1、第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 第第3章章 多級放大電路及集成運多級放大電路及集成運算放大器算放大器 3.1 多級放大電路多級放大電路 3.2 差動式放大電路差動式放大電路3.3 功率放大電路功率放大電路 3.4 集成運算放大器及應用集成運算放大器及應用 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 3.13.1 多級放大電路多級放大電路 一、一、多級放大電路的組成多級放大電路的組成由輸入級、中間級、輸出級組成。由輸入級、中間級、輸出級組成。信號源輸入級中間級輸出級負載多級放大電路 圖3.1 多級放大電路框圖 第第3章章 多級放大電

2、路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 二、多級放大電路的耦合方式二、多級放大電路的耦合方式 多級放大電路是由兩級或兩級以上的單級放多級放大電路是由兩級或兩級以上的單級放大電路連接而成的。在多級放大電路中，把大電路連接而成的。在多級放大電路中，把級與級與級之間的連接方式稱為耦合方式級之間的連接方式稱為耦合方式。 要求前級的輸出信號通過耦合不失真地傳輸要求前級的輸出信號通過耦合不失真地傳輸到后級的輸入端。到后級的輸入端。 常見的耦合方式有常見的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合及阻容耦合、變壓器耦合及直接耦合直接耦合三種形式。三種形式。V1V2Ui.C1Rb1Rc1C2Rb2Rc2C3Uo.

3、UCC 圖3.2 阻容耦合兩級放大電路 阻容耦合阻容耦合耦合電容 阻容耦合的優點是：阻容耦合的優點是：前級和后級直流通路前級和后級直流通路彼此隔開，每一級的彼此隔開，每一級的靜態工作點相互獨立靜態工作點相互獨立，互，互不影響。便于分析和設計電路。阻容耦合在多不影響。便于分析和設計電路。阻容耦合在多級交流放大電路中得到了廣泛應用。級交流放大電路中得到了廣泛應用。 阻容耦合的缺點是：阻容耦合的缺點是：信號在通過耦合電容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。在集成電路里制造化緩慢的信號）很難傳輸。在集成電路里制造大電

4、容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦大電容很困難，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。合只適用于分立元件組成的電路。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1V2Ui.C1Rb11Ce1UCCRb12Re1Cb2Rb21Rb22Re2Ce2RLT1T2 變壓器耦合變壓器耦合 利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入端連接起來端連接起來 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 變壓器耦合的優點是：變壓器耦合的優點是：由于變壓器不能傳由于變壓器不能傳輸直流信號，且有隔直作用，因此各輸

5、直流信號，且有隔直作用，因此各級靜態工級靜態工作點相互獨立作點相互獨立，互不影響。變壓器在傳輸信號，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。的同時還能夠進行阻抗、電壓、電流變換。 變壓器耦合的缺點是：變壓器耦合的缺點是：體積大、笨重等，體積大、笨重等，不能實現集成化。不能實現集成化。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 直接耦合直接耦合 將前級和后級放大電路直接相連的耦合方式將前級和后級放大電路直接相連的耦合方式。 直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。缺點： a:靜態工作點相互牽制靜態工作點相互牽制 b:零點漂移現象。零

6、點漂移現象。由于溫度變化等原因，由于溫度變化等原因，使使放大電路在輸入信號為零時輸出信號不為零的現象放大電路在輸入信號為零時輸出信號不為零的現象稱為零點漂移。稱為零點漂移。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1V2Ui.Rb1Rc1Rb2Rc2Uo. UCC 圖3.4 直接耦合放大電路第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 零點漂移現象：零點漂移現象：uI0，uO0的現象。的現象。產生原因：產生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化。溫度變化，直流電源波動，器件老化。 其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，其中晶體管的特性對溫

7、度敏感是主要原因，也稱也稱為溫漂。為溫漂。克服溫漂的方法：克服溫漂的方法：引入直流負反饋，溫度補償。引入直流負反饋，溫度補償。 典型電路：典型電路：差分放大電路差分放大電路第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 3.2 差動式放大電路差動式放大電路 直接耦合存在著兩個特殊問題：直接耦合存在著兩個特殊問題： （1）靜態工作點的）靜態工作點的相互影響相互影響; （ 2）零點漂移。）零點漂移。 為了解決這兩個問題，采用差動式放大為了解決這兩個問題，采用差動式放大電路。電路。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1Ui1Rb1Rc1Rc

