的性能不穩(wěn)定，所以很少使用。

（3）若(1+AF)?=0，即AF=?1，則Af?→∞。說(shuō)明當(dāng)Xi?=0時(shí)，Xo≠0，此時(shí)放大電路雖然沒(méi)有外加輸入信號(hào)，但有一定的輸出信號(hào)。放大電路的這種狀態(tài)稱為自激振蕩。當(dāng)反饋放大電路發(fā)生自激振蕩時(shí)，輸出信號(hào)將不受輸入信號(hào)的控制，也就是說(shuō)，放大電路失去了放大作用，這是我們所不希望的。但是，有時(shí)為了產(chǎn)生正弦波或其他波形信號(hào)，有意識(shí)在放大電路中引入一個(gè)正反饋，并使之滿足自激振蕩的條件。2.負(fù)反饋放大電路的分析計(jì)算

分析目的：主要是近似估算其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，即輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值。分析方法：有以下兩種情況：

（1）對(duì)于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，直接利用關(guān)系式

，此時(shí)，式

的具體含義是

，因此，只要求出Fuu，即可得到Auuf?！?/p>

（2）對(duì)于其他三種負(fù)反饋組態(tài)，可利用關(guān)系式

。又有兩種情況：①對(duì)于深度串聯(lián)負(fù)反饋，凈輸入電壓近似為零，可認(rèn)為

Ui≈Uf；②對(duì)于深度并聯(lián)負(fù)反饋，凈輸入電流近似為零，可認(rèn)為

Ii≈If。

【例4-3】

假設(shè)圖4-32中的集成運(yùn)放均為理想運(yùn)放，并設(shè)各電路均滿足深度負(fù)反饋條件，試估算各電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖4-32例4-3圖

解：為了估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，首先應(yīng)判斷各電路的組態(tài)。

圖4-32（a）中引入的是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)虛短和虛斷兩個(gè)特點(diǎn)，可認(rèn)為其反相輸入端的電壓等于零，則由電路可分別求得

，。由于Ii≈If，可得，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

圖4-32（b）中引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋?？上惹蟪龇答佅禂?shù)

，然后由直接估算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。分析電路結(jié)構(gòu)可得

，則。所以得到閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

圖4-32（c）中負(fù)反饋組態(tài)為電流串聯(lián)，故Ui≈Uf。由電路可得

，而輸出電壓（其中），所以電壓放大倍數(shù)為：負(fù)面影響：降低了放大倍數(shù)。正面影響：改善多方面的性能，如穩(wěn)定放大倍數(shù)、改變輸入輸出電阻、展寬頻帶、減小非線性失真等。4.5.3交流負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定的必要性：放大電路的放大倍數(shù)可能由于種種原因而發(fā)生變化，比如器件更換或老化、環(huán)境溫度變化、電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等等因素；如果在放大電路中引入交流負(fù)反饋，就會(huì)大大減小這些因素對(duì)放大倍數(shù)的影響，從而使放大倍數(shù)得到穩(wěn)定。

穩(wěn)定原理：當(dāng)放大電路引入深度負(fù)反饋時(shí)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af≈1/F，幾乎僅取決于反饋網(wǎng)絡(luò)，而反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無(wú)源元件電阻組成，因而可獲得很好的穩(wěn)定性。

失真的產(chǎn)生：三極管的輸入、輸出特性均是非線性的，只有在小信號(hào)輸入時(shí)才可近似作線性處理。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，有可能使電路進(jìn)入非線性區(qū)，使輸出波形產(chǎn)生非線性失真。

失真的改善：利用負(fù)反饋可以有效地改善放大電路的非線性失真。

可以證明，在輸出信號(hào)基波不變的情況下，引入負(fù)反饋后，電路的非線性失真減小到原來(lái)的（1+AF）分之一。2.改善非線性失真

圖4-33利用負(fù)反饋減小非線性失真

影響頻寬的因素：（1）三極管結(jié)電容的存在，使得高頻時(shí)的放大倍數(shù)下降；（2）在阻容耦合放大電路中，由于耦合電容和旁路電容的存在，將使低頻時(shí)的放大倍數(shù)下降。

