第三章

集成運算放大器的單元電路主講人：詹華偉1集成運算放大器的單元電路3.1集成運算放大器概述3.2直接耦合多級放大電路3.3差分放大電路3.4互補功率放大電路23.1集成運算放大器概述利用集成電路的制造工藝，將電子元器件和連線制作在同一片半導體芯片上，構成具有特定功能的電路，稱為集成電路。集成運算放大器是一個直接耦合高增益的多級放大電路。早期主要用來完成一些數學運算，故此得名。它一般由三級組成：輸入級是差分放大電路，中間級是高增益放大電路，輸出級是互補推挽電路。另外還有一些輔助環節，例如偏置電流源、電位移動電路等。3集成電路的特點（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現需要對稱結構的電路。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。4集成運算放大器的結構圖輸入級采用高性能的差分放大電路來提高對某些干擾信號的抑制能力中間放大級提供很高的電壓增益，以保證運放應用電路的運算精度互補輸出級由PNP和NPN兩種極性的晶體管或復合管組成，以獲得正、負兩個極性的輸出電壓或電流，同時有較強的帶負載能力。5集成運算放大器的結構圖偏置電流源為各放大級提供穩定的靜態工作電流，從而達到穩定各級靜態工作點的目的。電位移動電路使各放大級靜態工作點的電位合理，并且使輸入為零時，輸出也為零，即零輸入零輸出。63.2直接耦合多級放大電路3.2.1多級放大電路的耦合方式3.2.2零點漂移3.2.3直接耦合放大電路的電位移動3.2.4多級放大電路電壓放大倍數的計算73.2.1多級放大電路的耦合方式

基本放大電路的放大倍數通常只能達到幾十倍至一、二百倍，在要求放大倍數更高時，就要由多個單元電路級聯成多級放大電路。多級放大電路的級與級之間、信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間的連接均稱為耦合。8對耦合電路要求：要求動態:

傳送信號減少壓降損失

靜態：保證各級Q點不受影響波形不失真第一級第二級第n-1級第n級輸入輸出耦合9電抗性元件耦合變壓器耦合方式

常見的耦合方式直接耦合方式阻容耦合方式10直接耦合方式級間電路通過電阻連接或者前一級輸出端直接接到后一級輸入端的耦合方式。優點：

各級放大器靜態工作點相互影響。

輸出溫度漂移嚴重。缺點：

可放大緩慢變化的信號。

電路中無電容，便于集成化。集成電路中應用廣泛11阻容耦合方式級間電路采用電容進行連接的耦合方式。優點：缺點：

各級放大器靜態工作點獨立。

輸出溫度漂移比較小。

不適合放大緩慢變化的信號。

不便于作成集成電路。分立元件電路中應用廣泛123.2.2零點漂移

零點漂移：放大電路輸入信號為零時，輸出有緩慢變化的電壓信號產生。簡稱零漂。產生原因：主要是由于晶體管參數（ICBO、ICEO、UBE、β）會隨著溫度的變化而波動，溫度變化是產生零漂的主要原因，所以有時也稱為溫度漂移，簡稱溫漂。溫漂指標：溫度每升高1度時，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。13例如若第一級漂了100uV，則輸出漂移1V。若第二級也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設

第一級是關鍵減小零漂的措施采用溫度補償采用差分式放大電路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV直流負反饋143.2.3直接耦合放大電路的電位移動

直接耦合放大電路VC1=VB2VC2=VB2+VCB2

=VC1+VCB2

＞

VC1

前后級的直接耦合

這種方式的缺點：各級靜態工作點互相影響，集電極電位會逐級提高，難以設置正確的靜態工作點。因此只適用于級數較少的放大電路。15解決方案一：NPN+PNP組合由于NPN管集電極電位高于基極電位，PNP管集電極電位低于基極電位，它們的組合使用可避免集電極電位的逐級升高。NPN和PNP管組合16電流源電位移動電路在模擬集成電路中，常采用這種電位移動電路。電流源在電路中的作用實際上是個有源負載，其上的直流壓降小，通過R1上的壓降可實現直流電位移動。但電流源交流電阻大，在R1上的信號損失相對較小，從而保證信號的有效傳遞。同時,輸出端的直流電位并不高，實現了直流電位的合理移動。電流源電位移動電路

解決方案二：173.2.4多級放大電路電壓放大倍數計算一、電壓放大倍數二、輸入電阻三、輸出電阻

對電壓放大電路的要求：Ri大，Ro小，Au數值大，最大不失真輸出電壓大。18

在求分立元件多級放大電路的電壓放大倍數時有兩種處理方法。輸入電阻法開路電壓法是將后一級的輸入電阻作為前一級的負載考慮，即將第二級的輸入電阻與第一級集電極負載電阻并聯。是將后一級與前一級開路，計算前一級的開路電壓放大倍數和輸出電阻，并將其作為信號源內阻加以考慮，共同作用到后一級的輸入端。19現以NPN和PNP管組合的兩級放大電路為例加以說明，三極管的參數為