8、2Rb2UoRS1RS2Ui2 UCCV2 圖3.5 基本差動式放大電路即：即： 1= 2= UBE1=UBE2 RS1=RS2 RC1=RC2 Rb1=Rb2一一. 基本差動式放大電路基本差動式放大電路對稱性結構對稱性結構設設T ic1 , ic2 uc1 , uc2 uo= uc1 - uc2 = 0第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 1. 1. 差動放大電路一般有兩個輸入端：差動放大電路一般有兩個輸入端： 雙端輸入雙端輸入從兩輸入端同時加信號。從兩輸入端同時加信號。 單端輸入單端輸入僅從一個輸入端對地加信號。僅從一個輸入端對地加信號。 2. 2. 差動放

9、大電路可以有兩個輸出端。差動放大電路可以有兩個輸出端。 雙端輸出雙端輸出從從C1 和和C2輸出。輸出。 單端輸出單端輸出從從C1或或C2 對地輸出對地輸出。二二. 幾個基本概念幾個基本概念V1Ui1Rb1Rc1Rc2Rb2UoRS1RS2Ui2 UCCV2圖圖3.6 共模信號和差模信號示意圖共模信號和差模信號示意圖3.3.差模信號與共模信號差模信號與共模信號 差模信號差模信號 共模信號共模信號 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極性相反相等，極性相反的信號。的信號。 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極性相同相等，極性相同的信號。的信號。i1i2i1id

10、2=UUUU差模信號：差模信號：i2i1ic=UUU共模信號：共模信號：差模電壓放大倍數：差模電壓放大倍數：icocuc=UUA共模電壓放大倍數：共模電壓放大倍數：idodud=UUA總輸出電壓：總輸出電壓：icucidudocodo=UAUAUUU 在差動式放大電路中，無論是電源電壓波動或溫度變化都會使兩管的集電極電流和電位發生相同的變化,相當于在兩輸入端加入共模信號。由于電路的完全對稱性,使得共模輸出電壓為零，共模電壓放大倍數Auc=0，從而抑制了零點漂移。這時電路只放大差模信號。抑制零點漂移的原理 實際電路中，差動式放大電路不可能做到絕對實際電路中，差動式放大電路不可能做到絕對對稱，對稱

11、，U Uococ0 0，A Au uc c00，即共模輸出電壓不等于零。，即共模輸出電壓不等于零。共模抑制比是衡量差動式電路對共模信號的抑制能共模抑制比是衡量差動式電路對共模信號的抑制能力力, , 用用K KCMRRCMRR表示。表示。4.4.共模抑制比共模抑制比ucudCMRRAAK KCMRR越大，差動式放大電路放大差模信號（有用信號）的能力越強，抑制共模信號（無用信號）的能力越強，即KCMRR越大越好。理想差動式電路的共模抑制比KCMRR。第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 Ui1Rc1Rc2UoRS1RS2Ui2 UCCRe UEE圖3.7 帶Re的差

12、動式放大電路三三. 帶帶Re的差動式放大電路的差動式放大電路長尾式差動放大電路長尾式差動放大電路第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 1. 穩定靜態工作點的過程穩定靜態工作點的過程 T(C) IC1 IC1 IC2 IC2 IEUReUEUBE1IB1 UBE2IB2 Re越大工作點越穩定，但Re過大會導致UE過高使靜態電流減小，負電源-UEE可補償Re上的壓降。第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 eEERe)(7 . 0=RUVI2. 靜態分析靜態分析 ：0=i2i1UU 忽略忽略Ib，有：有：Ub1=Ub2=0VReCC2C

13、121=IIII CE2CE1= UU)7 . 0(CCCC RIV CB1B1III Ui1Rc1Rc2UoRS1RS2Ui2 UCCRe UEE第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 3. 動態分析：動態分析：差動式放大電路的輸入輸出方式差動式放大電路的輸入輸出方式 雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出（雙入雙出雙入雙出） 雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出（雙入單出雙入單出） 單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出（單入雙出單入雙出） 單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出（單入單出單入單出）第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1Ui1Rc

14、1Rc2RLRS1RS2Ui2 UCCV2 UEEIS 圖3.9 雙端輸入雙端輸出雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 此電路適用于輸入、輸出不需要接地，對稱輸此電路適用于輸入、輸出不需要接地，對稱輸入，對稱輸出的場合。入，對稱輸出的場合。 cobeSiRrrRr2)(2輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻 差模電壓放大倍數為差模電壓放大倍數為:)2/(LcLbeSLudRRRrRRA第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1Ui1Rc1Rc2RLRS1RS2 UCCV2 UEEIS 圖3.10單端

