1、第第9章章 放大电路和集成运算放大器放大电路和集成运算放大器9.1 基本放大电路基本放大电路9.1.1放大电路的基本知识放大电路的基本知识放大电路简称放大器，它可以将微弱的电信号放大，转换成较强的电信号。例如扩音器，2个方面的要求，第一是要具有一定的放大能力，放大后的输出信号电压或 输出信号功率达到要求；第二是失真要小，即放大后输出信号的波形要尽可能保持与输入信号波形一致。放大器的放大倍数放大器的放大倍数 oiuuuA oiiiiA oiPpPA 1）电压放大倍数：放大电路输出电压与输入电压值比。2）电流放大倍数：放大电路输出电流与输入电流值比。3）功率放大倍数：放大电路输出功率与输入功率值比
2、。放大器的分类放大器的分类晶体管构成的放大电路种类很多，一般有以下几种分类：晶体管构成的放大电路种类很多，一般有以下几种分类：1）按输入给放大器的电信号强弱来分，有小信号放大器和大信号放大器。2）按放大器所放大的信号不同来分，由直流放大器和交流放大器。其中交流放大器按照信号的工作频率来分，有低频放大器、中频放大器、高频放大器。3）按放大器中晶体三极管的连接方式来分，有共发射极、共基极和共集电极 放大器。4）按电路的级数来分，有单级和多级放大器。5）按照对输出信号的要求来分，有电压放大器、电流放大器和功率放大器。6）按照器件的集约化程度来分，有分立元件和集成电路放大器。9.1.2 单管共射极放大
3、电路1、电路组成及作用电路组成及作用CCVCCV 2.电路分析电路分析直流通路直流通路(IB、IC、UCE)对直流信号电容对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）可看作开路（即将电容断开）断开断开断开断开+VCCRBRCT+UBEUCEICIBIE+VCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiERBRCuiuORLRSes+XC 0，C 可看作可看作短路。忽略电源的短路。忽略电源的内阻，电源的端电内阻，电源的端电压恒定，直流电源压恒定，直流电源对交流可看作短路。对交流可看作短路。短路短路短路短路对地短路对地短路+VCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo
4、+uBEuCEiCiBiE(2)静态分析和动态分析放大电路无信号输入（放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。时的工作状态。估算法。估算法。各极电压电流的直流分量。各极电压电流的直流分量。放大电路的直流通路。放大电路的直流通路。(1)静态工作点静态工作点Q：IB、IC、UCE 。静态分析：静态分析：确定放大电路的静态值。确定放大电路的静态值。已知：已知：V VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：解：mA04.0mA30012BCCBRUImAmABC51040537.II V6V45.112 CCCCCERIVV+VCCRBRCT+UBEUCEICIB ibiceSr
5、be ibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSiiRBRCuiuORL+-RSeS+-ibicBCEiibebirIU LcoRIU beLrRAu LCL/RRR io :UUAu 定义定义Lb RI rbebeCrRAu iUiIbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+-+-+-RSSESRiIiUirSESRiIiUiii IUr 输入电阻输入电阻r ri i较小较小 1 1）I Ii i大，信号源的功率大，增加其负担。大，信号源的功率大，增加其负担。的后果的后果 2 2）U Ui i减小，减小，r ri i 上分压小，上分压小，UoUo减小。减小。3 3）r ri i 为前
6、级的负载为前级的负载 r ri i较小，较小，A u。iiIUri beB/rR 时时，当当beBrR bRiBIIU beirr iUiIbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+-+-+-RSriBRIoUoEoooIUr 输出电阻：输出电阻：oUSEiUiIbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+-+-+-RSCoooRIUr 求求ro的步骤：的步骤：1)断开负载断开负载RLoU3)外加电压外加电压oI4)求求or外加外加oICRcoIII bcII CoRCRUI 0 0 cb II所所以以2)令令 或或0i U0S E小结小结1.关于关于 A u beLrRAu 1)RC或
