94在逗你
范文一：理想集成运放
理想集成运放
为便于分析，通常将集成运放看成理想集成运放。所谓的理想集成运放就是将实际的集成运放性能指标理想化，以便于电路的分析和计算。由于实际集成运放的性能指标与理想运放比较接近，所以用理想运放代替实际运放所引起的误差并不大，在工程计算中是允许的，而且可以使运放应用电路的分析简化。具体地说，这些理想化的性能指标为:
开环差模电压放大倍数Aod??;差模输入电阻rid??;输出电阻ro?0;共模抑制比KCMR??等。
1、理想集成运放在线性区的特点
设集成运放同相输入端和反相输入端的电位分别为up和un，电流分别为ip和in。当集成运放工作在线性区时，输出电压与输入差模电压呈线性关系，即应满足
(1)
由于uo为有限值，对于理想集成运放Aod??，因而净输入电压up-un=0，即up=un。
这个结论称两个输入“虚短路”。所谓“虚短路”是指集成运放的两个输入端电位无穷接近，但又不是真正短路的特点。
因为净输入电压为零，又因为理想集成运放的输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即ip=in=0。
换句话说，即从集成运放输入端看进去相当于断路，称两个输入端“虚断路”。所谓“虚断路”是指集成运放两个输入端的电流趋于零，但又不是真正断路的特点。
应当特别指出，“虚短”和“虚断”是非常重要的概念。对于集成运放工作在线性区的应用电路，“虚短”和“虚断”是分析其输入信号和输出信号关系的两个基本出发点。
2、集成运放工作在线性区的电路特征
对于理想集成运放，由于Aod??，因而若两个输入端之间加无穷小电压，则输出电压就将超出其线性范围，不是正向最大电压+UOM，就是负向最大电压-UOM;因此，只有电路引入负反馈，才能保证集成运放工作在线性区，集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈。
对于单个集成运放，通过无源的反馈网络将集成运放的输出端和反相输入端连接起来，就表明电路引入了负反馈，如图1所示。因此，可以通过电路是否引入了负反馈，来判断电路是否工作在线性区。
图1 集成运放引入负反馈
3、理想集成运放的非线性工作区
在电路中，若集成运放处于开环状态(既没有引入负反馈)，或只是引入了正反馈，则表明集成运放工作在非线性区。
对于理想集成运放，由于差模增益无穷大，只要同相输入端与反相输入端之间有无穷小的差值电压，输出就将达到正的最大值或负的最大值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，称集成运放工作在非线性工作区，其电压传输特性如图2所示。
图2 理想集成运放工作在非线性区的电压传输特性
理想集成运放工作在非线性工作区的两个特点如下:
?输出电压uo只有两种可能的情况，分别为+UOM或-UOM。当up>un时，uo=+UOM;当up<un时，uo=-UOM。
?由于理想集成运放的差模输入电阻无穷大，故净输入电
流为零，即ip=in=0。
可见，理想集成运放工作在非线性区时仍具有“虚断”的特点，但其净输入电压不再为零，而取决与电路的输入信号。对于集成运放工作在非线性区的应用电路，上述两个特点是分析其输入信号和输出信号的基本出发点。
范文二：集成运放及其理想特性
第一节 集成运放及其理想特性
新课
课 型 课 题 第二节 反馈放大器
授课班级 授课时数 2
1(了解集成运放的电路组成和图形符号。
2(掌握集成运放的性能指标和理想特性。
3(掌握反馈的基本概念及反馈性质的判别，了解反
教学目标 馈的类型。
4(了解负反馈对放大器性能的影响。
1(集成运放的性能指标和理想特性。 2(反馈的概念及反馈性质的判别方法。 教学重点
反馈类型的判别。
教学难点
学情分析
教学效果
教后记
- 50 -
A(引入 集成运算放大器是一种高输入阻抗、低输出阻抗、高电压增益的直 新课 接耦合放大器。它不仅能放大交流信号，而且还能放大频率接近于零的(引入集缓慢变化信号，或极性固定不变的直流变化量，这是阻容耦合和变压器耦合放大器力所成运放的不及的。 概念)
B(新授课
第一节 集成运放及其理想特性
一、集成运放的电路组成
(引导学
生参考教
材资料)
1( 输入级
输入级是接受微弱电信号、抑制零漂的关键一级，决定整个电路性能指标的优劣。
输入级均采用带恒流源的差分放大器。能有效抑制零漂、具有较高的输入阻抗及可 观的电压增益。
2(中间级
主要任务是提供足够的电压增益，又称放大级。采用恒流源负载共发射极放大电路。 往往还附有射极跟随器，用以隔离中间级与输出级的相互影响，兼作电位移动。
3(输出级
采用射极(源极)输出器或互补对称电压跟随器组成。
要求:输入阻抗高，输出阻抗低，电压跟随性好。以减小或隔离与中间级的相互影 响，提高带负载能力。
4(偏置电路
偏置电路由各种恒流源、微电流源组成。任务是为集成运放各级提供合适的偏置电 流。
二、集成运放的外形和图形符号
1(外形
- 51 -
集成运放的外形封装有圆壳式、扁平式和双列直插式三种。
(展示实
物)
双列直插式引脚排列规则:将半圆凹口标记置于左方，自下而上逆时针转向可读出 各引脚的递增序号。 2(图形符号
“?”表示开环增益极高。 3(集成运放F324
特点:具有较宽的工作电压范围，并且既可采用双电源工作，又能可采用单电源工 作。
三、集成运放的性能指标
1(开环差模增益Avd
无反馈时集成运放差模电压增益，称为开环差模增益，记作。 Avd
(引导学它等于开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。，或用分A,V/(V,V)vdO-，生参考教20lgAdB贝表示。 vd材) 越大，集成运放性能越好。 Avd 2(输入失调电压 VIO 当输入电压为零时，为了使放大器输出电压也为零，在输入端外加的补偿电压，反
V映了运放的失调程度。越小，运放性能越好。 IO
- 52 -
,(输入失调电流IIO
输入电压为零时，两个输入端输入电流之差，称为输入失调电流。数值越小越IIO 好。 4(输入偏置电流(或) IIIBG 输入电压为零时，两个输入端静态偏置电流的平均值，称为输入偏置电流(或IIB ) 。IG 5(差模输入电阻 rid(引导学指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。越大，运放性能越好。 rid生参考教6(开环输出电阻 r材) o
电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。越小，运放性能越好。 r o
7(最大差模输入电压 V idm
两个输入端间所允许的最大共模电压。超过此电压，输入管将反向击穿。可达十几
伏 , 三十几伏。
8(最大共模输入电压 Vicm
两个输入端间所允许的最大共模输入电压。超过此电压，输入级无法正常工作。可
达几伏 ~ 二十几伏。
9(共模抑制比K CMR 电路开环情况下，差模放大倍数K与共模放大倍数之比。越大，表明分AAvdvcCMR K辩有用信号的能力愈强受共模干扰及零漂的影响越小，性能越优良。用分贝表示= CMR 20lg,/,dB一般约70 , 80dB以上。 AAvdvc 10(增益带宽积 增益带宽积是开环差模增益与开环通频带之积，最高可达数千兆赫。 Avd 11(转换速率SR 单位时间内对电压变化的响应范围。最高可达数千伏每微秒。
四、集成运放的理想特性
1(集成运放的理想特性: (讲解) (1)开环差模增益为无穷大，即? ,; AAvdvd (2)差模输入电阻为无穷大，即? ,; rridid
(3)开环输出电阻为零，即, 0; rroo (,)共模抑制比为无穷大，? ,; KCMR (5)开环通频带无限宽，即BW? ,。 2(理想运放的图形符号
“,”表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。
- 53 -
3(集成运放的传输特性
输出特性分为线性区和非线性区(饱和区)。
(讲解) 与输入电压()呈线性关系: 当运放工作在线性区时，输出电压V,VVVOID,，
=() V,AVAV,VOvdIDvd,，
虚短:理想运放两输入端电位相等，好似短接但不是实际的短接，称为“虚短接”
或“虚短”。
虚断:理想运放两输入端无电流，好似断开但不是实际的断开，称为“虚断开”，
或“虚断”。
“虚短”或“虚断”是集成运放特有的极限状态或理想特性。
第二节 反馈放大器
一、反馈放大器及其分类
反馈:把放大器输出信号，按一定路径馈送到输入端的过程称为反馈。 反馈放大器:施加反馈的放大器称为反馈放大器。 (分析，讲反馈放大器组成:基本放大器(主网络)A和反馈网络F构成的闭合环路，简称闭解) 环。 1(正反馈和负反馈 '正反馈:反馈信号的加入使净输入信号，这种反馈称为正反馈。 x,xxiif '负反馈:反馈信号的加入使净输入信号，这种反馈称为负反馈。 x,xxiif 采用瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈。 瞬时极性法:与同极性，则为正反馈;与反极性，则为负反馈。 xxxx fifi
2(直流反馈和交流反馈
(讲解)
- 54 -
(讲解) 直流反馈:如果反馈网络F把放大器输出直流量馈送到输入端，则该放大引入的反
馈称为直流反馈。 交流反馈:把交流输出信号馈送到输入端的过程称为交流反馈。
引入的为直流反馈。引入的为交流反馈。 RCee
3(电压反馈与电流反馈
电压反馈:反馈信号取自输出电压，称为电压反馈。如图(a)。
电流反馈:反馈信号取自输出电流，称为电流反馈。如图(b)。
判断方法:若反馈信号取自放大管的信号电压输出极，则为电压反馈，如图(a)、
(c)。反馈信号取自放大管的非信号电压输出极，则为电流反馈，如图(b)、(d)。
(引导学
生分析) 4(串联反馈与反馈
串联反馈:反馈信号串接于输入回路的方式称为串联反馈。
并联反馈:反馈信号并接于输入回路的方式称为并联反馈。
判断方法:若反馈信号与输入信号一并送到放大管的输入极，则为并联反馈，如图
(c)、(d)。否则，反馈信号送到放大管的非信号输入极，则为串联反馈。如图(a)、
(b)。
[例 3-1] 试判别图示两电路中，前后两级放大器之间是否有反馈。若有反馈，试
判别反馈类型。
解:(1)判别级间有无反馈
- 55 -
将后级的输出回路与前级的输入图示电路都是由两级共发射极放大器组成的，Rf
回路联系起来。因此，电路级间存在反馈。
(2)判别是电压反馈还是电流反馈
图(a)中，反馈信号取自VT2的信号电压输出极，因而是电压反馈;图(b)中
反馈信号取自VT2的非信号电压输出极，所以是电流反馈。
(3)判断是串联反馈还是并联反馈 图(a)中，反馈信号送入VT1的非信号输入极，因而是串联反馈;图(b)中反 馈信号与输入信号一并送入VT1的信号输入极，所以是并联反馈。 (4)判断是正反馈还是负反馈 瞬时极性法:先在放大器输入端设定输入信号对地的极性为“+”或“,”，再依次 接相关点的相位变化情况推出各点信号对地的交流瞬时极性，再根据反馈到输入端的反 馈信号对地的瞬时极性判断，若使原输入信号减弱是负反馈，使原输入信号增强是正反 馈。 则图(a)、(b)均为负反馈。 综上分析，图(a)引入了电压串联负反馈;图(b)引入了电流并联负反馈。 (引导分
析)
(学生讨
论完成)
[例 3-2] 试判别图示各电路的反馈类型。 解:图(a)中，反馈信号取自输出电压，净输入电压，故电v,v,v,vvvfOdifi
路为电压串联负反馈放大电路。 图(b)中，反馈电压取自输出电流，净输入电压，故电路为viv,v,v,v fOdifi
- 56 -
电流串联反馈负放大电路。
' i,i,i,i取自输出电压，净输入电流，故电路为电图(c)中，反馈电流ivififOi 压并联反馈负放大电路。
' i,i,i,i图(d)中，反馈电流取自输出电流，净输入电流，故电路为电iiififOi 流并联反馈负放大电路。
(讲解)
二、闭环增益的一般表达式
反馈系数:接入负反馈后，将反馈信号与输出信号之比，定义为反馈系数F。 xxfo F,x/xfo ''x,x,x,x,Fx,x,AFx因为 ifioiii '所以 x,x/(1，AF)ii 'x,Ax,A(x,Fx),Ax,AFx又因为 oioioi 则负反馈放大器增益的一般表达式:
A,x/x,A/(1，AF)foi 引入负反馈后，放大器的闭环放大倍数降低了，且降低开环增益的AF。 反馈深度:(1+AF)反映了反馈的强弱程度，被称为反馈放大器的反馈深度。 当(1+AF)>> 1时，
A,A/(1，AF),A/AF,1/Ff
说明闭环深度反馈时，增益仅与反馈系数有关，与开环增益无关，由于反馈环节一
- 57 -
般都是由线性元件构成，性能稳定，因此闭环放大倍数稳定。
三、负反馈对放大器性能的改善 (引导学
生参考教1(负反馈使放大器增益的稳定性提高
材) 电压负反馈将稳定输出电压，电流负反馈将稳定输出电流。
2(负反馈改变放大器的输入电阻和输出电阻
(1)负反馈改变放大器的输入电阻
。 ? 串联负反馈使放大器输入电阻增大。r,(1，AF)rifi ? 并联负反馈使放大器输入电阻减小。 r,r/(1，AF)ifi
(2)负反馈改变放大器的输出电阻
? 电压负反馈使放大器的输出电阻减小。 r,r/(1，AF)ofo
? 电流负反馈使放大器的输出电阻增大。 r,(1，AF)rofo
1(什么是集成电路,集成电路有哪两大类,
2(什么是理想集成运算放大器,集成运放理想化的条件是什么, 3(什么是反馈,反馈有几种类型, 练习
4(负反馈对放大器的性能有哪些影响,
1(集成运放是一种高输入电阻、低输出电阻、高增益的集成电路，其内部是
由差分输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成的多级直流放大器。
