多級放大電路和集成運算放大電路

多級放大電路

4.1差動放大電路4.2集成運算放大電路4.3第4章多級放大電路和集成運算放大電路通用型集成運放電路簡介4.44.1

多級放大電路多級放大電路中的每個基本放大電路為一級，級與級之間的連接稱為級間耦合。

常見的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。

阻容耦合多用于低頻電壓放大電路，變壓器耦合多用于高頻調(diào)諧放大器，直接耦合多用于直流放大器，光電耦合多用于隔離電路。

4.1.1多級放大電路的耦合方式圖4-1兩級阻容耦合放大電路

1.阻容耦合阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級和后級連接起來。這個電容器稱為耦合電容，如圖4-1所示。阻容耦合的優(yōu)點：前級和后級直流通路彼此隔開，每一級的靜態(tài)工件點相互獨立，互不影響。所以電路的分析和設計比較方便。在輸入頻率較高和耦合電容容量較大情況下，交流信號在級與級之間的損耗非常小。因此，阻容耦合在多級交流放大電路中得到了廣泛應用。阻容耦合的缺點：信號在通過耦合電容加到下一級時會大幅衰減，對直流信號（或變化緩慢的信號）很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。

圖4-2兩級變壓器耦合放大電路

2.變壓器耦合變壓器耦合是利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入端連接起來，這種耦合方式稱為變壓器耦合，如圖4-2所示。變壓器耦合的優(yōu)點：由于變壓器不能傳輸直流信號，且有隔直作用，因此各級靜態(tài)工作點相互獨立，互不影響。變壓器在傳輸信號的同時還能夠進行阻抗、電壓、電流變換。變壓器耦合的缺點：體積大、笨重等，不能實現(xiàn)集成化應用。

3.直接耦合

直接耦合是將前級放大電路和后級放大電路直接相連的耦合方式，這種耦合方式稱為直接耦合，如圖4-3所示。

圖4-3兩級直接耦合放大電路

直接耦合的優(yōu)點：直接耦合所用元件少，體積小，可放大緩慢變化的信號和直流信號，即低頻特性好。另外便于集成化，所以集成電路中多采用這種耦合方式。

直接耦合的缺點：由于失去隔離作用，使前級和后級的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級靜態(tài)工作點相互影響，從而使電路的設計和調(diào)試不方便。另外，還存在著零點漂移現(xiàn)象。4.光電耦合

圖4-4(b)所示為輸人信號的線性光電藕合電路，二極管接在放大器的負反饋回路中，流過它的電流圖4-4(b)

線性光電藕合電路

4.1.2多級放大電路的分析阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合的多級放大電路的各級直流通路彼此隔開，各級的靜態(tài)工件點相互獨立，因此它們的靜態(tài)工作點的分析與單級放大電路的分析相同。直接耦合的多級放大電路各級直流通路彼此相通，各級靜態(tài)工作點相互聯(lián)系，因此需要全面考慮各級的靜態(tài)工作點。

1．靜態(tài)工作點分析2．動態(tài)性能指標計算解(1)靜態(tài)工作點計算

【例4-1】圖4-1所示是共射-共集（CE-CC）阻容耦合的兩級放大電路，末級采用共集放大，提高了帶負載能力。已知VCC

=+12V，R1=50kΩ，R2=10kΩ，R3=5.1kΩ，R4=51Ω，R5=1kΩ,R6=150kΩ，R7=3.3kΩ，RL=5.1kΩ,β1=β2=β=50,C1=C3=10μF，C2=47μF，UBE1=UBE2=0.7V。求：(1)放大電路的靜態(tài)工作點；(2)電壓放大倍數(shù)；(3)輸入電阻、輸出電阻。

由于圖4-1是阻容耦合的兩級放大電路，所以各級靜態(tài)工作點相互獨立和單級放大電路的計算相同。第1級的放大電路為分壓式偏置共射放大電路，其靜態(tài)工作點Q1計算如下：