7、或 RL增大，增大，A u也增大。也增大。2）rbe)mA()mV(26)1()(200EbeIr （1）IE 一定时，一定时，大，大，rbe大，但不是成线性比例大，但不是成线性比例 增加。增加。（2）一定时，一定时，IE稍增加，稍增加，rb rbe，A u。（比比 效果好，效果好，IE 受限制。受限制。3）uo与与ui 反反相相4）考虑电源内阻（考虑电源内阻（R S）A u=U/ES=UO/Ui U/ES=-2.关于关于ri rO（r ri i较大好，较大好，rO较小好）较小好）r ri i较小较小 1 1）I Ii i大，信号源的功率大，增加其负担。大，信号源的功率大，增加其负担。的后果的
8、后果 2 2）U Ui i减小，减小，r ri i 上分压小，上分压小，UoUo减小。减小。3 3）r ri i 为前级的负载为前级的负载 r ri i较小，较小，A u。rO作为后级的输入（相当于电源内阻）分压大，作为后级的输入（相当于电源内阻）分压大，带载能力差。带载能力差。在固定偏置放大电路中，在固定偏置放大电路中，当温度升高时，当温度升高时，UBE、ICBO 。上式表明，当上式表明，当UCC和和 RB一定时，一定时，IC与与 UBE、以及以及 ICEO 有关有关，而这三个参数随温度而变化。，而这三个参数随温度而变化。CBOBBECCCEOBC)1(IRUUIII 温度升高时，温度升高时
9、，IC将增加，使将增加，使Q点沿负载线上移。点沿负载线上移。iCuCEQQ 固定偏置电路的工作点固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使高使 IC 增加时，能够自动减少增加时，能够自动减少IB，从而抑制从而抑制Q点的变点的变化，保持化，保持Q点基本稳定。点基本稳定。OB2II 若若满满足足：基极电位基本恒定，基极电位基本恒定，不随温度变化。不随温度变化。2B2BRIV 2B1BCC21RRUII CC2B1B2BBURRRV VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+UCCuiuo+ICRSeS+VBEBEB
10、ECRUVII BEBUV 若若满满足足：EBEBEBEC RVRUVII RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+UCCuiuo+ICRSeS+VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+UCCuiuo+ICRSeS+TUBEIBICVEICVB 固定固定CC2B1B2BVRRRVBEBEBECRUVII CBII EECCCCCERIRIUU VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+VCCuiuo+ICRSeS+9.2 多级放大电路耦合耦合:在多级放大电路中在多级放大电路中,每两个单级放每两个单级放 大电路之间的连接方式。大电路之间的连接方式。耦合电路
11、：耦合电路：实现耦合的电路实现耦合的电路1.对前后级对前后级Q点不影响。点不影响。2.信号不失真。信号不失真。3.减少信号电压在耦合减少信号电压在耦合 电路上的压降。电路上的压降。要求要求:耦合方式耦合方式：阻容耦合，变压器耦合，直接耦合。阻容耦合，变压器耦合，直接耦合。两级之间通过耦合电容两级之间通过耦合电容 C2 与下级输入电阻连接与下级输入电阻连接RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+RS+RC2C3CE2RE2RL+UCC+oU1OUiUSEB1R B2R T1T22.变压器耦合变压器耦合 变压器耦合方式如图所示。放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端。由于变压器隔断了直流，
12、所以各级放大电路的静态工作点也是相互独立的。而且在传输信号的同时，变压器可以进行阻抗的变换。变压器耦合方式的缺点：不能放大变化缓慢的信号。3直接耦合 直接耦合方式如图所示。前级输出端与后即输入端直接相连。这种直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而静态工作点不能独立，相互影响，需合理地安排各级的直流电位，使它们合理配合。直接耦合放大电路具有了良好的低频特性，既能放大交流信号，也能放大直流信号和变化缓慢的信号。由于电路中没有大容量电容，便于集成，所以，集成运算放大器内部都采用这种耦合方式。n12.uuuunAA AAiR1 iR1iiRRoRnonRoonRR9.2.2多级放大电路的简单分析多