2(虚短和虚断是集成运放外特性的理想描述，利用虚短和虚断概念，可以简
化集成运放应用电路的分析和计算。
3(反馈有正负之分，正反馈主要用于各种自激振荡器，负反馈则普遍用以改小结 善放大器的性能。负反馈放大器有电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负
反馈和电流并联负反馈四种类型。各种类型的负反馈将对放大器的众多性能指标均
有相应的改善。
P93习题三
3-2，3-3。 布置作业
- 58 -
新课 第三节 集成运放的应用 课 型 课 题
授课班级 授课时数 2
1(掌握集成运算放大器的基本运算电路。 2(掌握集成运算放大器的应用电路。 教学目标
1(同相和反相比例运算电路的电路组成和比例运算
关系。 2(运放的加减法电路。 教学重点 3(集成运算放大器的非线性应用和使用常识。
1(同相和反相比例运算电路的电路组成和比例运算
关系。
2(加、减运算电路组成和运算关系。 教学难点
学情分析
教学效果
教后记
- 59 -
A(引入 集成运放是一种十分理想的增益器件。其应用几乎涉及模拟信号处 新课 理的各个领域。除比较器和其他少数应用电路为开环工作外，大多数集
成运放应用电路都是接有反馈网络的闭环系统。
B(新授课
第三节 集成运放的应用
一、集成运放的线性应用 (一)反相和同相放大器 1(反相放大器 (1)电路组成
(引导学
生分析，讲
解)
输入信号通过送到集成运放的反相输入端，输出信号经反馈至反相输入vRvRI1Of
端，同相端接地。
(2)电压增益
A,v/v,(,iR)/(iR),,R/RvOIFfIIfI (3)结论
电压增益为负值，与反相，故称为反相放大器。` AvvvOI 的大小仅与和有关，选取阻值稳定、精度高的电阻和，是提高电压ARRRRv1f1f 增益精度的重要途径。 2(同相放大器
(1)电路组成
输入信号通过馈送到集成运放的同相输入端，输出信号经反馈至反相输vRvRI2Of 入端。 (2)电压增益 A,v/v,1，R/RvOIf1 (3)结论
- 60 -
为正值，输出电压与输入同相，故称为同相放大器。 电压增益vAvvOI
若取= 0，则有= 1，=，则电路成为电压跟随器。 vRAvfvOI
(二)运算电路 (讲解) 1(加法器和减法器
(1)加法器
? 反相加法器
电路输出电压:
v,,[(R/R)v，(R/R)v]Of1I1f2I2
可见，输出电压与输入电压反相，且是两输入信号加权后的负值相加，故称反vO
相加法器。
若取，则 R,Rv,,(R/R)(v，v)12Of1I1I2 若取，则 R,R,Rv,,(v，v)f12OI1I2 ? 同相加法器
(讲解)
'v,(1，R/R)[R/(R，R)]v单独作用时， vf1323I1I1O ''v,(1，R/R)[R/(R，R)]v单独作用时， vf1223I2I2 O
则、共同作用时， vvI1I2
v,(1，R/R){[R/(R，R)]v，[R/(R，R)]v} f1323I1323I2O 若取、，则。 R,RR,Rv,v，v23f1OI1I2 (2)减法器
- 61 -
通过送入反相输入端，通过送到同相输入端，即组成如图将输入信号vRvRI11I22
(学生讨所示的减法器电路。
论完成) v,(1，R/R)[R/(R，R)]v,(R/R)vOf1323I2f1I1 电路输出电压是两输入信号、加权相减。 vvvOI2I1
v,(R/R)(v,v)若取、，则。 R,RR,R f1I2I1123f O
v,v,v若取，则。 R,R,R,RI2I1123f O [例3-3] 选择各电阻的阻值，并画出集成运放电路图，使之实现下列运算:
(1) v/(v,v),5OI2I1 (2) v/(v，v),5OI2I1
(3) v/(v，v),,5OI2I1
解:
(1)由可知，可采用减法器电路，并取、，，v/(v,v),5R,RR,RR,5ROI2I1123f f1
即符合要求。 (2)同理，采用同相加法器电路连接，并取，，即满足要求。 R,RR,9R23f1 (3)同理，采用反相加法器电路连接，并取，即满足要求。 R,5R f1
2(积分和微分电路 (1)积分电路 ? 电路
(讲解)
? 输出电压
利用虚短和虚断特性可得 i,i,V/RC1II
v,0,v,,Q/C,,(1/C)idt,,(1/C)(v/R)dt,,(1/RC)vdt OCCCI11I,,,输出电压正比于输入电压对时间的积分，负号表示输出电压与输入电压反相。
直流输入时，输出电压将随时间线性增长。
设电容上的初始电压等于零(即t = 0时，)，且输入电压为恒定直流信号，v,0vCI
- 62 -
则
v,,{v/(RC)}tOI1
? 波形
(引导分
析)
? 应用
在自动控制系统中，积分电路常用来实现延时、定时和产生各种波形。时间常数
, ,取值越大，延时和定时时间越长，电路的抗干扰性能越强。 RC1 (2)微分电路
? 电路
? 输出电压
根据理想运放的虚短和虚断特性可得， i,i,iv,v,01CF，-(讲解)
v,,iR,,iR,,RC(dv/dt),,RC(dv/dt)OFfCffCfI 输出电压与输入电压的微分成正比，负号表示输出电压与输入电压反相。
? 波形
- 63 -
在输入信号突变时，输出为一尖脉冲，在输入信号无变化的平坦区域，电路无输出 电压。显然，微分电路对突变信号反应特别敏感。
? 应用
在自动控制系统中，常用微分电路来提高系统的调节灵敏度。
将比例(P)、积分(I)和微分(D)三部电路组成起来，可组成PID(比例积分电 路)调节器。
比例用于常规(主)调节、并作用于调节过程的始终;积分用于抑制干扰;微分用 于快速反应变化趋势并加以抑制。 (引导分
析) 二、集成运放的非线性应用
1(电压比较器
(1)基本电路
():参考电压或基准电压，加在集成运放的同相输入端。 VVREFR
:被比较的对象，送到集成运放的反相输入端。 vI
:输出电压反映比较的结果，或为高电平电压、或为低电平电压，以满足后面vO 连接的数字电路对1和0两种逻辑电平的要求。
(2)工作原理
集成运放工作于开环状态。其开环增益很高，两个输入电压有微小的差别，就会使
输出处于饱和状态。
，? < :则，集成运放输出正向饱和电压。="" vvv,v,v,v,v,0voiridir-，="" ,?=""> :则，集成运放输出负向饱和电压。 vvVv,v,V,v,v,0OIRIDIR-， (3)传输特性
- 64 -
比较器的输入输出关系即传输特性。 如果输入电压为正弦波，则比较器将输出同频率的矩形波，如图所示。
(4)过零比较器
，则输入电压每次过零时，输出电压就要产生跃变(反转)，取参考电压V,0vvREFIO
这种比较器称为过零比较器，又称过零检测器。
? 时，VZ1正向导通，VZ2反向击穿，输出电压。 v,0v,,(0.7V，V),,VIOZZ ? 时，VZ1反向击穿，VZ2正向导通，输出电压。 v,0v,0.7V，V,VIOZZ(讲解) 传输特性如图所示。
此外，还有抗干扰能力很强的迟滞比较器和检测给定范围电压的双限比较器。
2(限幅器
(1)功能
功能:将输出信号幅度限制在一定界限内。当信号在限幅界限内，限幅器的输出与
输入成正比，而信号超过限幅界限时，则其输出等于界限值。
(学生阅(2)电路和波形
读教材)
- 65 -
最简单的限幅器可以用双向稳压管作为限幅元件，如图(a)所示。输入正弦电压 时，未接和加接双向稳压管的输出波形如图所示。
三、集成运放使用常识
1(调零
(1)现象
集成运放由于失调电压和失调电流的存在，当输入信号为零时，输出不为零。 (讲解)
(2)措施
将输入端对地短接，利用外接调零电位器调整，使输出电压为零。
(3)调零电路
调零电路实例如图所示。
2(消除自激振荡
集成运放的开环增益很大，其内部存在寄生电容，使用时，如果引入深度负反馈， 容易引起自激振荡，使电路无法正常工作。目前大多数集成运放内部已接入相位补偿网 络，使用时不必外接补偿电路。
3(单电源供电
集成运放大多需要正、负双电源供电才能正常工作，但有些场合希望采用单电源， 这时可选用允许单电源工作的集成运放，如F324，如果选用双电源运放而必须单电源 供电，可采用图示电路。
- 66 -
1(理想集成运放应满足哪些条件,
2(集成运放有哪些线性和非线性应用,
练习 3(画出由集成运放组成的加法和减法运算电路，并分析其运算关系。
1(反相放大器、同相放大器是集成运放的两种基本应用电路，其他应用电路
都是在此基础上的拓展。
2(使用集成运放时，应注意调零、消振和过压、过流保护等。随着集成工艺 的发展，许多以往需要外加的保护电路和消振电路等都已移至集成电路内部，使用小结
极为方便。
P93习题三
3-6，3-7。 布置作业
- 67 -
新课 第四节 集成功率放大器 课 型 课 题
授课班级 授课时数 2
1(了解功率放大的一般知识和基本概念。 2(掌握基本功率放大电路的组成和原理。 教学目标
1(功率放大器的一般知识简介。 2(OCL电路及OTL电路的电路组成和工作原理。 教学重点
OCL电路及OTL电路的工作原理。
教学难点
学情分析
教学效果
教后记
- 68 -
A(引入 低频小信号放大器，虽有一定的功率输出，但只要求足够的输出电 新课 压或电流幅度，一般不注重输出功率。然而，终端负载一般都需要足够 的推动功率，因此还需设置功率放大器。
B(新授课
第四节 集成功率放大器
一、 功率放大器的基本问题 (讲解，引
1(功率放大器的性能要求 导学生阅
与小信号放大器相比，功率放大器有以下几个显著特点: 读教材)
首先，为了输出足够的功率，输入、输出电压和电流的幅度都很大，故功率放大器 又称大信号放大器。
其次，在大幅度信号作用下，功率放大管的非线性失真问题远比小信号放大器突出。
另外，为了充分发掘功率放大管的潜力，功放管的工作电压、工作电流及集电极耗 散功率都很大，并接近极限运用状态，因此，要使功率管不损坏，就不应超过管子的极 限参数，即工作在安全工作区内。
性能良好的功率放大器，应符合以下基本要求:
(1)输出功率足够大，以满足驱动负载的需要，并留有充分的功率裕量。
(2)非线性失真要小，以保证输出信号的逼真度。
(3)转换效率要高。设电源供给的直流功率为，输出最大信号功率为，则PPVom
电路的最大转换效率为。 ,,(P/P)，100%MomV
(4)散热条件好，以保证功放管安全工作。
- 69 -
2(提高输出功率和转换效率的主要途径 甲类放大:在正弦波信号的作用下，放大管在信号的整个周期内都有电流，导通角
= 2,，这种工作方式通常称为甲类放大。如图(a)所示。变压器耦合甲类放大器为 ,
的最大转换效率可达50%。
乙类或甲乙类放大器:将静态工作点Q下移至或，使无信号时放大管的电QQAB
流等于零或很小，有信号时只半个周期或稍大半个周期内导通，就转变为乙类或甲乙类
放大器。如图(b)、(c)所示。乙类或甲乙类放大器，减小了静态功耗，提高了效率，
但都出现了严重的波形失真。
二、乙类双电源互补对称功率放大器
1(电路组成及其工作原理
(1)电路组成
(讲解，分
析原理)
图(a)是基本互补对称电路图。
VT1、VT2:两个参数对称的异型管，VT1为NPN型;VT2为PNP型。
该电路实为两个射极输出器组合而成，如图(b)、(c)所示。
(2)工作原理
假设两管的导通电压均为零。
? ，VT1导通，VT2截止，VT1承担放大任务，电源向负载提供电流。 v,0，ViCC ? ，VT1截止，VT2导通，VT2承担放大任务，电源向负载提供电流。 v,0,ViCC 两管轮流导通，组成互补推挽式电路，供给负载电流，导通角各为 , ，故称为推 挽式乙类互补对称功率放大器。 2(输出功率和转换功率 (1)最大输出功率 Pom 22P,vI,(v/2)(I/2),(1/2)vI,(1/2)V/R,(1/2)V/R omOoomomomomLCCL om
(2)最大转换效率 , M
乙类互补对称电路的最大转换效率为
,,P/P,π/4,78.5% MomV
三、甲乙类互补对称功率放大器
- 70 -
上述乙类互补对称功率放大器存在着交越失真，如图所示。
必须在大于导通电压时才有显著变化。当输原因:放大管无直流偏置，而viBEB 入信号低于导通电压时，两管都截止，负载上无电流通过，出现一段死区，称为交越失 真。
1(甲乙类双电源互补对称电路
(1)电路特点
(引导学
生讨论总
结)
与乙类电路相比，增设了由电阻、、电位器和二极管VD1、VD2构成的RRR12P
偏置电路。
(2)工作原理
? 静态时，利用两个二极管的正向压降，适当选择、，调节，使RRR12P 略高于两管的导通电压，功放管VT1、VT2即处于微导通状态。 (V,V)BQ1BQ2 ? 动态时，因阻值很小，可认为输入信号是等幅输入VT1、VT2两管基极的。RvPi 则在作用下，两管的导通角 , 都大于 , ，即均在略大于半周时间内导通，两管的集vi 电极电流波形如图中的、。 iiC1C2 只要合理选择静态工作点，就能在两管波形合成时，抵消每管波形在静态工作点附 近的失真部分，使输出电流的波形基本无失真。如图所示。 io
- 71 -
另一种互补对称电路如图所示。
2(甲乙类单电源互补对称电路
(1)电路组成
(讲解，分
析原理)
前述双电源互补对称电路，无需接耦合电容，故称之为OCL电路(无输出电容器)。
此电路的输出信号通过电容C与负载耦合，而不采用输出变压器，因而称为OTL
电路(无输出变压器)。
(2)工作原理
? 静态时
、的数值，使和恰好给VT1、VT2提供最佳静态偏置，使它选择适当RRVV12B1B2 们的“中点”电位。因而电容C两端电压等于，即。这样，VT1V,V/2VV/2ACCACC 和VT2管的电源电压均为。 V/2CC ? 动态时 ，VT1导通而VT2截止，，路径为: v,0i,iioC1 ，V,VT1管c极,VT1管e极,电容C,负载R,地CCL 在上形成正半周输出电压，同时给电容C充电，补充储能。 iRvoLo