1=2==100，VBE1=VBE2=0.7V。計算總電壓放大倍數。分別用輸入電阻法和開路電壓法計算。兩級放大電路20一、用輸入電阻法求電壓增益（1）求靜態工作點212223（2）求電壓放大倍數先計算三極管的輸入電阻：24電壓增益：25

如果求從VS算起的電壓增益，需計算第一級的輸入電阻

Ri1=rbe1//Rb1//Rb2

=3.1//51//20

=3.1//14.4=2.55k26二、用開路電壓法求電壓增益

第一級的輸出電阻：

第一級的開路電壓增益：

第二級的電壓增益：

總電壓增益：27集成運算放大器的單元電路3.1集成運算放大器概述3.2直接耦合多級放大電路3.3差分放大電路3.4互補功率放大電路3.5運算放大器的參數和型號283.3差分放大電路

前面提到了在多級放大電路中采用直接耦合存在著兩個特殊問題，一是靜態工作點的相互影響，二是零點漂移。為了解決這兩個問題，可采用差分放大電路。也叫做差動放大電路，簡稱差放。293.3.1差分放大電路的組成即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=

rbe

Rc1=Rc2=

RcRs1=Rs2=

Rs差分放大電路

對稱性電路結構，其含義是兩個三極管VT1、VT2的特性一致，電路參數對應相等。303.3.2差分放大電路的輸入和輸出方式信號從三極管的兩個基極加入稱為雙端輸入；信號從三極管的一個基極對地加入稱為單端輸入。反相輸入端同相輸入端在輸入端ui1輸入極性為正的信號，輸出信號極性與其相反，稱該輸入端為反相輸入端。在輸入端ui2輸入極性為正的信號，而輸出信號極性與其相同，稱該輸入端為同相輸入端。31

差分放大電路的四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙----雙）

2.雙端輸入、單端輸出（雙----單）

3.單端輸入、雙端輸出（單----雙）

4.單端輸入、單端輸出（單----單）

差分放大電路可以有兩個輸出端，一個是集電極C1另一個是集電極C2。從C1

和C2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或C2

對地輸出稱為單端輸出。3.3.2差分放大電路的輸入和輸出方式323.3.3差模信號和共模信號差模信號

共模信號Ot直流信號交直流信號Oui2tui1是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相反的信號。是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。333.3.3差模信號和共模信號

差模、共?；旌闲盘柺侵竷蓚€極性相同（或不同）、幅度不等的信號加在差分放大電路的輸入端，則相當于一組差模信號迭加在共模信號上，共同加在差分放大電路的輸入端。差模、共模混合信號ui1、ui2如圖所示。

差模、共模信號混合的情況34在差分放大電路中有兩個輸入信號ui1、ui2

。uid為差分放大電路的差模輸入信號，顯然uid是兩個輸入信號之差,即uic為差分放大電路的共模輸入信號。它是兩個輸入信號的算術平均值，即3.3.3差模信號和共模信號35用共模信號和差模信號表示兩個輸入信號時，在差模信號和共模信號同時存在的情況下輸出電壓：

差分放大電路的差模電壓增益差分放大電路的共模電壓增益3.3.3差模信號和共模信號其中，uod與uoc分別是差模輸出信號和共模輸出信號36例如：ui1=10sinωt(mV),ui2=4sinωt(mV)，則

一般情況：對于任意輸入的信號:ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量的組合形式。例:ui1=20mV,ui2=10mV則：uid=10mV,uic=15mV差模分量:共模分量:3.3.3差模信號和共模信號37

任意輸入信號時差動放大器(a)原電路；(b)分解為差模和共模信號電路38差分放大電路對差模信號的放大示意圖如圖。兩集電極電位一個升高（uC2增加），一個下降（uC1減?。拖筌E蹺板一樣。差分放大電路對差模信號放大能力強。差模輸入時集電極的輸出情況3.3.3差模信號和共模信號39差分放大電路對共模信號的放大示意圖如圖。如果輸入是共模信號且幅度相等，兩集電極電位（uC1和uC2）同時以相同幅度、向相同方向變化。在電路對稱的條件下，兩集電極之間輸出uo=0。所以，差分放大電路對共模信號放大能力弱（理想情況下無放大作用）。雙端輸出對共模信號有較強的抑制能力，而單端輸出對共模信號抑制能力較弱。共模輸入時集電極的輸出情況3.3.3差模信號和共模信號40抑制零點漂移的原理在差分放大電路中，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集電極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Ac=0，從而抑制了零點漂移。這時電路只放大差模信號。