第2級的放大電路為共集放大電路，其靜態(tài)工作點Q2計算如下：

所以(2)電壓放大倍數(shù)的計算

把第2級的輸入電阻作為第1級的負載。

(3)輸入電阻、輸出電阻的計算【例4-2】如圖4-6(a)所示的直接耦合兩級放大電路，VT1是NPN型硅管，VT2是PNP型鍺管，VCC

=+12V，UBE1=

0.7V，UEB2=0.2V，β1=40，β2=100，Rb1=15.7kΩ，Rb2=1kΩ，Rc1=2.2kΩ，Rc2=5.1kΩ，Re2=1kΩ。求：(1)兩級放大電路靜態(tài)工作時的ICQ1

，ICQ2和UOQ

；(2)電壓放大倍數(shù)；(3)輸入電阻和輸出電阻。解：(1)電路靜態(tài)工作時

圖4-6a）

例4-2電路圖

把第2級的輸入電阻作為第1級的負載。

(3)輸入電阻和輸出電阻。

4.2

差動放大電路

差動放大電路是直接耦合放大電路中抑制零點漂移最有效的電路。4.2.1差動放大電路的工作原理

1.電路組成

（1）差動放大電路的輸入輸出方式如果兩個輸入端中任何一端接輸入信號，另外一端接地，稱為單端輸入；如果兩個輸入端都接輸入信號稱為雙端輸入。差動放大電路的輸出端分別接VT1和VT2的兩個集電極稱為雙端輸出；差動放大電路的輸出端一端接VT1和VT2的兩個集電極中的任意一個，另外一端接地為單端輸出。（2）差動放大電路的輸入信號當輸入信號ui1和ui2是大小相等極性相反的信號時稱為差模信號；當輸入信號ui1和ui2是大小相等極性相同的信號時稱為共模信號。2.抑制零點漂移原理靜態(tài)時，輸入信號ui1=ui2=0，放大電路在正負電源供電下兩晶體管集電極電位為UCQ1和UCQ2。由于電路完全對稱，則UCQ1=UCQ2，所以靜態(tài)輸出電壓Uo=UCQ1－UCQ2=0。當環(huán)境溫度變化時，溫度對差動放大電路的兩半電路影響相同，可等效為共模信號，兩晶體管集電極電流IC1和IC2變化規(guī)律相同，即△iC1=△iC2；因而兩管集電極電位的變化也相同，即△uC1=△uC2，所以兩管集電極電位uC1和uC2仍然相同，因為輸出電壓兩晶體管集電極的電位差，所以uo=(UCQ1+△uC1)－(UCQ2+△uC2)=0V，說明差動放大電路對共模信號有很強的抑制作用，能抑制放大電路的零點漂移。另外,差動放大電路的射極電阻Re對共模信號的電流負反饋作用，抑制兩晶體管集電極電流的變化，因而可以抑制兩管集電極電位的變化，從而抑制放大電路的零點漂移。

4.2.2差動放大電路的分析

1.靜態(tài)分析靜態(tài)工作時，輸入信號ui1=ui2=0

，由于電路左右對稱，集電極電阻和晶體管的型號和參數(shù)相同，則兩管靜態(tài)工作點相同。2.動態(tài)分析（1）輸入差模信號

圖4-9差模信號輸入時的差動放大電路及微變等效電路

輸入差模信號為：

兩晶體管的型號和參數(shù)相同，靜態(tài)工作點相同，則其差模電壓放大倍數(shù)為：由上式可知，差動放大電路通過多用一半電路來換取對零點漂移的抑制，而其電壓放大能力只相當于單管共射放大電路。

差模輸入電阻Rid是從差動放大電路兩個輸入端看進去的等效電阻。差模輸出電阻Rod則是RL斷開，差模輸入信號短路，從差動放大電路兩個輸出端看進去的等效電阻:(2)輸入共模信號