- 72 -
，VT2导通而VT1截止，，电容C释放储能供给，路径为: v,0i,iioC2
C正极,VT2管e极,VT2管c极,负载R,电容C负极L
在上形成负半周输出电压。 iRvoLO (3)最大输出功率
22P,(1/2)(V/2)/R,(1/8)V/R omCCLLCC 四、集成功率放大器 (讲解)
1(D2006集成功放简介 (1)内部电路、外形和引脚排列
(2)性能指标 ? 差分输入级
- 73 -
两个复合管VT1、VT2和VT3、VT4组成差分输入级、VT5为该级的恒流源偏置
电路，VT6和VD1为其恒流源负载。 ? 中间放大级 VT7为中间级放大管，VT8是其集电极恒流源负载。 ? 功率输出级 VT9 ~ VT13组成准互补对称功率输出级。 (引导学? 偏置电路 生参考教
材) NMOS管VT14因其栅源电压恒定而输出恒定电流，使稳压管VZ工作在恒流状态，
为VT15提供恒定的基极电压，并通过VT16、VT17输出恒流电流，供给短路和过热保
护电路。二极管VD3~VD5为功率输出级设置合适的偏置电压，以便消除交越失真。
2(D2006集成功放的典型应用
(1)OTL方式应用电路
图示为D2006单电源供电功率放大电路。
、、:组成分压式偏置电路，使同相输入端的静态电位值为。 RRRV/2123CC(讲解) :OTL输出电容。 C7 、、:构成交流电压串联负反馈。 RRC455 、:组成移相消振电路，以便抑制电路可能出现的高频自激振荡。 RC66 VD1、VD2:组成过压保护电路，用以泄放感性负载上的自感电压，避免集成电路 受过电压的冲击而损坏。 闭环电压增益: A,1，R/R,33v45 (2)OCL方式应用电路
- 74 -
(引导学
生参考教
材)
闭环电压增益:
A,1，R/R,33v12
(3)BTL方式应用电路
BTL电路输出电压为单个集成功放输出电压的两倍，输出功率可提高到4倍。
1(比较甲类和乙类互补对称功率放大器的最大理想化效率，并说明其原因。
2(指出乙类互补对称功率放大器存在的主要问题及其原因，如何改进,
练习 3(画出基本OCL和OTL功率放大器的电路原理图，并比较它们的异同点。
功率放大器的主要性能指标是最大不失真输出功率和最大转换效率。目前，普
遍采用的功率放大器是双电源甲乙类互补对称功率放大器和单电源甲乙类互补对
称功率放大器。随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用日益广泛。集成小结 功率放大器使用灵活，可组成OTL、OCL或BTL等各类功率放大电路。
P96习题三
3-11。 布置作业
- 75 -
范文三：非理想集成运放的性能
学士学位论文
非理想集成运放的性能 参数对应用电路影响的探讨与分析
系 别: 电子信息系
专 业: 电子信息工程
学 号: 姓 名: 指 导 教 师: 指导教师职称: 教 授
2012年
非理想集成运放的性能参数对应用电路影响的探讨与分析
摘要 集成运放广泛应用于模拟集成电路中，但集成运放实际上是非理想的，会
对应用电路产生一定的影响。本论文采用了分类讨论的分析方法，对非理想集成
运放的性能参数，以及非理想集成运放的性能参数对不同应用电路的影响进行了
探讨与分析。首先介绍了集成运放的概况，包括集成运放的基本概念、内部结构、
应用前景、发展概况。然后探讨与分析了非理想集成运放的常见性能参数，包括
常见性能参数的基本定义，通常的取值，并详细介绍了它们的等效模型。接着详
细探讨与分析了直流和低频参数对应电路性能的影响。最后探讨与分析了高频参
数对应用电路性能的影响。
关键词 集成运放；性能参数；应用电路；低频参数；高频参数
The Discussion and Analysis of Performce Parameters of the Non-ideal Integrated Operational Amplifier on the Im
pact of the Application Cirucit
Abstract The integrated operational amplifier is widely used in analog integrated circuit ，but in fact it is non-ideal. The non-ideal property will affect the application circuit. This paper uses the analysis method of classification to discuss the performance parameters of the non-ideal integrated operational amplifier, and the impact of performance parameters of the non-ideal integrated operational amplifier on different application circuit. First, this paper introduces the overview of the integrated operational amplifier, including integrated operational amplifier of the basic concept, internal structure, future prospect, development overview. Second, discussion and Analysis of some common performance parameters, including the common performance parameters of the basic definition, the value, and introduces their equivalent model in detail. At last, this paper discusses and analyses the influence to the performance of the application circuit by DC, low-frequency parameters and high-frequency parameters.
Keywords operational amplifier ；performance parameters ；the appplication circuit ； high-frequency parameters ；low-frequency parameters
1引言
集成运算放大器(以下简称为集成运放) 作为一种通用模拟器件已显示出越来越大的用途, 其性能也不断趋于完善。由于这种放大器以前只在模拟计算机中用于诸如加、减法和微、积分之类的数学运算，故得名为“集成运算放大器”。集成运放自20世纪60年代问世以来，飞速发展，目前已经历了四代产品。
第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思想，采用了集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向PNP 管，构成以电流源作为偏置电路的三级直接耦合放大电路。但是，它各方面性能都远远优于分立元件电路，满足了一般应用的要求。典型产品有μA709，国产的F003、5G23等。
第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了明显的提高，各方面性能指标比较均衡，因此属于通用型运放，应用非常广泛。典型产品有μA741、LM324，国产的F007、F324、5G24等。
第三代产品的输入级采用了超β管，β值高达1000～5000倍，而且版图设计上考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有AD508、MC1556、F030等。
第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化，一般情况下不需调零就能正常工作，大大提高了精度。典型产品有HA2900、SN62088，国产的5G7650等[1]。
根据性能和应用场合的不同，集成运放可以分为通用型和专用型。通用型集成运放的各种性能指标比较均衡全面，适用于一般工程的要求。为了满足一些特殊要求，目前制造出具有特殊功能的专用型集成运放，可分为高输入电阻、低漂移、低噪声、高精度、高速、带宽、低功耗、高压、大功率、仪用型、程控型和互导型等。
随着集成电路制造工艺和电路设计技术的发展，集成运放正向超高精度、超高速、超宽带和多功能方向发展。一些性能较低的产品已被淘汰，新品种层出不穷[2]。
在模拟集成电路中，集成运放的应用最为广泛，几乎涉及到模拟信号处理的各个领域。集成运放，作为一个实际器件，它实际上是一个直接耦合的高增益多级放大器，通常由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。输入级：通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力，提高输入电阻。中间级：带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。输出级：采用互补对称功放或射极输出器组成，主要是
降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：通常由组合电流源构成，主要是供给中间级的偏置电流和输出级的偏置电流。在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故集成运放通常采用微电流源电路。以F007集成运算放大器为例，具体内部电路如图1[3]所示。
图1 F007集成运算放的内部电路
集成运放的引出端子除了两个输入端和一个输出端外，一般还有两个电源端子，分别接正负极性的电源电压；调零端子，接调零电路；相位补偿端子，接相位补偿电路；公共接地端子及其他附加的端子[4]。
集成运放总是以直接耦合放大器的形式出现，具有很高的电压增益、输入电阻和很低的输出电阻。集成运放是性能十分理想的增益器件，在讨论各种功能电路的组成原理时，可以用理想化条件进行分析，就是把实际的运算放大器的各项性能参数进行理想化后得到的运算放大器。其主要参数为：
差模电压增益A vd =∞ 差模输入电阻R id =∞ 共模抑制比K CMR =∞ 输出电阻R o =0 频带宽度BW =∞
另外，还有趋于零的失调和漂移，趋于零的噪声等。
但是，集成运放毕竟是非理想的。在直流和低频工作时，不仅其增益和输入电阻不为无穷大，输出电阻不为零，而且还存在着输入失调和有限共模抑制比等引入的输入误差。所以，在分析集成运放的性能参数对各种应用电路的影响时，
必须计及集成运放实际性能的影响，把集成运放当做是非理想集成运放来处理[5]。下面我们首先来探讨非理想集成运放的常见性能参数。
2 非理想集成运放的性能参数
评价非理想集成运放的性能参数很多，根据电子线路的知识，大体上可以分
为五大类：差模特性、共模特性、输入直流误差特性、大信号动态特性、电源特性。现在分别介绍如下：
2.1 差模特性
差模特性是指非理想集成运放在差模输入信号作用下所呈现的特性，相应的
电路模型如图2所示。图中，A vd 为差模电压增益，定义为输出开路电压v o 对输入差模电压v id (=v +-v -) 的比值，用分贝数表示，即 其值在80~140dB (104~107倍) 之间。
A vd (dB ) =20lg(A vd ) (2-1)
图 2 表示差模特性的电路模型
R id 为差模输入电阻，是指集成运放两输入端之间呈现的视在电阻，其值在
M Ω量级。MOS
集成运放的R id 可高达106M Ω。R od 为输出电阻，其值一般小于
200Ω。一般情况下，以上各参数均是频率的复函数，分别表示为
A vd (j ω), Z id (j ω) 和Z od (j ω) 。
此外，还有最大差模输入电压范围V IDM ，它是指输入差分对管发射结不产生反向击穿所能承受的最大差模输入电压。
2.2 共模特性
共模特性是指集成运放共模输入信号作用下呈现的特性。属于这类特性的参数主要是共模抑制比K CMR 、共模输入电阻R ic 和最大共模输入电压范围V ICM ，计及共模参数后，集成运放的电路模型如图3所示。
图3 共模、差模输出端等效模型(a)及共模、差模输入端等效模型(b)
图3中v ic =(v ++v -) 2为共模输入电压，A vc 是集成运放的共模电压增益。由于
K CMR =|A vd A vc |, 因而，共模输出电压为A vc v ic =A vd v ic K CMR
，如图3（ａ）所示。
也可以将共模输出电压折算到输入端，作为输出误差电压，其值为v ic K CMR ，如图3（ｂ）所示。
共模抑制比K CMR 一般用分贝值表示，即K CMR (dB ) =20lg(K CMR ) ，其值在
80~120dB （10~10倍）之间。
4
6
共模输入电阻R ic 是非理想集成运放输入端对共模输入信号呈现的视在电阻，即每个输入端对地呈现的输入电阻，其值大于100M Ω。 一般情况下，K CMR 、R ic 均为频率的复函数。
2.3 输入直流误差特性
输入直流误差特性是指非理想集成运放的输入失调特性。其主要参数是输入失调电压V IO 及其温漂αVIO 、输入失调电流I IO 及其温漂αIIO 。计及上述参数后，非理想集成运放的电路模型如图4所示。
图4 非理想集成运放的电路模型