實際上，差分放大電路對零漂的抑制，一是靠對稱，而是靠Re。雙端輸出這兩條都可以利用，而單端輸出只利用Re這一條。413.3.4差分放大電路的靜態分析雙端輸入雙端輸出差分放大電路o+-u

雙端輸入雙端輸出差分放大電路如圖所示。

42雙端輸入雙端輸出差分放大電路對IE1來說,等效2Re433.3.5差分放大電路的差模動態分析3.3.5.1差模電壓放大倍數ic1ic2ie1ie2

雙端輸入雙端輸出差分放大電路-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRou+-+idui1ui2uRRLR+

1.雙端輸入雙端輸出

Re=0

RL的中點相當于公共端（等效地）,對VT1、VT2各取

44微變等效電路如圖所示:

差模電壓放大倍數

45微變等效電路如圖所示:

差模輸入電阻差模輸出電阻差模輸入電阻：差模輸出電阻：

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。-+idui2usRsrbeRc2RLrbeRc2RLbiodu+-+-+-uod2uod2+--+bibibibbibi1uR46

差模輸入：放大器的兩個輸入端分別輸入大小相等極性相反的信號(即ui1=-ui2)，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸出電壓

差模輸入信號47差模電壓放大倍數

即差動式放大電路的差模電壓放大倍數等于單管共射極電路的電壓放大倍數。

式中

482.

雙端輸入單端輸出Lod1u-idui2uRsRsrbeRcrbeRcRbi+-+-+-+bibibibbibi1u-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRod1u+-+idui1ui2uRRLR+（a）從C1輸出其中輸入與輸出反相49-++-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRod2u+-+idui1ui2uRRLR+（b）從C2輸出Lod2u+idui2uRsRsrbeRcrbeRcRbi+-+-+--bibibibbibi1u輸入與輸出同相50微變等效電路如圖所示:

差模輸入電阻差模輸出電阻差模輸入電阻：差模輸出電阻：此電路適用于雙端輸入轉換成單端輸出的場合。od-idui2usRsrbeRcrbeRcRLbi+-+-+-u+bibibibbibi1uR513.

單端輸入雙端輸出+-+-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouiuLR+(a)單端輸入雙端輸出差分電路+-+-CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouLR+-+iu2iu2iu2+-(b)對輸入信號進行等效變換523.

單端輸入雙端輸出由于輸入信號中有差模和共模信號兩部分，則輸出信號也由兩部分組成。就差模信號而言，單端輸入時電路的工作狀態與雙端輸入時的工作狀態一致，故單端輸入雙端輸出的差模電壓放大倍數與雙端輸入雙端輸出的差模電壓放大倍數相同。此電路適用于單端輸入轉換成雙端輸出的場合。534.

單端輸入單端輸出由前面的分析可知，單端輸入時差分電路的工作狀態與雙端輸入時的工作狀態一致，所以其單端輸入單端輸出的差模電壓放大倍數與雙端輸入單端輸出的差模電壓放大倍數相同。-+-+CCVEEV-cRcR1VT2VTsRsReRouiuLR+此電路適用于輸入輸出均有一端接地的場合54從幾種電路的接法來看，輸入方式對電路差模輸入電阻沒有影響,只有輸出方式對差模放大倍數和輸出電阻有影響，不論哪一種輸入方式，只要是雙端輸出，其差模放大倍數就等于單管放大倍數，單端輸出差模電壓放大倍數為雙端輸出的一半。3.3.5.2差模輸入電阻和輸出電阻55共模輸入分析：△uI1=△

uI2=△uIc，稱之為共模輸入信號。3.3.6差分放大電路的共模動態分析56

以上計算結果表明：（1）單端輸出時，差放電路對共模信號的抑制是通過Re的強烈負反饋實現的；（2）雙端輸出時，差放電路對共模信號的抑制主要是通過電路參數的對稱性實現的；在電路參數不完全對稱時，通過Re的強烈負反饋作用，進一步抑制共模信號。Re稱為共模抑制電阻。共模電壓放大倍數共模電壓放大倍數573.3.6.2共模抑制比，或反映抑制零漂能力的指標定義：雙端輸出，理想情況下

KCMR→∞。單端輸出共模抑制比：增大KCMR，可以通過增大Re來實現58長尾式差分放大電路分析Re對共模電壓放大倍數和差模電壓放大倍數的影響。長尾式差分放大電路-+-CCVEEV-c2Rc1R1VT2VTeRous1Rs2R+i1ui2u+-+59

Re穩定靜態工作點的過程加Re后，當溫度上升時，由于IC1和IC2同時增大，穩定過程實質上是一個負反饋過程。T(°C)↑→IC1↓IC1↑IC2↑IC2↓→IE↑→URe↑→UE↑→UBE1↓→IB1↓