13、级放大电路的简单分析 1电压放大倍数 在多级放大电路中，由于前级的输出电压就是后级的输入电压，电路总的电压放大倍数等于各级放大倍数之积。对于级放大电路，有 2.输入电阻 多级放大电路的输入电阻就是第一级输入电阻即 3输出电阻 多级放大电路的输出电阻等于第级（末级）的输出电阻即 9.3 功率放大电路9.3.1功率放大电路的概念功率放大电路的概念 功率放大电路（简称功放），通常位于多级放大电路的最后一级，其作用是对电压信号再进行功率放大，为负载提供足够大的输出功率。一个性能了良好的功率放大电路，应具有以下 几个特点：输出功率大，以满足驱动负载的要求。信号失真小，以保证输出信号的基本不失真。电路的效
14、率高。因为输出功率大，消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大，所以能量转换效率要高。散热性好，保证功率放大电路既能输出较大的功率又不损坏晶体管。9.3.2功率放大电路的分类功率放大电路的分类乙类：静态工作点选在放大区和截止区的交界处 QQ甲类：静态工作点在负载线上的中点 ，选在晶体管的放大区，图 点 如图中的Q 甲乙类：静态工作点位于甲类和乙类之间，如图9-16 中的Q。9.3.3乙类互补堆成功率放大电路交越失真交越失真OCL电路12VTVT、NPNPNP1电路的工作原理。双电源对称功率放大电路，简称OCL电路，其原理电路如图。图中是两个特性一致的型和型晶体管，均工作在乙类状态。两管基极相连，
15、作为信号的输入端；发射极接在一起并与负载相连，作为信号的输出端。2主要性能指标估算 1）最大输出功率为 212CComLVPR 2）电源供给的直流功率为2CCcminVIP 3）效率为ominPP4）当输出最大功率时，效率最高，理想情况下，OCL功放电路的效率为 78.5%49.4 集成运算放大器集成运放的常用符号集成运放的常用符号国际流行符号国际流行符号国际标准符号国际标准符号具有电源引脚的流行符号具有电源引脚的流行符号+_+u-u+uoAouou+u-uo+Ucc-Uccu-u+9.4.1集成运算放大器电路符号集成运算放大器电路符号常见运放引脚功能图 1.电路符号电路符号2.两种工作情况两
16、种工作情况 开环工作状态 闭环工作状态 3.集成运放的参数集成运放的参数1）.开环电压放大倍数Auo 在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。Auo一般约为104107，即80 140dB。idridr2）差模输入电阻：指差模输入时，运放无外加反馈回路的输入电阻，它反映了集成运算放大器对信号源的影响程度。越大，对信号源的影响越小。oror3）开环输出电阻：指运放无外加反馈回路时的输出电阻。它反映运放的带负载能力。越小，其带负载的能力越强。4）共模抑制比KCMR：用来衡量运放的放大和抗零漂、抗共模干扰的能力，其定义式
17、为：KdCMRcAA或 K()20lgdCMRcAdBA 除以上介绍的参数外，还有输入失调电压、输入失调电流、最大差模输入电压、最大共模输入电压、带宽、转换速度等。9.4.2 理想集成运算放大器特性 在分析运算放大器时，一般可将它看成是一个理想运算放大器。理想化的条件主要是：由于实际运算放大器的上述技术指标接近理想化的条件，因此在分析时用理想运算放大器代替实际放大器所引起的误差并不严重，在工程上是允许的，这样可使分析过程大大简化。后面对运算放大器都是根据它的理想化条件来分析。开环电压放大倍数Auo ；差模输入电阻ri d ；开环输出电阻r0 0；共模抑制比KCMRR 。右图是理想运算放大器的图
18、形符号。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标 上“-”号，同相输入端和输出端标上“+”号。它们对“地”的电压（即各端的电位）分别用 u-、u+和 u0表示。“”表示开环电压放大倍数的理想化条件。按定义，运放开环电压增益iduuuuuuA000对于理想运放，Auo ，而输出uo是一个有限的数值，iiuu(u+-u-)0因此，上式表明，理想运放的信号输入端对信号电压可以看成“短路”。如果同相端交流接地，“短路”意味着反相端也将“接地”。这时的反相端变成一个不接“地”的“地”电位端，通常称为“虚地”。同时，理想运放 ，即意味着差模输入电流idR ，因此理想运放输入端对差模信号电流来说又是“开路”