展寬原理：電路引入交流負(fù)反饋后，使放大倍數(shù)得到穩(wěn)定，它可以減小由于各種原因，包括信號(hào)頻率變化所造成的放大倍數(shù)的變化。當(dāng)輸入信號(hào)幅值一定時(shí)，若頻率變化使得輸出信號(hào)下降，則反饋信號(hào)就相應(yīng)減小，因而使得放大電路的凈輸入信號(hào)與中頻時(shí)相比有所提高，所以使得輸出信號(hào)回升；于是通頻帶得以展寬。3.展寬頻帶4.改變輸入電阻、輸出電阻（1）串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大。在串聯(lián)負(fù)反饋中，由于在放大電路的輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)和基本放大電路是串聯(lián)的，輸入電阻的增加是不難理解的。通過(guò)分析可知，串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入電阻為Rif=(1+AF)Ri。（2）并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。在并聯(lián)負(fù)反饋中，由于在放大電路的輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)和基本放大電路是并聯(lián)的，勢(shì)必造成輸入電阻的減小。通過(guò)分析可得，并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入電阻為

。（3）電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓的變化很小，這意味著電壓負(fù)反饋放大電路的輸出電阻減小了。若基本放大電路的輸出電阻為Ro，可以證明，電壓負(fù)反饋放大電路的輸出電阻為

。（4）電流負(fù)反饋使輸出電阻增大。電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電流的變化很小，這意味著電流負(fù)反饋放大電路的輸出電阻增大了。若基本放大電路的輸出電阻為Ro，可以證明，電流負(fù)反饋放大電路的輸出電阻為Rof=(1+AF)Ro。

【補(bǔ)充例題】

電路如下圖所示，為了達(dá)到下列目的，分別說(shuō)明應(yīng)引入哪種組態(tài)的負(fù)反饋以及電路如何連接。（3）將輸入電流iI轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓uo。（1）減小放大電路從信號(hào)源索取的電流并增強(qiáng)帶負(fù)載能力。（2）將輸入電流iI轉(zhuǎn)換成與之成穩(wěn)定線性關(guān)系的輸出電流io。(2)應(yīng)引入電流并聯(lián)負(fù)反饋。電路中將④與⑥、⑦與⑩、②與⑨分別連接。(3)應(yīng)引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。電路中應(yīng)將②與⑨、⑧與⑩、⑤與⑥分別連接。

(1)電路需要增大輸入電阻，減小輸出電阻，故應(yīng)引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。電路中將④與⑥、③與⑨、⑧與⑩分別連接。4.6集成運(yùn)放的應(yīng)用4.6.1模擬信號(hào)運(yùn)算電路

運(yùn)放的工作狀態(tài)的判斷：一般而言，判斷運(yùn)放工作狀態(tài)的最直截的方法是看電路中引入反饋的極性：

若為負(fù)反饋，則工作在線性區(qū)；

若為正反饋或者沒(méi)有引入反饋（開(kāi)環(huán)狀態(tài)），則運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。

運(yùn)算電路中運(yùn)放工作狀態(tài)：在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放加入負(fù)反饋，因此工作在線性區(qū)。在分析各種運(yùn)算電路時(shí)，要注意輸入方式，利用虛短和虛斷的特點(diǎn)。1.比例運(yùn)算電路

比例運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，即電路可以實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算，它的一般表達(dá)式為

uo=K

ui

K——稱為比例系數(shù)（實(shí)際上就是比例電路的電壓放大倍數(shù)），這個(gè)比例系數(shù)可以是正值，也可以是負(fù)值，決定于輸入電壓的接法?！咎崾尽浚罕壤娐肥亲罨镜倪\(yùn)算電路，它是其它各種運(yùn)算電路的基礎(chǔ)。本章隨后將介紹的各種運(yùn)算電路，都是在比例電路的基礎(chǔ)上，加以擴(kuò)展或演變以后得到的。根據(jù)輸入信號(hào)接法的不同，比例電路有三種基本形式：反相輸入、同相輸入以及差分輸入比例電路。（1）反相比例運(yùn)算電路電路結(jié)構(gòu)：

下圖所示為反相比例運(yùn)算電路，其中輸入電壓ui通過(guò)電阻R1接入運(yùn)放的反相輸入端。RF為反饋電阻，引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端電阻R2接地，為保證運(yùn)放輸入級(jí)差動(dòng)放大電路的對(duì)稱性，要求R2=R1//RF

。圖4-34反相比例電路

工作原理：

由于“虛斷”，故i+=0，即R2上沒(méi)有壓降，則u+=0。又因“虛短”，可得

u+=u-=0反相端“虛地”

反相比例電路

由于i-=0，則由圖可得：

ii=iF

輸出電壓——輸入電壓：

電壓放大倍數(shù)：——其值的大小可大于1、等于1、小于1。

反相比例電路

特例——反相器：

表達(dá)式：中，若R1=