图4中I IB =(I B 1+I B 2) 2是输入差放级两边输入偏置电流（I B 1和I B 2）的平均值。其值为（10～100）μA，采用MOS 管输入级的非理想集成的运放，I IB 在pA 量级。
V IO 是指输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，其值一般为mV 量级，最低可小到1μＶ，对于采用MOS 管输入级的运放来说，其值较大，最大可达到20mV 。
αVIO =?V IO ?T 是指V IO 随温度的变化率。其值一般小于±(10~20) μV /℃，最小可达到O.1μV/℃。
I IO 是指输出失调电压为零时，两输入端所加的补偿电流，其值即为两输入偏置电流的差值，即I IO =|I B 1-I B 2|。通常I IO 为I IB 的（5～1O ）%。 αVIO =?I IO ?T 是指I IO 随温度的变化率。
2.4 大信号动态特性
大信号动态特性是指非理想集成运放在大输入信号作用下呈现的动态特性。
其主要参数是转换速率S R ，全功率带宽BW P 等。S R 和BW P 是大信号和高频信号工作时的重要指标。 2.4.1 转换速率S R
非理想集成运放的转换速率S R （又称摆率）是指非理想集成运放输出电压随时间的最大变化速率，即
S R =
dv o (t ) dt
|max
(2-2)
是衡量非理想集成运放在S R 表示非理想集成运放对信号变化的速度的适应能力，
大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信号变化斜率的绝对值小于S R 时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值越大、频率越高，要求非理想集成运放的S R 也就越大。一般通用型运放S R 在1V/μs以下，741的S R =0.5V/μs，而高速运放要求S R ＞30V/μs以上。目前超高速的运放如AD9610的S R ＞3500V/μs[6]。
非理想集成运放的频率响应和瞬态响应在大信号时与小信号时有很大的差别。在大信号输入时，特别是大的阶跃信号加入时，运放将工作到非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。从频率范围来看，这将使大信号频带宽度总要比小信号时窄；而从瞬态响应来看，将使放大电路的输出电压不能及时地跟随输入阶跃电压变化。输出电压变化如图5所示，这就踢出来转换速率的
问题。由于转换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定非理想集成运放在单位电压增益、单位时间内输出电压的变化值，来标定转换速率S R 。
图5 输出电压波形受转换速率S R 限制的情况
转换速率的大小与许多因素有关，其中主要是与非理想集成运放所加的补偿电容，非理想集成运放本身各级BJT 的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电电流等因素有关。在输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压作线性变化，通常要求非理想集成运放的S R 大于信号变化速率的绝对值。
如在非理想集成运放的输入端加一正弦电压v i =V im sin(ωt ) , 输出电压
v o =-V om sin(ωt ) 。输出电压的最大变化速率为
S R =
dv o dt
|t =0=V om ωcos(ωt ) |t =0=2πfV om
(2-3)
为了输出电压波形不因S R 的限制而产生失真，必须使非理想集成运放的S R 为
S R ≥2πfV om
(2-4)
式(2-4)表明，当S R 一定时，提高频率f, 则V om 将成比例地减小，反之，V om 越小，保证不失真输出的信号频率f 就相应成比例地增大[7]。
图6 非理想集成运放的简化模型
根据图6所示非理想集成运放的简化模型，输出电压与输入差放级电流之间的关系为
i o 1=C ?
d [v o (t ) -v i 2(t ) ]
dt
≈C ?
dv o (t ) dt
(2-5)
或者
dv o (t ) dt
=i o 1C ?
(2-6)
式(2-6)表明，当C ?一定时，非理想集成运放的转换速率S R 取决于i 01的最大值。在输入差分级中，当|v id |足够大，导致差分对管中的一管截止，偏置电流源电流I Q 全部流入另一管时，等于+I Q 或-I Q ，因而
S R =
dv o (t ) dt
|max =±
I Q C ?
(2-7)
通过上述分析可见，非理想集成运放输出电压的最大变化率受到转换速率的限制，其原因就在于补偿电容C ?的充、放电速率受到输入差放级能够提供的最大电流的限制。
2.4.2 全功率带宽BW P
全功率带宽BW P 是指非理想集成运放输出最大峰值电压时，允许的最高频率，即
BW P =f max =
S R 2πV om
(2-8)
式(2-8)表明非理想集成运放输出不失真的最大电压幅度受S R 和BW P 的限制。以741型非理想集成运放为例，S R =0.5V/μs,当输出电压幅值V om =10V时，它的BW P 即最大不失真频率应为8KHz 。
2.5电源特性
2.5.1 电源电压抑制比K SVR
K SVR 是用来衡量电源电压波动对输出电压的影响，通常定义为
K SVR =
?V IO
?(V CC +V EE )
(2-9)
式(2-9)中V IO 表示电源电压变化?(V CC +V EE ) 时，引起输出电压变化?V O 折合到输入端的失调电压?V IO =?V O A vd 。K SVR 的典型值一般为1μV 。 2.5.2 静态功率P V
当输入信号为零时，非理想集成运放消耗的总功率，即
P V =V CC I CO +V EE I EO
(2-10)
电源特性还包括电源电压范围V CC +V EE 、电源电流等[8]。
3 直流和低频参数对应用电路性能的影响
3.1 A vd 、R id 、R od 为有限值的影响
以图7（a ）所示的反相放大器为例，引入图4所示非理想集成运放的电路模型，得到如图7（b ）所示的等效电路。
(a)
(b)
(c)
图7 反相放大器（a ）及其等效电路（b ）与（c ）
由图7(b)写出下列节点方程:
??
v s -v -v id v --v o ?v -1
=I IB -I IO +-+R 12R ic R id R f ?
?
v --v o v o -A vd v id v o ?
=+? (3-1) R f R od R L
???
v -
?v id =--V IO -v -
?2K CMR
?
根据式(3-1)求解，得
``
?R `R A R A vd
L vd L L -v =- o
R 2R od K CMR R od ?f `
?R L A vd ?v -V IO (3-2) ?-
R od
?
```
?R R 1R L A vd A vd R 1R L R 1R 1R 1R L
1
v s = `++-++2 R 2K CMR R od R f R od R f R f
?1R ic 2K CMR R id
`
?R R 1R L A vd 11
+I IB R 1+I IO R 1+ +
2R od R f ?R id
`
故反相放大器的增益A vf 为
?
?v ?-?
??V ?IO ?
(3-3)
A vf =
`
v o v s
(3-4)
式(3-2)与式(3-3)表明，图4所示的非理想集成运放的电路模型过于复杂，不适宜工程分析。而实际情况是，应用场合不同，各种性能参数的影响也不同。例如，反向放大器，由于v +=0, v -又很小，因而可以认为共模输入电压趋于零，不必考虑共模抑制比的影响；而同相放大器就不同了，它的v +和v -均不为零，共模抑制比的影响就必须考虑。又如，积分电路中，输入失调参数的影响十分重要，因为它在积分过程中产生的输出误差电压将随时间线性增大。总之，在工程分析时，可以针对不同的应用场合，有选择地探讨与分析某些性能参数对应用电路性能的影响。对于图7(b)所示的等效电路，如果忽略K CMR 、R ic 、I IO 、V IO 、I IB ，则等效电路如图7（c ）所示，式（3-1）转化为
??
R 1R id R f
?
v -v v -A vd v id v ?
+o ? (3-5) -o =o
R f R od R L ?
??
v id =-v -
?
v s -v -
=v -
+v --v o
根据式(3-5)求解，得
R L v -R f
`
v o =
-
R L A vd v -
R od
`
(3-6)
R 1R L A vd v -
R od R f
1R od R f R 1R L A vd
`
`
v s =
R 1v -R
`1
-
R 1R L v -
R
2f
``
+
(3-7)
`
=故 A vf
v o v s
=-
R f R 1
1+
(3-8)
`
并在满足R od
`
vf
A
R od R f ??
≈A vf ?1-``
?
R 1R L A vd ? (3-9) ?
`
=R L //R f //R od 。 式(3-6)，(3-7)，(3-8)与式(3-9)中，R 1`=R 1//R f //R id ，R L
式(3-9)表明，当A vd 、R id 和R od 为有限值时，反相放大器的增益A vf 与理想
`
值A vf (=-R f R 1) 之间的偏差与A vd 的大小密切相关。A vd 越大，A vf 就越趋近于理`想值A vf 。实际上，从反馈观点来看，A vd 越大，放大器就越接近深度负反馈，A vf
`
也就越接近A vf ，同时，放大器的输入电阻R if 和输出电阻R of 也就越趋于零。在这种情况下，由信号源看进去的输入电阻即为外接电阻R 1。
可见，对反相放大器性能影响最大的是A vd 。相比之下，R id 和R od 的影响是次要的。因此，要减小误差、实现高精度的放大，关键是选用A vd 足够大的非理想集成运放。
3.2 K CMR 、R ic 为有限值的影响
以图8（a ）所示的同相放大器为例，引入图4所示的非理想集成运放的电路模型，得到如图8（b ）所示的等效电路。如果忽略R od 、I IO 、I IB ，则等效电路如图8（c ）所示。
(a)
(b)
(c)
图8 同相放大器（a ）及其等效电路（b) 与（c ）
通常满足R id ≤R ic , R 1
R 1R 1+R f
v +=v s ，v -≈v o
(3-10)
且v id =v +-v -，v ic =(v ++v -) 2。由于v -十分接近于v +，因而可以近似认为v ic ≈v +，则
R 1R 1+R f
A vd K CMR
v o =A vd (v +-v -) +A vd v +K CMR ≈A vd (v s -v o
) +
v s (3-11)
进一步求得
v s
1+A vf A vd
A vf K CMR 1+A vf A vd
A vf K CMR
`
v o ≈A vf
+
v s =A vf v s +
`
v s (3-12)
式(3-12)中，A vf =1+R f R 1是同相放大器的理想增益值，而
A
`
vf
=
A vf
1+A vf
A vd
≈A vf (1-
A vf A vd
) (3-13)
是计及有限A vd 值的同相放大器增益，它与理想值之间的偏差取决于A vf 对A vd 的比值。A vd 越大，偏差值就越小。显然，这与深度负反馈的条件是一致的。
式(3-12)表明，由K CMR 产生的输出误差电压
`
v s K CMR (3-14) ?v o =A vf
输出相对误差电压为
?v o v o
=
A vf K CMR A +A
`vf
`vf `
K CMR
≈
1K CMR
(3-15)
由式(3-15)可见，由K CMR 引起的相对偏差与K CMR 成反比。K CMR 越大，偏差值就越小。实践上，根据允许的相对偏差，按上式选用K CMR 满足要求的非理想集成运放。
在同相放大器中，当A vd 足够大，满足深度负反馈条件时，它的输出电阻R of 趋于零，输入电阻R if 趋于无穷大，因此，呈现在v s 端的输入电阻即为R ic 。
3.3 I IB 、I IO 、V IO 为有限值的影响
在分析I IB 、I IO 、V IO 为有限值而产生的输出误差电压时，为了简明起见，假设其它参数均为理想值。
3.3.1 I IB 和I IO 为有限值，V IO =0的影响
在图7（b ）和图8(b）所示的反相放大器和同相放大器等效电路中，移去信号源，画出计及I IB 和I IO 成的放大器等效电路，如图9（a ）所示。由图9（a ）可见，v +=0，因而，v -→v +=0，I IB 和I IO 2将全部流入R f ，因此，在放大器输入端产生的误差电压
?v o =(I IB +I IO 2)R f (3-16)
例：已知非理想集成运放的I
IB
＝80μA，I IO ＝1OμA，R f ＝1OO k Ω，则求得?v o ＝
8.5mV 。若加输入信号源将将图9（a ）接成反相放大器，设R 1=10k Ω，相应的增益为－10倍，则当v s ＝2mV 时，v o ＝－20mV 。可见，在这种情况下，?v o 对v o 的影响就显得十分严重。
实际上，通常I IO 远小于I IB 。由上例可见，?v o 主要是由I IB 产生的。为了克服它的影响，一般均在非理想集成运放同相输入端外接特定阻值的电阻R 2，如图9(b)所示，现分析如下
图9 计及I IB 和I IO 的放大器等效电路
利用戴维宁定理将图9（b ）变换为图9（c ）所示电路。由图9(c)可见，
v -=?v o
1??