UBE2↓→IB2↓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，加入負電源-VEE可補償Re上的壓降。60射極電阻Re的作用：（1）直流負反饋，穩定靜態工作點（2）Re對共模信號有抑制作用（原理同上，即由于Re的負反饋作用，使Ie基本不變）（3）Re對差模信號相當于短路61

通過對帶Re的差動式放大電路的分析可知，Re越大，KCMR越大，但增大Re，相應的負電源VEE也要增大。顯然，使用過高的VEE是不經濟的。此外,Re直流能耗也相應增大。而且，集成電路里制造大電阻也很困難。所以，靠增大Re來提高共模抑制比是不現實的為解決這個問題，可以用恒流源電路來代替Re，電路如圖所示。T3管采用穩壓管VZ提供穩定的基極偏置電壓，無論T1、T2管有無信號輸入，Ib3恒定，IC3恒定，所以T3稱為恒流管。3.3.7恒流源差分放大電路62

圖中IC3=IE3，由于IC3恒定，IE3恒定，則ΔIE→0，這時動態電阻rd為

恒流源對動態信號呈現出高達幾兆歐的電阻，而直流壓降不大，可以不增大-UEE。rd相當于Re，所以對差模電壓放大倍數Aud無影響。對共模電壓放大倍數Auc相當于接了一個無窮大的Re，所以Auc→0，這時KCMR→∞。實現了在不增加-UEE的同時，提高了共模抑制比的目的。恒流源電路可用恒流源符號表示63

具有恒流源的差動式放大電路-+-CCVEEV-c2Rc1R1VT2VTous1Rs2R+i1ui2u+-+IS64恒流源相當于阻值很大的電阻。恒流源不影響差模放大倍數。恒流源使共模放大倍數減小，從而增加共模抑制比。理想的恒流源相當于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比無窮大。恒流源的作用65重要結論要盡可能的提高差分放大器的共模抑制比，兩個關鍵因素是：

電路對稱性； 共射極電阻。66集成運算放大器的單元電路3.1集成運算放大器概述3.2直接耦合多級放大電路3.3差分放大電路3.4互補功率放大電路3.5運算放大器的參數和型號673.4互補功率放大電路功率放大電路與電壓放大器的區別是，電壓放大器是多級放大器的前級，它主要對小信號進行電壓放大，主要技術指標為電壓放大倍數、輸入阻抗及輸出阻抗等。而功率放大電路則是多級放大器的最后一級，它要帶動一定負載，如揚聲器、電動機、儀表、繼電器等，所以，功率放大電路要求獲得一定的不失真輸出功率。68例：

擴音系統執行機構功率放大電壓放大信號提取69功率放大電路的特點

（1）輸出功率足夠大。常常工作在大信號狀態，接近極限工作狀態。

（2）效率高。功率放大器的效率是指負載上得到的信號功率與電源供給的直流功率之比。70

（3）非線性失真小。功率放大器是在大信號狀態下工作，電壓、電流擺動幅度很大，極易超出管子特性曲線的線性范圍而進入非線性區造成輸出波形的非線性失真。因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴重。

（4）保護及散熱。功放管承受高電壓、大電流，因而功放管的保護及散熱問題也應重視。71分析功放電路應注意的問題(1)功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數不能超過晶體管的極限值:ICM

、UCEM

、

PCM

。ICMPCMUCEMIcuce72(2)電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。(3)電源提供的能量盡可能轉換給負載，減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。Pomax

:負載上得到的交流信號最大功率。PV：

電源提供的直流功率。733.4.1三極管的工作狀態乙類（B類）甲類（A類）甲乙類（AB類）丙類（C類）丁類（D類）導通角為360°；效率低≤50%。OωtiC2PIPI3PIIC甲類共射極放大電路74導通角為180°；效率≤78.5%。零偏置共射極放大電路乙類tiC2PIPI3PIωO75甲乙類OωtiCIC導通角≥180°；效率接近乙類導通角≤

180°；效率可達90%OωtiC丙類2PIPI3PI76

3.4.2乙類互補輸出電路OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補對稱功放的類型：

互補對稱功放的類型

無輸出變壓器形式（OTL電路）無輸出電容形式（OCL電路）771電路組成管耗小效率高失真嚴重

3.4.2乙類互補輸出電路78基極輸入

射極輸出

負載

PNPNPN乙類互補功率放大電路（OCL）79

(a)(b)(c)乙類互補功率放大電路兩個射極輸出器組合而成

射極輸出器輸出電阻小、帶負載能力強

802工作原理乙類互補功率放大電路iE181uiuououo

′交越失真死區電壓交越失真：輸入信號ui在過零前后，因三極管存在開啟電壓而在輸出端形成的非線性失真便為交越失真。輸入輸出波形圖3交越失真及其消除IB=0

82(1)靜態電流

IC