19、的。当然，运放输入端还是存在差模输入电流，尽管极小，所谓“开路”仅是“虚开路”。0idi 以上关于集成运算放大器“虚短路”，“虚开路”，“虚地”的概念，是运放电路分析的基本依据。9.5理想运算放大器的基本应用理想运算放大器的基本应用9.5.1.反相输入比例运算器反相输入比例运算器“虚虚地地”反反相相输输入入时时，反反相相端端为为由由“虚虚短短”，由由“虚虚断断”0002 uuRiuii1iFF1F1KCLRuRuiioi ；：由由1FioRRuuAu _+RFR1R2uiuou+u-i1fouRRuF11RuiRuioFi ；9.5.2.同相比例运算器同相比例运算器i1F1ouRRRu_+RF
20、R1R2uiuou+u-i1iFii0uuuuui 由“虚短”，由“虚短”，由“虚断”，由“虚断”，F111RRuiRuioFi ；F11F1KCLRRuRuiioi ；：由由1F1ioRRRuuAu 9.5.3.减法运算器减法运算器 uu由由11F11o111iiiuRRRuuuRiu i2323uRRRu 11F23231F1iiouRRuRRRRRRu 解得：解得：_+RFR1R2ui2uoR3ui1u+ui1iFi2i3）（时时，当当121F3F21iiouuRRuRRRR ）（时时，当当123F21iiouuuRRRR9.6 放大电路中的负反馈9.6.4 反馈的类型反馈的类型 电压反
21、馈和电流反馈电压反馈和电流反馈电压、电流看输出电压、电流看输出iXAXdXouFXfXfuR1R2iXAXdXoiFXfXfuRLRfoo2uuuRRRuff正正比比21故称为电压反馈故称为电压反馈故称为电流反馈故称为电流反馈ooiuRiufff正正比比从从输出看，反馈量取自输出电压，并与之成比例，为电压反输出看，反馈量取自输出电压，并与之成比例，为电压反馈；反馈量取自输出电流，并与之成比例，为电流反馈。馈；反馈量取自输出电流，并与之成比例，为电流反馈。iXAXdXouFXfXfuR1R2iXAXdXoiFXfXfuRLRf判别电压、电流反馈的方法：判别电压、电流反馈的方法：短接输出法短接输出
22、法将将输出端短接，反馈信号消失，称为电压反馈输出端短接，反馈信号消失，称为电压反馈将将输出端短接，反馈信号仍存在，称为电流反馈输出端短接，反馈信号仍存在，称为电流反馈 串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈串联、并联看输入串联、并联看输入iuAXduFXfuoXiuAXdiFXfioXii串串联联与与：由由iidKVLuuuuuff故称为串联反馈故称为串联反馈并并联联与与：由由iidKCLiiiiiff故称为并联反馈故称为并联反馈判别串联、并联反馈的方法：判别串联、并联反馈的方法：短接输入法短接输入法将将输入端短接，反馈信号消失，称为并联反馈输入端短接，反馈信号消失，称为并联反馈将将输入端短接，
23、反馈信号仍存在，称为串联反馈输入端短接，反馈信号仍存在，称为串联反馈9.6.2 负反馈对放大器的影响负反馈对放大器的影响oiXAXofXFX 1oiifiifiifXAXAXAXXXXAFXAAAF1/(1+AF)11fAAAAFAFF1.负反馈放大器的信号基本关系净输入信号开环增益（即开环放大倍数）A 反馈系数F 闭环增益（即闭环放大倍数）Af 上式中，“1AF”称为反馈深度，其数值反映了反馈的强弱。可见引入负反馈后，放大倍数为开环放大器的放大倍数的倍。当AF1，则闭环增益Af 此时，放大器工作状态为：“深度负反馈”状态。iifXXX2.负反馈对运算放大器性能的影响负反馈对运算放大器性能的影
24、响 负反馈以损失电路增益为代价，换取一系列性能的改善，主要表现在：1）提高放大倍数的稳定性，在输入一定的情况下，放大电路由于各种温度等因素的变化会引起增益发生改变。引入负反馈，可以提高放大器增益的稳定性。尤其当工作于深度负反馈时，闭环增益只决定于反馈系数，而与放大器本身性能无关。可以稳定输出量，其中（1）引入电压负反馈：可以稳定输出电压；（2）引入电流负反馈，可以稳定输出电流；（3）引入反馈信号为交流量，负反馈将稳定输出信号的交流成分；（4）引入反馈信号为直流量，负反馈将稳定输出信号的直流成分；2）改变输入电阻、输出电阻改变输入电阻、输出电阻（1）串联负反馈使输入电阻增大（1AF）倍；（2）并联负反馈使输入电阻减小（1AF）倍；（3）电压负反馈使输出电阻减小（1AF）倍；(4)电流负反馈使输出电阻增大（1AF）倍；3）减小放大器的非线性失真）减小放大器的非线性失真 放大电路中的非线性失真是由于电路中的晶体管是非线性元件造成的，引入负反馈后，负反馈信号与输出信号有相同的波形失真，与输入信号相减的结果，就可以使失真受到抑制从而减少了非线性失真，改善了输出波形。