- I IB +I IO ?(R 1//R f ) (3-17)
R 1+R f ?2?R 1
v +=-(I IB -
12
I IO ) R 2 (3-18)
根据v -→v +, 求得
?v o =
R 1+R f ?1?
(3-19) I (R //R -R ) +I (R //R +R ) IB 1f 2IO 1f 2??R 12??
式(3-19)表明，若令
R 2=R 1//R f (3-20)
则I IB 的影响被抵消，?v o 简化为
?v o =
R 1+R f
R 1
I IO (R 1//R f ) =I IO R f (3-21)
可见，为了抵消I IB 的影响，必须在同相输入端接入补偿电阻，其值满足式
R 2=R 1//R f
所示的电阻平衡条件，即外接在非理想集成运放两输入端上的直流电
阻值相等。这是各种非理想集成运放应用电路必须遵循的一条原则。在实现电阻平衡的条件下，I IO 产生的?v o 直接与R f 成正比。对于特定的I IO ，R f 越小，?v o 就越小[9]。
3.3.2 V IO 为有限值的影响 若进一步计及V IO ，则
v +=V IO -(I IB -
12I IO ) R 2
(3-22)
而v -不变。根据v -→v +, 求得
V IO -(I IB -?v o =
1I IO ) R 2+(I IB +
R 1R 1+R f
1I IO )(R 1//R f )
(3-23)
因而在实现电阻平衡R 2=R 1//R f 的条件下，得
?v o =
R 1+R f
R 1
V IO +I IO R f (3-24)
或者
?v o =
R 1+R f
R 1
(V IO +I IO R 2) (3-25)
式(3-25)表明，若R 2为大的值。满足I IO R 2>>V IO ，则I IO 起主要作用，为了减小?v o ，应选择I IO 小的非理想集成运放。反之，若R 2为小值，满足V IO >>I IO R 2，则V IO 起主要作用，为了减小?v o ，应选择V IO 小的非理想集成运放。
4 高频参数对应用电路性能的影响
上面已经探讨与分析了直流和低频参数对应用电路性能的影响，下面对高频参数对应用电路性能的影响进行探讨与分析。
4.1 小信号频率参数的影响
采用内补偿的非理想集成运放可近似看成一单极点系统，它的差模电压增益
表示为
A vd (j ω) =
A vd
1+j ω/ωP
(4-1)
图10示出了它的幅频特性渐近波特图。
图10 内补偿非理想集成运放的幅频渐进波特图
例如，F007非理想集成运放，A vd (j ω) ≈108dB , f P ≈5Hz 。对于但极点系统，f P 即为放大器的上限频率，又称为开环带宽。即
BW =f P (4-2)
当ω??ωP 时，上式近似为A vd (j ω) ≈(A vd ωP ) (j ω) , 令f =BW G ，使
A vd (f ) =A vd (BW G ) =1，即A vd
在这个频率上的值下降到1，则求得
BW G =A vd f P =A vd BW
(4-3)
A vd (jf ) BW G =1. 25MHz 。 BW G 称为单位增益频率，例如，F007非理想集成运放，
又可写成
A vd (jf ) =-j
BW G
f
(4-4)
BW 和BW G 是非理想集成运放的两个小信号频率参数。在闭环应用时，BW G 就是
反馈放大器的增益带宽积，可以直接显示闭环增益A vf 与闭环带宽BW f 之间的关系，即
A vf BW
f
=BW G (4-5)
因此，式(4-5)[10]的应用更为广泛。下面以密勒电容补偿为例，对这个频率参数作进一步的讨论。
采用密勒电容补偿电容补偿时，非理想集成运放作为但极点系统，可以采用图6所示的简化模型来表示。
在这个模型中，系统的主极点主要取决于补偿电容C ?，而相比之下，各级电路中电容的影响均可忽略。由图6可见，若设输入差放级的互导增益为A g ，则在差模输入电压作用下，输入差放级的输出信号电流I 01(j ω) ≈A g V id (j ω) ，假设中间增益级的增益足够大，为产生V O (j ω) 所需的输入电压和电流很小，可忽略，则
I O 1(j ω) 几乎全部流入C ?
，且
(4-6)
I O 1(j ω) =[V O (j ω) -V i 2(j ω) ]j ωC ?≈V O (j ω) j ωC ?
非理想集成运放的差模电压增益近似为
A vd (j ω) =
V o (j ω) V id (j ω)
≈
A g j ωC ?
(4-7)
将式(4-7)与式(4-4)比较，单位增益频率可表示为
BW G ≈
A g 2πC ?
(4-8)
4.2 大信号动态参数的影响
图11 S R 对输出电压波形的影响
为了具体说明转换速率S R 对输出电压变化的影响，将非理想集成运放接成同相跟随器，如图11（a ）所示, 并由输入阶跃电压激励，如图11（b ）所示，当输
入阶跃电压幅度V S 足够小，输入差放级线性工作时，作为但极点系统，它的输出电压
v O (t ) =V O (1-e
-t ) (4-9)
相应的波形如图11（c ）所示。式(40)中，V O 为输出电压达到稳定值时的幅值，其值即为V S 。τ为时间常数，对于同相跟随器，其上限频率即为BW G ，因而
τ=
12πBW G
。当t =0时，v O (t ) 的变化速率最大，其值为
S R =
dv O (t ) dt
|max =
dv O (t ) dt
|t =0=
V O
τ
(4-10)
式(4-10)表明，在输入阶跃电压作用下，输出电压的最大变化速率与V O 即V S 成正比地增大。如果V O 增大到某一值时，相应v O (t ) 的最大变化速率大于非理想集成运放的转换速率S R ，则v O (t ) 就不再按指数规律上升而是按线性规律上升，如图11（d ）中实线所示（虚线是指数规律上升）。产生这种现象的原因是：输入阶跃电压瞬间（t=0）, 输出电压来不及跟随变化，即v O (t ) =0，因而v -=0，输入阶跃电压v S (t ) 全部加在输入差放级上，导致输入差分对管进入限幅区，引起一管导通，一管截止，差分对管的偏置电流I Q 全部通过导通管向C ?充电，使v O (t ) 线性增大。 引入式BW G ≈
A g 2πC ?
，S R 又可表示为
S R =
I Q A g
(2πBW G ) (4-11)
式(4-11)表明，增大I Q ，减小A g 就可以增大S R ，此外，S R 还与非理想集成与运放的BW G 成正比。
例如，对于图五所示的非理想集成运放的电路模型，其输入差放级的A g 近似等于差分对管的跨导，即A g ≈g m =I Q 2V T ) ，若已知I Q =20μA，C ?=30pF ，求得
BW G =g m (2πC ?) =I Q (4πV T C ?) =2. 04MHz
S R =±I Q C ?=±0. 67V /μs
τ=1(2πBW G ) =0. 67μs
所以，受转换速率限制的输出电压
V O =S R τ=0. 05V
最后，还应当指出，应用电路的输出误差不仅来源于非理想集成运放的性能参数，还要取决于其它元器件的精度及电源电压的稳定性等。因此，为了减小输出误差，除了应该选择高质量的集成运放外，还应该合理地选择其它元器件，提高电源电压的稳定性，减小环境温度的变化，抑制干扰和噪声，精心设计电路板等[11]。
结论
本论文成功地对非理想集成运放的性能参数，以及非理想集成运放的性能参数对应用电路的影响进行了探讨与分析。本论文理论性强，涉及的知识面广，要求有较好的电路分析、信号与系统、电子线路课程的基础知识, 对逻辑推理能力要求较高。
实际集成运放的性能参数是非理想的，这给应用电路的各种性能带来了误差，因此要了解非理想集成运放的性能参数对应用电路的影响，做到合理地选择非理想集成运放和电路元器件，使应用电路的各种性能误差减至最小。本论文所研究的内容对于工程技术人员了解非理想集成运放性能参数对不同应用电路的影响具有很高的理论指导价值，有助于他们选择合适的非理想集成运放。
在完成本论文过程中，我收获良多，不仅学到了很多专业上的理论知识和提高了自学能力，还从中发现了自己的很多不足。由于本人知识上的实际欠缺，加上时间有限，所以我的毕业论文不甚完美。我会在以后的工作学习中不断加以改进。
参考文献
[1] 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础[M].4版. 北京：高等教育出版社，2006 [2] 康华光. 电子技术基础(模拟部分)[M]. 5版. 北京：高等教育出版社，2005 [3] 曹军. 集成运放的性能及其应用[J]. 电子器件，2002，9（16）：45~47 [4] 谢嘉奎. 电子线路(线性部分)[M].4版. 北京：高等教育出版社，2005 [5] 刘文柯. 影响集成运放输入误差信号的主要参数的分析[J]. 国外电子元器件， 2000，8（12）：61~65
[6] 王远．模拟电子技术[M]. 2版．北京：机械工业出版社，1994 [7] 陈大钦．模拟电子技术基础[M]. 2版．北京：高等教育出版社，2000 [8] 郑佳龙，王小海．集成电子技术教程[M]. 北京：高等教育出版社，2002 [9] 董在望，尹达衡．模拟集成电路原理与系统[M]．北京：高等教育出版社，1987 [10] 高文焕，刘润生．电子线路基础[M]. 北京：高等教育出版社，1997 [11] 彭介华．电子技术课程设计指导[M]. 北京：高等教育出版社，1997
致谢
本论文能够得以顺利完成，非常感谢我的指导老师***教授。在论文准备阶段，*******老师帮我学习做论文的含义和重要性以及怎样利用图书馆的免费电子资源查找资料；在论文初稿阶段****老师帮我学习论文的基本构成因素、怎样写好论文以及论文中用到理论知识的重点内容和给了我写论文所需的电路图；在最后定稿阶段，杨老师又不厌其烦的一次又一次的帮我找出错误、讲解错误的原因并提出修改错误的意见和建议，最后才使得这篇论文能够顺利完成。***老师渊博的专业知识以及在治学过程中表现出来的严谨态度使我深受感动和鼓舞，这对我以后的学习、工作和生活都有很大的指导意义和帮助。在此，再次向***老师表示最衷心的感谢！同时，我也由衷地向那些我引用过的资料、图片、文献的专家学者们表示感谢！最后，还要感谢各位论文答辩的评审老师，辛苦了，谢谢您们！
范文四：集成运放
第10章 放大电路和集成运算放大器 【课题】
10.1 共发射极单管放大电路 【教学目标】
描述共发射极单管放大电路结构，解释其工作原理。知道静态工作点及波形失真的概念。知道电
压放大倍数、输入和输出电阻概念。
【教学重点】
1(静态工作点的选择与波形失真。
2(静态工作点的稳定。
3(电压放大倍数的计算。
【教学难点】
1(放大电路动态工作情况。
2(饱和失真和截止失真。
【教学过程】
【一、复习】
1(晶体管的放大作用。
2(晶体管的放大、饱和与截止状态。
【二、引入新课】
晶体管的放大作用只有在构成放大电路以后才有实际意义。共射放大电路只是其中较常用、较简
单的一种，只有全面掌握本节内容，才能更好地学习电子技术。 【三、讲授新课】
10.1.1 共发射极单管放大电路的结构
1(基本的共发射极单管放大电路，如图10.1所示。
图10.1 基本的共发射极放大电路
VT是NPN型晶体管，起电流放大作用。
U是放大电路的直流电源，一方面保证晶体管工作在放大状态;另一方面为输出信号提供能量。 CC
R是基极偏置电阻，与U配合决定了放大电路基极电流I的大小。 BCCB
R是集电极负载电阻，将晶体管集电极电流的变化量转换为电压的变化量，从而实现电压放大。 C
C、C是耦合电容，起“隔直通交”的作用。 12
2-144
2(共射放大电路:发射极是输入、输出回路的公共端。信号源、基极、发射极形成输入回路;负载、集电极、发射极形成输出回路。
10.1.2 共发射极单管放大电路的工作原理
1(静态工作情况
(1)静态:输入交流信号为零时，电路中各处存在直流电压和直流电流的工作状态。
、I、U值。 (2)静态工作点:静态时晶体管的IBCCE
(3)直流通路:直流信号在电路中流通的路径可画出的电路，如图10.2所示。
图10.2 基本共发射极放大电路的直流通路
(4)电路的静态工作点:
U,UCCBEI , BRB
通常U>>U，则 CCBE
UCCI , BRB
I, , I C B
U , U , RI CECCCC