15、輸入雙端輸出 單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1UiRc1Rc2RLRS1RS2 UCCV2 UEEIS 圖3.11 單端輸入單端輸出 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 V1Ui1Rc1Rc2RLRS1RS2 UCCV2 UEEUi2IS 圖3.12 雙端輸入單端輸出 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 從幾種電路的接法來看，只有輸出方式對從幾種電路的接法來看，只有輸出方式對

16、差模放大倍數和輸入、輸出電阻有影響，不論差模放大倍數和輸入、輸出電阻有影響，不論哪一種輸入方式，哪一種輸入方式，只要是雙端輸出，其差模放只要是雙端輸出，其差模放大倍數就等于單管放大倍數，單端輸出差模大倍數就等于單管放大倍數，單端輸出差模電電壓放大倍數為雙端輸出的一半。壓放大倍數為雙端輸出的一半。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 3.3 功率放大電路功率放大電路 功率放大電路與電壓放大器的區別是：功率放大電路與電壓放大器的區別是：電壓放大器：多級放大器的前級，電壓放大器：多級放大器的前級，它主要對小它主要對小信號進行電壓放大，主要技術指標為信號進行電壓放大，

17、主要技術指標為Au、Ri、R0等。等。功率放大電路：多級放大器的最后一級功率放大電路：多級放大器的最后一級，它要，它要帶動一定負載，如揚聲器、電動機、儀表、繼帶動一定負載，如揚聲器、電動機、儀表、繼電器等電器等，所以，所以，功率放大電路要求獲得一定的功率放大電路要求獲得一定的不失真輸出功率。不失真輸出功率。信號源輸入級中間級輸出級負載多級放大電路第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 1. 特點特點 通常是在大信號狀態下工作，是以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得一定的不失真的輸出功率。 它要求：輸出功率盡可能大；輸出功率盡可能大； 效率要高；效率要高； 非線

18、性要小；非線性要小； 考慮管子的散熱問題。考慮管子的散熱問題。一一. 功率放大電路的特點及分類功率放大電路的特點及分類第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 2.功率放大器的分類功率放大器的分類 分類原則：根據功放管工作點選擇的不同進行分類。有甲類、乙類及甲乙類功率放大器。第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 甲類方式：晶體管在信號的整個周期內均處于導通狀態 乙類方式：晶體管僅在信號的半個周期處于導通狀態 甲乙類方式：晶體管在信號的多半個周期處于導通狀態甲類乙類甲乙類第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大

19、器 iCQUCCuCE(a)O 圖3.13功率放大器的分類（a）甲類功放;2導通角：第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 圖3.13功率放大器的分類（b）乙類功放;iCQUCCuCEO(b)導通角：第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 圖3.13功率放大器的分類（c）甲乙類功放 iCQUCCO(c)uCE2導通角：二二. 乙類互補對稱功放乙類互補對稱功放 如果電路處在甲類狀態，則靜態工作電如果電路處在甲類狀態，則靜態工作電流大，效率低。若用一個管子組成甲乙類或流大，效率低。若用一個管子組成甲乙類或乙類放大電路，就會出現嚴重的失真現

20、象。乙類放大電路，就會出現嚴重的失真現象。 乙類互補對稱功放，選用乙類互補對稱功放，選用兩個兩個特性接近特性接近的管子，使之都工作在乙類狀態。的管子，使之都工作在乙類狀態。一個一個在正在正弦信號的弦信號的正半周正半周工作，工作，另另一個一個在在負半周負半周工作，工作，便可得到一個完整的正弦波形。便可得到一個完整的正弦波形。既可保持靜既可保持靜態時功耗小，態時功耗小，又可減小失真。又可減小失真。 25%OCL電路輸入電壓的正半周：輸入電壓的正半周： VCCT1RL地地輸入電壓的負半周：輸入電壓的負半周： 地地RL T2 VCC兩只管子交替導通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。兩只管子交替導通，兩路電

21、源交替供電，雙向跟隨。靜態時，靜態時，UEQ UBQ0。圖圖3.14 乙類互補功率放大電路及波形乙類互補功率放大電路及波形%5 .784VmomPP效率：電源提供功率輸出功率第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 三三. 甲乙類互補對稱電路甲乙類互補對稱電路 乙類互補對稱電路效率高，但由于三極管存在乙類互補對稱電路效率高，但由于三極管存在死區，形成死區，形成交越失真交越失真。采用。采用甲乙類互補對稱電路甲乙類互補對稱電路，克服交越失真問題。克服交越失真問題。 其原理是靜態時，在其原理是靜態時，在VD1、VD2管上產生的壓降管上產生的壓降為為V1、V2管提供了一個適