輸入共模信號為：

由于兩半電路對稱，參數(shù)相同，在共模信號作用下，VT1和VT２管的發(fā)射極電流大小相等方向相同，即ie1=ie2，它們同時流過Ｒe，則Re上的電流為2ie。因此對于每個管子而言，相當于發(fā)射極接了一個2Re的電阻。而同時兩管集電極產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，極性相同，從而流過RL的電流為零，uoc＝uc1－

uc2=0。共模交流通路如圖4-11所示。因此共模電壓放大倍數(shù)為：

為了衡量差動放大電路對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力，共模抑制比KCMR：(3)任意輸入信號

加在差動放大器兩輸入端的信號是兩個任意輸入信號ui1和ui2

，它們含有差模信號和共模信號兩種信號成份。差模信號共模信號當差放電路同時輸入差模信號和共模信號時，根據(jù)疊加定理，差放電路的輸出電壓uo為差模信號uid單獨作用時的差模輸出電壓uod和共模信號uic單獨作用時的共模輸出電壓uoc之和。（1）雙端輸入雙端輸出。前面已經(jīng)介紹。3.差動放大電路的四種接法（2）雙端輸入單端輸出。①

靜態(tài)分析

電路靜態(tài)工作時，輸入信號

ui1

=ui2

=0，因為輸入回路對稱，則

②動態(tài)分析差模信號輸入時，同雙端輸入雙端輸出一樣，Re可看作短路兩晶體管的型號和參數(shù)相同，則信號從VT1管的集電極輸出時，由于輸出電壓與輸入電壓反相若信號從VT2管集電極輸出，則為同相輸出，則差模電壓放大倍數(shù)為當共模信號輸入時，由于輸入端和雙端輸入雙端輸出相同，仍是雙端輸入，所以Re上的電流為2ie。因此對于每個管子而言，相當于發(fā)射極接了一個2Re的電阻。

圖4-14雙端輸入單端輸出的共模微變等效電路圖4-15單端輸入雙端輸出差放電路（3）單端輸入雙端輸出可將輸入信號ui分解如下：VT1管的基極輸入端信號：VT2管的基極輸入端信號：

若電路對稱，參數(shù)相同，雙端輸出時

則電路的輸出電壓等于差模輸出電壓：單端輸入雙端輸出和雙端輸入雙端輸出的靜態(tài)工作點以及動態(tài)參數(shù)的計算完全相同，這里不再重復。(4)單端輸入單端輸出。同單端輸入雙端輸出一樣，單端輸入單端輸出的單端輸入信號也可以分解為雙端輸入的差模信號和共模信號。所以單端輸入單端輸出的電路分析和計算同雙端輸入單端輸出一樣。