[例10.1] 在图10.1中，已知U, 12 V，R, 300 k ,，R, 4 k,，, , 50，试求放大电路的静CC B C
态工作点I、I和U值。 BCCE
[解]
U12CCI , , mA , 0.04 mA , 40 ,A B300RB
I= , I , (50 ， 0.04 ) mA , 2 mA C B
U , U, RI = (12 , 2 ， 4) V , 4V CECC CC
2(动态工作情况
(1)输入交流信号不为零时的工作状态。
(2)动态工作波形。输入信号u, Usin , t (V)，波形如图10.3(b)所示。 i im
(3)波形分析:信号u经过耦合电容C加在晶体管基极和发射极之间，得到u(u = U + u)i1BEBEBEi的波形(图中波形?)，u电压的变化引起基极电流i(i = I + i)的变化(图中波形?)，只要晶BEBBBb
体管处在放大状态，i(i , I ， i)的波形(图中波形?)受i的控制(因i= , i)，u(u = R CCCcBCBRCRCCi)(图中波形?)随i的功能变化而变化，u(u = U,u)(图中波形?)则随i变化而作相CCCECECCRCC反的变化，经过C(具有隔直通交的功能)后得到u(图中波形?)波形。u和u比较发现，二者2ooi相位相反，说明这种电路具有反相作用。
2-145
图10.3 放大电路加入交流信号前、后的波形 10.1.3 静态工作点的选择与波形失真
1(静态工作点选择不当，容易引起失真。
(1)工作点设置太低时，出现截止失真，如图10.4所示。 (2)工作点设置太高时，出现饱和失真，如图10.5所示。
2-146
图10.4 工作点设置太低时的工作情况 图10.5 工作点设置太高时的工作情况 2(静态工作点设置恰当，随输入信号变化，输出信号正、负半周都能达到最大值而不出现失真，
这个工作点是放大电路的最佳工作点。
10.1.4 静态工作点的稳定
1(分压式放大电路是工作点稳定的放大电路，如图10.6所示。
图10.6 分压式放大电路电路
UCC2(条件:R、R和U取值合适，使晶体管基极电位V , 。V(V , V , U)RB1B2CCBEEBBEB2R，RB1B2
VE也近似不变。集电极电流I , ，就近似恒定不变。 CRE
3(工作原理:自动调节:
I??I??V??U( , V,V)??I??I? CEEBEBEEC
2-147
称为旁路电容，若不加电容C，交流信号流过发射极电阻R时，同样会产生电压降，电容CEEE
导致交流输出信号减少。
10.1.5 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻
1(电压放大倍数A u
uoA = u ui
对图10.6分压式放大电路有
u , , R,i, , , R,i，u, r i oLc Lbi beb
式中 R , R ,, R;r为晶体管基极和发射极间的动态电阻(通常为1 k,左右);“,”号表示输LCLbe
出、输入信号反相。
,,,,Riu,RLboLA , , , , ururibeibeb
放大电路输出端未接负载时R, , R，电压放大倍数为 LC
,RCA , , urbe
因R , R,(R, , R ,, R)，所以放大电路接上负载后，电压放大倍数将下降，也即输出电压将CLLCL
减小。
3(输入电阻R和输出电阻Rio
R, R ,, r , r i Bbebe
R 尽可能大一些，以减少前级的负担。 i
R , RoC
R要小，R 越小，放大电路带负载的能力越强。 oo
[例10.2] 在图10.1电路中，已知r, 1 k,，其他参数与例10.1一致。试求放大电路的A、R、be ui
R。 o
[解] 电压放大倍数
,,RLA, , u rbe其中
RR4，4CLR, , , k , , 2 k, LR，R4，4CL
,50，2,RLA , , , ,, , 100 ur1be
若放大电路未带负载，则有
,R50，4CA , , , ,, , 200 ur1be
输入电阻
R, R ,, r , r , 1 k, iBbebe
输出电阻
R , R , 4 k, oC【四、小结】
,,RL1(电压放大倍数A, ,;输入电阻R, R ,, r;输出电阻R, R。 u i Bbe o Crbe
2(放大电路的两种工作状态分别为静态和动态。
(1)静态:当u, 0时，放大电路的工作状态。 i
2-148
? 必须设置静态工作点。
? 静态工作点必须设置合理。
? 静态工作点必须稳定。
之后的工作状态。放大的过程是: (2)动态:动态是指放大电路加入ui
u ? u(= U+ u)?i(= I+ i)?i(=I+ i)?u(=U + u)? u iBEBE beBBbCCcCECEceo
【五、习题】
一、是非题:1、2、3;二、选择题:1、2、3、6、7; 三、填空题:1、4、5。 【课题】
10.2 多级放大电路 【教学目标】
知道多级放大电路的特点。
【教学重点】
多级放大电路耦合方式。
【教学难点】
多级放大电路耦合方式。
【教学过程】
【一、复习】
放大电路的输入电阻R、输出电阻R的概念。 io
【二、引入新课】
多级放大电路是解决单个晶体管组成的放大电路放大量不足的问题。目前多级放大电路一般在集
成电路中制造。
【三、讲授新课】
1(直接耦合，如图10.7(a)所示。
(1)优点:既能放大交流信号，也能放大直流信号和变化缓慢的信号。
(2)零点漂移:输入为零时输出随外界条件变化而偏离静态值。
2(阻容耦合，如图10.7(b)所示。
(1)优点:各级静态工作点彼此独立，互不影响。
(2)缺点:阻容耦合电路不能放大直流和变化缓慢的信号。
3(变压器耦合，如图10.7(c)所示。
(1)优点:各级静态工作点彼此独立，互不影响;可以阻抗变换。
(2)缺点:频率特性差，对低频和高频信号均不能有效地传送;另外还有体积大、成本高、不
适用于集成工艺。
(a)直接耦合 (b)阻容耦合 (c)变压器耦合
图10.7 三种耦合方式的原理图
2-149
4(总的电压放大倍数应是各级放大倍数的乘积，即
, A A ,,,A Au u1u2un
在计算放大倍数时，注意应将后一级的输入电阻视为前一级的负载。
图10.8 多级放大电路的框图 【四、小结】
1(放大器是将微弱信号逐级放大的由单个放大电路连接起来的放大器。其耦合方式有阻容耦合、
变压器耦合和直接耦合。
2(无论哪种耦合，总电压放大倍数为:A= A , A ?A u u1u2un【五、习题】
一、是非题:1;二、选择题:8、9;三、填空题:6。
【课题】
, 10.3 场效[应]晶体管及放大电路 【教学目标】
知道场效晶体管及放大电路的特点。
【教学重点】
1(N沟道增强型绝缘栅场效晶体管。
2(场效晶体管放大作用。
【教学难点】
场效晶体管放大电路工作原理。
【教学过程】
【一、复习】
晶体管放大电路结构和放大原理。
【二、引入新课】
场效晶体管是利用电场效应控制电流的器件，与晶体管不同之处在于它是一种电压控制器件，所
以其输入电阻非常大，作为放大器输入级起到很好的效果。 【三、讲授新课】
10.3.1 场效[应]晶体管
1(场效应晶体管。N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的结构如图10.13所示。
2-150
(a)N沟道管结构 (b)N沟道管符号
图10.13 N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的外形、结构和符号 衬底上的箭头方向表示衬底类型，箭头指向衬底为N沟道管，箭头指向外为P沟道管。 2(场效晶体管的放大作用
(1)N沟道增强型MOS管工作原理如图10.14所示。
图10.14 N沟道增强型MOS管工作原理示意图 场效应管有三种工作状态。
, 时，管内无导电沟道， , 0，管子没有导通，场效应管截止。 UUIGS(th)GSD
,、而较大时，保持不变，在一定范围内变化时，保持不变，表现出UUUUUIGS(th)GSDSGSDSD
恒流特性;保持不变，在一定的范围内变化时，随之线性变化，体现出对的控制UUIUIDSGSDGSD
作用，这时场效应管线性放大。
,、而较小时，保持不变，在一定范围内变化时，作线性变化，其比UUUUUIGS(th)GSDSGSDSD
例系数就是沟道电阻，不同的，对应的沟导电阻不同，这时场效二晶体管为可变电阻。 RURDSGSDS
(2)场效晶体管主要特性:一是U对I的控制作用;二是输入电阻R??，栅极电流I , 0。 GSDGSG3(主要参数
(1)跨导g。当U为一定值时，漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比，即 mGS
ΔIDg , mΔUU,常数GSDS
(2)直流输入电阻R。漏源之间短路时，栅源之间所加电压U与栅极电流I之比，即 GSGSG
UGSR , GSIG
10.3.2 场效晶体管放大电路
1(场效晶体管放大电路，如图10.15所示。
2-151
(a) (b)
图10.15 场效晶体管放大电路
图10.15(a)的偏置方式只适用于耗尽型场效晶体管。 【四、小结】
1(场效晶体管是一种电压控制器，它具有极高的输入电阻，耗电少，便于集成化。绝缘栅场效
晶体管又称为MOS管。 7152(场效应晶体管放大电路的输入电阻非常高，约为10 ,~10,，其输入端几乎不取用电流。 【五、习题】
一、是非题:5;二、选择题:4、11;三、填空题:3、7。
【课题】
10.4 射极输出器 【教学目标】
知道射极输出器的特性及应用。
【教学重点】
1(射极输出器特点。
2(射极输出器的应用。
【教学难点】
射极输出器的输入电阻、输出电阻分析。
【教学过程】
【一、复习】
1(放大电路输入电阻和输出电阻概念。
2(放大电路电压放大倍数的计算。
【二、引入新课】
射极输出器作为另一种结构(共集电极放大器)的放大电路，有着许多一般放大电路所没有的特
性。例如输入电阻大、输出电阻小、不倒相等。
【三、讲授新课】
2-152
射极输出器:信号由晶体管发射极输出。
10.4.1 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻
1(电压放大倍数Au
, u， u , u， u , ri+(1+ )R,i u, i be ebe obeb Lb
u, R, i ,(1+β)R, i o LeLb
式中R, , R,, R LE L
,,u(1，)Ri,,(1，)RoLbLA, , , u u,r，(1，,)R,ri，(1，,)RiibeLbebLb
通常 R<(1 ，="" ,)r,，所以="" be="">
A, 1 u
电压放大倍数是1并为正值，可见输出电压u随着输入电压u变化而变化。 oi
2(输入电阻R i
r , R ,, r, , R ,, [ r ， ( 1 ， , ) R,] , R,, ( 1 ， , ) R, iBiBbeL B L
由于R 和(1 ， , )R,值都较大，所以射极输出器的输入电阻R很高。 LiB
3(输出电阻R o
射极输出器的u , u，当u保持不变时，u就近似不变，可见负载电阻对输出电压影响很小。说oiio
明射极输出器带负载能力很强。只有放大电路输出电阻很小时，其带负载能力才强。可判断射极输出
器的输出电阻很低。
10.4.2 射极输出器的应用
1(用作输入级。利用它输入电阻很高的特点，可减小对信号源的衰减，有利于信号的传输。
2(用作输出极。射极输出器接入负载或负载变化时，输出电压变化很小，使输出电压更加稳定。
3(用作中间隔离级。利用它输入电阻高可提高前级的电压放大倍数;利用它输出电阻低可减小
后级对前级的影响，使前、后级能够得到更好的配合。
【四、小结】
1(共集电极放大电路也称为射极输出器，其放大的信号从发射极输出。
2(该放大电路具有输入阻抗高、输出阻抗低、放大倍数近似为1的特点。
3(应用于多级放大电路的输入级、中间级和输出级。
【五、习题】
一、是非题:6、7;二、选择题:13;三、填空题:9、10。
【课题】
, 10.5 功率放大器 【教学目标】
知道功率放大的概念。
【教学重点】
互补对称功率放大器(OCL电路)。
【教学难点】
互补对称功率放大器。
2-153
【教学过程】
【一、复习】
射极输出器工作原理。
【二、引入新课】
与电压放大不同的是，功率放大电路主要是将信号电流和电压都放大，以满足负载对功率提出的要求。