22、當的正偏電壓，使之處管提供了一個適當的正偏電壓，使之處于于微導通狀態微導通狀態。由于電路對稱，靜態時。由于電路對稱，靜態時iC1=iC2，io=0，Uo=0。有信號時。有信號時，由于電路工作在甲乙類，由于電路工作在甲乙類，即使即使ui很小，也基本上可線性放大。很小，也基本上可線性放大。 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 12 VV1V2ui 12 VuoRL1000 Hz(a)uot交越失真(b)O 圖 3.16交越失真波形（a）演示電路; （b） 輸出波形 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 動畫17-3第第3章章 多級放

23、大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 uiuoRL UCCV1V2R2VD2VD1R1RWb1b2 UEE圖3.17 二極管偏置互補對稱電路 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 3.4 集成運算放大器及應用集成運算放大器及應用是一種是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的的直接耦合放大電路直接耦合放大電路集成運算放大器：集成運算放大器：電路方框圖電路方框圖中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路 盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,

24、盡量提高盡量提高KCMR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大中間級應有足夠大的電壓放大倍數中間級應有足夠大的電壓放大倍數輸出級主要提高帶負載能力，給出輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小。小。 rid 高高:幾十幾十k 幾百幾百k 特點：特點：理想運放：理想運放： rid KCMRR很大很大KCMRR rod 小：幾十小：幾十 幾百幾百 rod 0 A ud 很很大大:104以上以上 107Aud 一一.集成運放的特點和符號集成運放的特點和符號運放符號：運放符號： u u+ uo 反向輸入端同向輸入端第第3章章 多級放大電路及集成

25、運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 二二. . 集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性uo Uom UomO非線性區線性區非線性區ui圖3.18 集成運放的傳輸特性第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 三三. .集成運放的線性及非線性特點集成運放的線性及非線性特點線性：線性： 條件：引入深度負反饋。當集成運放工作在線性區時,輸出電壓在有限值之間變化,而集成運放的Aud,則uid=uod/Aud0,由uid=uu,得 uu 上式說明,同相端和反相端電壓幾乎相等,所以稱為虛假短路,簡稱“虛短”。第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器

26、由集成運放的輸入電阻rid,得0ii 上式說明上式說明, ,流入集成運放同相端和反相端的流入集成運放同相端和反相端的電流幾乎為零電流幾乎為零, ,所以稱為虛假斷路所以稱為虛假斷路, ,簡稱簡稱“虛斷虛斷”。 ,0u 如果信號從反向端輸入，同相端接地如果信號從反向端輸入，同相端接地 0u反相端近于反相端近于“地地”電位，即電位，即虛地虛地。第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 當當 時，時，uuomoUu非線性特點：非線性特點： 當集成運放工作在開環或正反饋時在開環或正反饋時,由于Aud很大,只要有微小的電壓輸入,集成運放就一定工作集成運放就一定工作在非線性區在非

27、線性區。其特點是:輸出電壓只有兩種狀態,不是正飽和電壓Uom,就是負飽和電壓UomomUou當當時，時， uu另外一個特點是虛斷，即另外一個特點是虛斷，即0ii第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 四四. . 集成運放的線性應用集成運放的線性應用常見的常見的基本運算基本運算電路有比例、加法、減法、電路有比例、加法、減法、微積分和乘法運算等微積分和乘法運算等 uu0iifii 10uu111RuRuuiiiFFfRouRouuii1FouRRu1FiofRRuuAuR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o1ifi1、反相比例運算電路、反相比例運

28、算電路平衡電阻，保證輸入端平衡電阻，保證輸入端對地的靜態電阻相等對地的靜態電阻相等R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o電路的輸入電阻1iRR 平衡電阻F12/RRR 第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 例題例題1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo 、Ri。說明。說明R0的的作用，作用， R0應為多大？應為多大？特點：特點：u u= =u u+ +=0=0 R0為平衡電阻：為平衡電阻： R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu+ffoi110Ri1RR210201ffRRAuVuAuiuo2) 1)(2(f第第3章章 多級放大電路及集成運算放大器多級放大電路及集成運算放大器 2、同相比例運算電路、同相比例運算電路R2