【例4-3】差動放大電路如圖4-16所示。已知：+VCC=+12V，－VEE=－12V，UBE=

0.7V，β1=β2=60，Rb

=1kΩ，Rc

=12kΩ，Re=11.3kΩ，RL=36kΩ，Rw

=200Ω，rbb’=300Ω。求：(1)電路靜態(tài)工作點（IBQ，ICQ和UCEQ）；(2)雙端輸出時的Aud

，Rid和Rod

；(3)若輸入信號ui1=8mV，ui2=4mV，求單端輸出時的輸出電壓uo和電路的共模抑制比。

圖2-21例2-1電路圖解：（1）靜態(tài)工作時，

ui1=ui2=0

①雙端輸出時，負載RL中的靜態(tài)電流為零。②單端輸出時，以負載RL接V1管集電極c1和地之間為例

(2)雙端輸出時，差模半電路微變等效電路圖

(3)單端輸出時，若負載RL接VT1管集電極c1和地之間，則差模電壓放大倍數(shù)為：

共模電壓放大倍數(shù)為：

電路的共模抑制比：

單端輸出時，若負載RL接VT2管集電極c2和地之間，則電路的輸出電壓為：4.2.3電流源電路

在差動放大電路中，恒流源代替Re提高電路的性能。另外，電流源（恒流源）給集成運算放大電路提供合適的靜態(tài)偏置電流和作為有源負載提高放大電路的增益。

1.單管電流源

圖4-19是晶體管組成的電流源電路，它就是前面介紹的分壓式偏置穩(wěn)定共射放大電路。

圖4-19單管電流源電路圖4-20鏡像電流源2.鏡像電流源

VT1和VT2管參數(shù)和特性相同。由于UBE1=UBE2=UBE，所以IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IO。若β>>2，則

圖4-21比例電流源3.比例電流源

β>>1，則

UBE2=UBE1

則

圖4-22微電流源4.微電流源

V1和V2管參數(shù)和特性相同，β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，所以IB1=IB2=IB，則輸出電流5.基本三晶體管電流源

圖4-23基本三晶體管電流源圖4-24多路電流源基本三晶體管電流源擴展為如圖4-24所示的多路電流源。若VT0，VT1，……，VTn管參數(shù)和特性相同可得：VT3是放大管，VT1和VT2管構成鏡像電流源，它們的參數(shù)和特性相同，β1=β2=β，IC1=IC2，即IC1和基準電流IR相等。6.帶電流源的共射放大電路

4.2.4帶射極恒流源的差動放大電路

在差動放大電路中，恒流源代替Re能抑制電路的溫漂，提高共模抑制比。圖4-27帶射極恒流源的差動放大電路電路的靜態(tài)工作點估算

VT3，R1，R2和R3組成單管電流源電路，若滿足I1（或I2）

IB3，則I1≈I2。電路帶負載雙端輸出時，輸入差模信號時，單管電流源的IC3恒定不變，則VT1和VT2管的發(fā)射極電位保持不變，電位相當于接“地”。由于電流源的交流等效電阻大，無論是單端輸出還是雙端輸出，4.2.5MOSFET差動放大電路圖4-28MOSFET差動放大電路

VT3和VT4管參數(shù)和特性相同，組成鏡像電流源?；鶞孰娏鱅R為

輸入差模信號，雙端輸出時電路動態(tài)參數(shù)估算如下：

集成電路(IC)就是采用一定的制造工藝，采用電子電路的元器件和連線組成具有一定功能的電路制作在同一塊半導體硅片上。按照集成度（每一片硅片中所含元器件數(shù)）的不同，將集成電路分為小規(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)。4.3集成運算放大電路

集成運算放大器是集成電路的一種，簡稱集成運放，由于最初常用于各種模擬信號的運算(例如比例運算、微分運算、積分運算等)而被稱為集成運算放大器。近年來它的實際應用范圍非常廣闊，它不僅可以用于信號的運算、處理、變換和測量，還可以用來產(chǎn)生正弦或非正弦信號。4.3.1集成運算放大電路的組成

集成運算放大器內(nèi)部實際上是一個高電壓增益、高輸入電阻及低輸出電阻的直接耦合多級放大電路。其內(nèi)部組成原理框圖如圖4-29所示，它由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等四部分組成。

圖4-29集成運放的組成框圖

1.輸入級為了能減小零點漂移和抑制共模干擾信號，輸入級常采用具有恒流源的差動放大電路，也稱差動輸入級。

提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，故而也稱電壓放大級。

常采用由恒流源作為有源負載的共射（或共源）放大電路。2.中間級多采用互補對稱功率放大電路。3.輸出級為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。4.偏置電路4.3.2集成運放的主要技術指標

集成運放的主要技術指標很多，大體上可以分為輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號動態(tài)特性和電源特性。1.輸入直流誤差特性（1）輸入失調(diào)電壓UIO輸入電壓為零時，輸出電壓折合到輸入端的電壓的負值，即

UIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差。

（2）輸入失調(diào)電壓的溫漂dUIO/dT

dUIO/dT是指在指定的溫度范圍內(nèi)，失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值，是衡量溫漂的重要指標。（3）輸入偏置電流IB

輸入偏置電流是指集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值

是指當輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差

（4）輸入失調(diào)電流IIO

（5）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT

dIIO/dT是指在指定的溫度范圍內(nèi)，失調(diào)電流的變化與溫度變化的比值，是對放大器電流溫漂的量度。不能用外接調(diào)零裝置進行補償。2.差模特性

（1）開環(huán)差模電壓增益

在集成運放無外加反饋時的輸出電壓uo與輸入端的差模輸入電壓uid的比值稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod。（2）差模輸入電阻Rid

Rid是集成運放在輸入差模信號時，兩個輸入端之間的等效動態(tài)電阻。Rid越大，集成運放從輸入信號源索取的電流越小。

（3）最大差模輸入電壓Uidmax

Uidmax指集成運放反相和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值，超過這個值輸入級的管子將會出現(xiàn)反相擊穿，甚至損壞。

（4）帶寬BW

BW是指Aod下降到3dB（即下降到0.707倍）時的上限頻率與下限頻率之差。（5）單位增益帶寬BWG

BWG是指開環(huán)差模電壓增益Aod下降到0dB時的上限頻率與下限頻率之差。

3.共模特性

（1）共模抑制比KCMR

其定義同差動放大電路。

（2）最大共模輸入電壓Uicmax

Uicmax指集成運放所能承受的最大共模輸入電壓，共模電壓超過一定值時，將會使輸入級工作不正常，KCMR將顯著下降。

4.大信號動態(tài)特性

轉(zhuǎn)換速率SR是指運放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(如階躍信號)時，放大器輸出電壓對時間的最大變化速率。

（1）轉(zhuǎn)換速率SR

（2）全功率帶寬BWp

是指集成運放輸出最大峰值電壓Uom時所允許的最高頻率

5.電源特性

電源特性參數(shù)主要有靜態(tài)功耗等。靜態(tài)功耗指集成運放在輸入信號為零時的功耗。F007的靜態(tài)功耗為120mW。

4.3.3集成運放的電壓傳輸特性集成運放的符號如圖4-30所示。它有兩個輸入端和和一個輸出端，稱為同相輸入端，稱為反相輸入端。

表示輸出電壓和輸入電壓(同相輸入端與反相輸入端之間的差值電壓)之間的關系曲線稱為集成運算放大器的電壓傳輸特性，如圖4-31所示。

當運算放大器工作在線性區(qū)時

當運算放大器工作在非線性區(qū)時，運算放大器處于飽和狀態(tài)

圖4-30集成運放的符號圖4-31集成運放的電壓傳輸特性

4.3.4理想的集成運放

1.理想運放的技術指標

開環(huán)差模電壓增益Ad

差模輸入電阻Rid

差模輸出電阻Rod=0共模抑制比KCMRR

帶寬BW

輸入偏置電流IB1=IB2=0失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO及它們的溫漂均為零

無干擾和噪聲

2.理想運放的線性工作特點

當理想運放工作于線性區(qū)時，輸出電壓滿足

因為理想集成運放的Aod，uo為有限值，則“虛短”由于理想集成運放的Rid=，因此同相輸入端和反相輸入端的電流均為零“虛斷”“虛短”和“虛斷”是分析集成運放線性應用電路的兩個非常有用的概念。但是必須理解“虛短”和“虛斷”的使用條件和含義。3.理想運放的非線性工作特點

當集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或者只引入正反饋時，集成運放工作在非線性區(qū)。（1）

（2）工作于非線性區(qū)的理想運放仍然有差模輸入電阻Rid=，因此。即有“虛斷”概念。（3）

沒有“虛短”概念4.4通用型集成運放電路簡介

4.4.1BJT集成運放電路

1.輸入級V1、V2和V3、V4組成共集-共基差動放大電路。V5