【三、讲授新课】
10.5.1 功率放大器的概念
1(功率放大器有以下要求:
(1)输出功率大。要求功率放大器输出的电压和电流幅值均应较大。
(2)效率高。当直流电源功率一定，为了向负载提供尽可能大的信号功率，所以要求功率放大器效率要高。
(3)失真小。要求输出功率大应理解为在规定的非线性失真范围内的最大输出功率。
*10.5.2 互补对称功率放大器(OCL电路)
1(OCL功放电路的工作原理
图10.22是互补对称功率放大器的原理电路。
图10.22 互补对称功率放大器的原理电路
正负电源供电，| ， U| , | , U|。 CCCC
VT1是NPN型晶体管，VT2是PNP型晶体管，要求两管参数对称。
R是负载。当电路输入u , 0时，VT1和VT2都不导通，负载R上静态电流为零，输出u, 0。 LiLo
(1)输入信号正半周期间，VT1管发射结正向偏置导通，VT2管截止，VT1管的i流过负载C1R; L
(2)在输入信号负半周期间，VT2管发射结正向偏置导通，VT1管截止。VT2管的i流过负载C2R。 L
2(最大输出功率和效率
(1)最大输出功率P om
1P , om2
(2)功放电路的效率,
Pom, , Pv
式中P——为直流电源供给的功率。 v
由数学分析可知一个周期直流电源供给的功率为
2-154
2UICCcm , Pv π
1UICCcm2, , , 78.5 % 2UICCcm
π
实用的OCL功放电路的效率一般在60 %左右。 【四、小结】
1(功率放大器要求输出足够的功率、较高的效率和较小的失真。
2(OCL功放采用互补对称型放大电路，由两组电源供电，两管轮流导通，分别放大信号的正、
负半周。
【五、习题】
一、是非题:8。
【课题】
,, 10.6 差分放大器 【教学目标】
知道差分放大器的结构特点。
【教学重点】
1(直接耦合放大电路产生“零点漂移”问题。
2(差分放大电路抑制零点漂移过程。
【教学难点】
1(直接耦合放大电路产生“零点漂移”问题。
2(差分放大电路抑制零点漂移过程。
【教学过程】
【一、复习】
1(直接耦合放大电路。
2(共射放大电路。
【二、引入新课】
差分放大电路对抑制直接耦合放大电路(集成电路内部多采用这种电路)零点漂移有着十分有效
的作用。是目前许多放大电路作为前级使用的电路之一。 【三、讲授新课】
10.6.1 直耦放大电路的“零点漂移”
1(零点漂移。元件的参数随温度的变化而变化，在环境温度发生变化时，各级电路的静态工作
点也会变化，相当于给后级电路加了一个输入信号，经过后级电路的放大，使电路输出产生毫无规律
的变化，这个变化称为“零点漂移”。
10.6.2 差分放大器
2-155
, R，R, R，晶体管VT1和VT2的参数相同)。 1(差分放大器电路，如图10.25所示(RC1 C21 2
图10.25 典型的差分放大器电路
2(工作原理:静态时，因电路两边对称，则V, V、I, I、U, U，所以输出电压U, UB1 B2C1 C2O1 O2oo1 , U= 0。电路在零输入时输出为零。 o2
加有用输入信号u时，晶体管VT1和VT2的基极得到的输入信号分别为u和u，且u, , u, ii1i2i1 i2 1u。若u增大时，u增大u减小，引起VT1和VT2产生相反的变化，A点和B点电位一个减小i ii1i22
一个增大，结果输出电压u , 0。电路对有用输入信号有放大作用。 o
【四、小结】
1(差分放大器对“零点漂移”信号具有极强的拟制作用。
2(差分放大器要求两个型号、性能相同的晶体管以共发射极方式，左右对称连接而成，并带有公共的发射极，该电路在形态上具有左右两边对称、元件参数相等，特别是VT1和VT2的温度特性要求尽量一致的特点。电路有两个输入端，两个输出端。
【五、习题】
一、是非题:11;二、选择题:14、15、16、17、19。
【课题】
10.7 运算放大器
【教学目标】
描述集成运算放大器的性能特点。解释集成运算放大器构成的简单运算电路的原理。 【教学重点】
运算放大器组成的基本运算电路。
【教学难点】
理想运算放大器分析。
【教学过程】
【一、复习】
差分放大器输入和输出方式。
2-156
【二、引入新课】
运算放大电路有比例、加法、减法等运算功能，早期的电子计算机就是由运算放大器构成的各种
功能电路完成数学运算的。目前运算放大器广泛应用在自动控制系统中。
【三、讲授新课】
10.7.1 运算放大器的结构和特点
1(运算放大器:高放大倍数的直耦多级放大器，运算放大器常被制作成集成电路，为集成运算
放大器，简称运放。
内部结构框图如图10.26所示。
图10.26 运算放大器的组成 2(运放的符号及输入输出特性，如图10.27所示。
图10.27 运算放大器的符号与特性 u的同相输入端，由此端输入信号时，输出信号与输入信号的相位相同; ，
u 的反相输入端，由此端输入信号时，输出信号与输入信号的相位相反。 ,
3(线性运行区，如图10.20(b)所示。
u, A(u, u) o o+ ,10.7.2 理想运算放大器
1(理想化条件是:
开环电压放大倍数为无穷大，即A, ?。 o
输入电阻为无穷大，即r, ?。 i
输出电阻为零，即r, 0。 o
2(两个重要结论。集成运放工作在线性区时，有
u, A(u, u) o o， ,因A, ?，u为有限值，所以 (u, u) , 0 ，即 o o+,
u, u + ,由于u, u，反相端与同相端之间可视为短路，称为“虚假短路”。 + ,
理想运算放大器的输入电阻R, ?，相当于两输入端不取用电流，即 i
i, i, 0 + , 实际上R不可能无限大，u和u也不可能完全相等，i只能是近似为零，称为“虚假断路”。 i， , i10.7.3 运算放大器组成的基本运算电路
2-157
1(比例运算电路(以下电路分析过程可以忽略，直接给出结论)
(1)反相比例运算电路，如图10.29所示。
图10.29 反相比例运算电路 R为平衡电阻，取R , R ,, R。 221F
运用虚断和虚短的概念，由图10.29可得
i , i 1f而
uu,ui,ii , , 1RR11
uu,uoo,i , , , fRRFF所以得
uuoi , , RR1F
RFu , , u oiR1若R , R时，称为反相器，有 F1
u , , u oi(2)同相比例运算电路，如图10.30所示。
图10.30 同相比例运算电路 R为平衡电阻，R , R ,, R。 221F
根据分析集成运放的两个重要依据，有
u, u , u i +,
i, i , 0 + ,
i, i 1 f又
uui,i , , , , 1RR11
2-158
u,uu,uoio, , , ifRRFF则
u,uuioi, , RR11整理得
RF) u u , (1 ， oiR1当R , 0时，u , u，电路为电压跟随器。 Foi
2(加法运算电路
两输入端的反相加法电路，如图10.31所示。
图10.31 反相加法运算电路 R为平衡电阻，R , R,, R,, R。 331 2 F
运用虚地概念，有
i , i ， i f12即
uuuoi1i2, , ， RRR12F
整理得
RRFFu , , (u，u) oii21RR12当R , R , R时，则有 12F
u , , ( u ， u ) oi1i23(减法运算电路
减法运算电路，如图10.32所示。
图10.32 减法运算电路
2-159
R1, u , iR, , ( u , u) u, i111 i1o R，R1F
R3u , u +i2R，R32
因为u ,u，所以 ,，
RRR3FFu, (1+ ) u, u o i2 i1R，RRR3211
当R, R, R, R时， 1 2 3 F
u, u – u o i2i1【四、小结】
1(集成运放是一种放大倍数高、输入电阻高、输出电阻小的十分理想的电子器件。集成运放内
部组成主要有:输入级、中间级、输出级和偏置电路。
2(集成运放的电路符号中“,”为相反输入端，表示集成运放输出信号与该输入端所加的输入信
号相位相反，用u表示;“+”为同相输入端，表示集成运放输出信号与该输入端所加的输入信号相位,
相同，用u表示。 +
3(比例运算电路
RF(1)反相比例运算。u, , uo i R1
RF(2)同相比例运算。u, ( 1 ， ) u o iR1
4(加法运算电路
两输入端的反相加法。u , , ( u， u) oi1 i2
3(减法运算电路
减法运算。u , u– u oi2 i1
【五、习题】
一、是非题:12、16、17。
【课题】
10.8 放大电路中的负反馈 【教学目标】
知道反馈的极性判别。了解负反馈的类型。知道负反馈对放大器性能的影响。
【教学重点】
1(负反馈放大电路的类型。
2(负反馈对放大器性能的影响。
【教学难点】
1(负反馈放大电路的类型。
2(负反馈对放大器性能的影响。
【教学过程】
【一、复习】
2-160
放大电路的饱和失真、截止失真产生的原因。
【二、引入新课】
负反馈作为放大电路来说是必不可少的。可以说放大电路若没有负反馈是无法正常工作的。不过负反馈的情况比较复杂，在本节内容中只是简单介绍。
【三、讲授新课】
10.8.1 负反馈的概念
1(反馈:将放大电路输出信号的一部分或全部，通过一定的方式送回到放大电路输入端，使放大电路的输入量不仅受输入信号的控制，而且还受放大电路输出量的影响。
2(反馈框图如图10.33所示。
图10.33 反馈放大电路的一般方框图
x 表示来自信号源的输入信号，x表示放大电路的输出信号，x表示反馈信号，x,表示放大电路iof i的净输入信号，符号 , 表示比较环节，输入信号x和反馈信号x在此相叠加(比较)，产生放大电路i f
的净输入信号x,。 i
3(反馈的极性。(1)负反馈:引入反馈后，如果反馈信号减弱输入信号，使净输入信号减小，导致输出信号减小;(2)正反馈:反馈信号增强输入信号，使净输入信号增大，导致输出信号增大。
*10.8.2 反馈的极性判断
1(瞬时极性法。将反馈信号与放大电路输入端的连接断开，假想从放大电路的输入端加入瞬时极性的输入信号(“+”表示增加，“,”表示减小)。推想各相关点电压瞬时极性的变化，如果反馈信号与输入信号的极性相同为正反馈，否则为负反馈。
[例10.3] 试用瞬时极性法识别图10.34所示电路的反馈极性。
2-161
图10.34 用瞬时极性法判别反馈极性
[解] (1)在图10.34(a)所示电路中，先断开反馈支路，给反相输入端加“,”瞬时信号，集
,,成运放放大后输出端为“?”信号(倒相作用)，经反馈电阻R引回到同相输入端为“?”，与原反F
相输入端加的“,”信号相反，使净输入信号削弱，为负反馈。
(2)在图10.34(b)所示电路中，若给同相输入端加“,”信号，运放输出端为“,”信号，经反馈引回同相输入端为“,”，与原同相输入端加的“,”信号相同，使净输入信号加强，为正反馈。
10.8.3 直流负反馈
如果电路引入的反馈量仅是直流量，这种反馈称为直流反馈。直流负反馈可以稳定放大电路的静态工作点。
*10.8.4 负反馈放大电路的组态
1(电压反馈和电流反馈的区分
(1)若将放大电路的输出端短路，反馈信号消失为电压反馈;否则为电流反馈。如图10.35(a)、(b)所示。
(2)反馈信号直接取自输出端为电压反馈，否则为电流反馈。
(3)电压负反馈能稳定输出电压，使输出电阻减小;电流负反馈能稳定输出电流，使输出电阻增大。
2(串联反馈和并联反馈的区分
(1)反馈信号直接送到的输入端为并联反馈，否则为串联反馈。如图10.35(c)、(d)所示。
(2)串联负反馈能增大输入电阻，适宜和电压源相连;并联负反馈能减小输入电阻，适宜和电流源相连。
2-162
(a) (b)
(c) (d)
图10.35 负反馈的分类 3(负反馈四种基本类型:
电压串联负反馈，如图10.36(a)所示;
电压并联负反馈，如图10.36(b)所示;
电流串联负反馈，如图10.36(c)所示;
电流并联负反馈，如图10.36(d)所示。
(a) (b)
(c) (d)
图10.36 负反馈的四种基本类型 *10.8.5 负反馈对放大器性能的影响
1(降低放大倍数。反馈信号与输入信号比较，使净输入信号减小，而基本放大电路的放大倍数
不变，负反馈作用导致输出信号减小。因此，具有负反馈的放大器的放大倍数比不加负反馈时要低。
2-163
2(提高放大倍数的稳定性。引入负反馈后，使输出信号的变化得到抑制，放大倍数趋于不变，因此提高了放大倍数的稳定性。
3(减小非线性失真。引入负反馈后，反馈电路将输出失真的信号送回到输入电路，使净输入信号产生与输出失真相反的“预失真”信号，经放大，输出信号的失真得到一定程度的“补偿”。
图10.37 负反馈减小非线性失真
4(改变放大电路的输入、输出电阻。电压负反馈减小输入电阻，电流负反馈增大输入电阻;并联反馈减小输入电阻，串联反馈增大输入电阻。
【四、小结】
1(负反馈的概念是将输出信号的一部分回送输入端，使净输入信号减少的控制环节。
2(反馈的极性。负反馈和正反馈。判别正、负反馈通常采用瞬时极性法。负反馈多用于改善放大电路的性能。正反馈多用于振荡电路和数字电路。
3(负反馈能有效改善电路的性能。提高放大倍数的稳定性;减少非线性失真;改善输出电阻等。
4(基本类型。电压串联负反馈，电流串联负反馈，电压并联负反馈，电流并联负反馈。 【五、习题】
一、是非题:15、18、19、20;二、选择题:20、21、22。
【课题】
, 10.9 正弦波振荡器
【教学目标】
知道正反馈、自激振荡和正弦波振荡器。
【教学重点】
1(自激振荡的两个条件。
2(RC正弦波振荡器。
3(石英晶体正弦波振荡器。
【教学难点】
1(自激振荡的两个条件。
2(RC正弦波振荡器。
3(石英晶体正弦波振荡器。
2-164
【教学过程】
【一、复习】
1(反馈极性的判断。
2(放大电路的结构与工作情况。
3(变压器器的同名端概念。
【二、引入新课】
正弦波振荡器是一种没有输入信号的放大器，振荡器产生的各种正弦波信号作为基准信号提供给电子电路。分析振荡器要抓住两个条件(相位条件，幅值条件)。
【三、讲授新课】
10.9.1 正弦波振荡器的基本原理
1(自激振荡的概念
(1)自激振荡。电路没有外加输入信号，却能输出具有一定频率、一定幅值的正弦波信号。能形成自激振荡的电路就称为振荡电路。
(2)图10.31所示的方框图说明了振荡过程。振荡电路是一种无需外加信号就能将直流电能变为交流电能的能量变换电路。
图10.38 由放大电路到自激振荡电路
2(自激振荡的条件
(1)振荡的幅值平衡条件
?AF?, 1
它说明振荡时，反馈信号u 和加到放大电路输入端的信号u大小相等。 fi
(2)振荡的相位平衡条件
,， , , 2n,(n为整数) a f
式中 ,输入信号经放大电路产生的相移量; 为 a
, 为输出信号经反馈网络产生的相移量。 f
3(自激振荡的建立
振荡器利用外界的微弱干扰(如刚接通电源时所带来的微弱干扰)作最初的信号(包含有各种频率成份)，通过选频网络，使某一特定频率的信号满足起振条件。这个特定频率的信号经过放大、输出、反馈、再放大、再输出、再反馈??的循环过程，使输出信号从无到有、从小到大逐渐增大，从而建立起振荡。
4(正弦波振荡器的基本组成
(1)放大电路，满足幅值平衡条件。
(2)正反馈电路，满足相位平衡条件。
(3)选频电路，振荡器输出所需要的、单一频率的正弦波信号。
(4)稳幅电路，稳定振荡器输出信号的振幅。
10.9.2 RC正弦波振荡器
RC正弦波振荡器，如图10.39所示。
2-165
图10.39 RC正弦波振荡器
1。 调节R时R略大于2R时，电路能形成自激振荡，振荡频率f ,FF102,RC10.9.3 LC正弦波振荡器
1(变压器反馈式正弦波振荡器
变压器反馈式正弦波振荡器，如图10.40所示。
图10.40 变压器反馈式正弦波振荡器 集成运放组成放大电路。
正反馈由变压器一次绕组、二次绕组之间的互感耦合，为反馈绕组。 LLL122和并联谐振组成选频电路。 LC12
为负反馈电阻起稳幅作用。 RF
为平衡电阻。 R2
为耦合电容。 C1
振荡频率
1 , f02πLC122(电感三点式正弦波振荡器
电感三点式正弦波振荡器，如图10.41所示。
2-166
图10.41 电感三点式正弦波振荡器
等效电感L(和串联)与并联组成选频电路。 LLC122
正反馈信号从两端取出。 L2
为负反馈电阻，起稳幅作用。 RF
为平衡电阻。 R2
为耦合电容。 C1
振荡频率
1 , f02πLC23(电容三点式正弦波振荡器
电容三点式正弦波振荡器，如图10.42所示。
图10.42 电容三点式正弦波振荡器
反馈信号u从C两端取出。 f2
振荡频率
1f , 02πLC
式中 C为C和C的串联值。 12
10.9.4 石英晶体正弦波振荡器
1(石英晶体的结构和特性
(1)石英晶体，如图10.43所示。
2-167
图10.43 石英晶体的结构和符号
(2)石英晶体在电路中可等效为一个损耗很小的谐振回路。串联谐振频率和并联谐振频率，ffpS在和范围内，石英晶体呈感性，相当于一个电感元件;在频率上，石英晶体呈纯电阻性，相fffSpS当于一个阻值很小的电阻;在其他频率下，石英晶体呈容性，相当于一个电容元件。
2(石英晶体振荡器
(1)串联型石英晶体振荡器，如图10.44(a)所示。
石英晶体接在正反馈电路中起选频作用，电路振荡频率为f。调节电阻R可获得良好的正弦波输s出。
(a)串联型石英晶体正弦波振荡器
(b)并联型石英晶体正弦波振荡器
图10.44 石英晶体正弦波振荡器
(2)并联型石英晶体振荡器，如图10.44(b)所示。
电路的振荡频率在f与f之间，石英晶体呈感性，相当于一个电感，其工作原理与电容三点式sp
LC正弦波振荡器相似，振荡频率近似为f。 s
【四、小结】
1(正弦波振荡器是一种不需外加输入信号也能产生一定频率和一定幅度正弦信号的正反馈放大
电路。
2(正弦波振荡器的起振条件:
(1)振幅平衡条件。反馈信号振幅应与输入信号振幅相等;
(2)相位平衡条件。反馈信号的相位应与输入信号的相位相同。
3(正弦波振荡器组成。放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节。
4(正弦波振荡器性能比较(详见表10.1)
2-168
表10.1 正弦波振荡器性能比较 类型 石英晶体 RC LC
串并联式 变压器反馈式 电感三点式 电容三点式 串联式 并联式 性能 11 11ff振荡频< fff,="" f,s00f,f,0ps002πrc2πlc2πlc2πlc212率="" 其中:="" 其中:="" cc="" 12c,="">
不易调，范f频率高且较稳频率高且较稳定度o电易起振，频fo易调灵活，波形较好，频率定度高，石英高，石英晶体相当f路围小，波形好，o率易调且范围易调。 晶体串接于反于LC并联回路中特且频率范围宽 频率高且较稳宽，波形较差 点馈电路中 的L 定
用+= ,,af用瞬时极性判用瞬时极性法。f2n, 因=0,用瞬时极性0f=法。ff断0S法，注意变压用瞬时极性法 用瞬时极性法 和之间时，石英fP只要=2n, ,方a时，石英晶体器同名端 晶体相当于电感 法 即满足相位平呈纯电阻性
衡条件
适适用于频率可波形要求不波形要求较频率固定，稳用调的音频信号高，频率调节同左 高，频率固定定度高，频率同左 场发生器 范围较大 或可调范围小 高 合
【五、习题】
一、是非题:21、22、23、24; 二、选择题:23、24、25;三、填空题:11、12。
【课题】
, 10.10 可控整流的触发电路 【教学目标】
知道可控整流的触发电路工作情况。
【教学重点】
1(单结晶体管振荡电路。
2(单结晶体管触发电路。
【教学难点】
1(单结晶体管振荡电路。
2(单结晶体管触发电路。
【教学过程】
【一、复习】
1(电容器充电与放电规律。
2(并联型稳压电路。
3(串联型稳压电路。
2-169
【二、引入新课】
必须给晶闸管提供足够大的触发信号，它才可导通。本节所介绍内容就是一种分立元件构成的触
发电路。目前集成触发电路也在广泛使用，其原理与分立元件基本一致。 【三、讲授新课】
10.10.1 单结晶体管
1(单结晶体管的外形、结构、符号如图10.45所示。
(a)外形 (b)结构 (c)符号
图10.45 单结晶体管
2(单结晶体管的等效电路如图10.46所示。
图10.46 单结晶体管的等效电路
峰点电压U和谷点电压U。 PV
(1)当U
(2)当U=U时，单结晶体管导通，表现出负阻特性，即发射极电流I突然增大，同时，UEB1PEEB1
却在减小，在U减小到谷点电压U时，如果不能提供足够大的发射极电流I，单结晶体管将迅速EB1VE转为截止。
10.10.2 单结晶体管振荡电路
1(单结晶体管振荡电路，如图10.47(a)所示。
(a) (b)
图10.47 单结晶体管振荡电路
2-170
向电容C充电，电容C两端电压U按指数规律上升，当u
10.10.3 单结晶体管的触发电路
1(单结晶体管触发的单相桥式半控整流电路，如图10.48所示。
图10.48 由单结晶体管触发的单相桥式半控整流电路
电路中各点的波形如图10.49所示。
2-171
图10.49 电路中各相关点的波形
调节电位器R的大小，可以改变电容C的充电时间常数, , ( R， R ， C，也就改变了导通角的大PP 小，从而起到调节输出电压的作用。
【四、小结】
1(单结晶体管有一个PN结，一个与P型半导体相连的发射极，两个基极。
2(单结晶体管振荡电路的自激振荡是利用单结晶体管的负阻特性和电容充、放电特性实现的。
【五、习题】
一、是非题:27;三、填空题:23。
2-172
范文五：集成运放
集成运放
一、集成电路运算放大器中的电流源
1.基本电流源
分压式射极偏置电路为基本电流源电路。 当三级管工作在放大区, 由于射极电流仅由两分压电阻决定, 因此当负载发生变化(也即集电极电阻发生变化),输出电流(即集电极电流)保持不变,体现了恒流特 性。
2.有源负载
由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点,因此在模拟集成电路中,常把它作为负载使用,称 为 有源负载 。
3.电流源的应用
(1)为集成运放各级提供稳定的偏置电流;
(2)作为各放大级的有源负载,提高电压增益。
二、差分式放大电路
主要作用:作为多级放大电路的输入级,抑制零点漂移。
一、基本差分放大电路
电路特点:由两个互为发射极耦合的共射电路组成,电路参数完全对称。它有两个输入端,两个输出端, 当输出信号从任一集电极取出, 称为 单端输出 ,而当从两个集电极之间取出, 则称为 双端输出 或 浮动输出 。
1.差分式放大电路的类型:
按输入和输出的方式分为:双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端 输出。
2.静态分析
静态是指无外输入信号时电路所处的状态。因此,在进行静态分析时,应把输入信号置零,即输入端 短路。
3.动态分析
(1)差模信号与共模信号
在讨论差分放大电路的性能特点时,必须先区分差模信号和共模信号这两个不同的概念,因为 差分放 大电路对差模信号和共模信号具有完全不同的放大性能。
一对任意数值的输入信号可以用差模信号和共模信号来表示。通常,可以认为,共模信号是由一对幅
值相等、极性相同的输入信号组成,差模信号是由一对幅值相等、极性相反的输入信号组成。
(2)垂直对称网络的二等分
垂直对称二端口网络,当在两输入端分别加上幅值相等、极性相同的信号和幅值相等、极性相反的输 入信号时,其垂直对称线上分别等效为开路和对地短接。这样,一个二端口网络变分解为两个半网络。
(3)差模信号输入
将差分放大电路分解为两个半电路,在半电路中:
双端输入 :共用电阻 Re 短接或恒流源交流短接; 单端输入 共用电阻 Re 或恒流源开路。
①差模增益:指差分放大电路差模输出电压对差模输入电压的比值,单端输出时差模增益为双端输出 时的一半。
②差模输入电阻:指差分放大电路从两输入端看进去所呈现的电阻,其值为两共射放大电路输入电阻 之和。
③差模输出电阻:单端输出时,任一端的差模输出电阻即为共射放大电路的输出电阻;双端输出时, 差模输出电阻为两共射放大电路输出电阻之和。
(4)共模信号输入
将差分放大电路分解为两个半电路,在半电路中 共用电阻 Re 等效为 2*Re。
①共模增益:双端输出时,共模电压增益为 0,因此,一般只考虑单端输出时共模电压增益。
②共模输入电阻:差分放大电路任一输入端看入的电阻。
③共模输出电阻:差分放大电路任一输出端呈现的电阻。
(5)共模抑制比
共模抑制比是差分放大电路的重要性能指标之一,它表明了差分放大电路放大差模输入信号和抑制共 模信号的相对能力。
(6)抑制零点漂移的原理
利用 电路的对称性和发射级电阻 Re 或恒流源形成的共模负反馈。
二、有源负载差分放大电路(带恒流源电路)
从以上分析可以看出,为了增大共模抑制比,除了力求差分放大电路完全对称外,还应增大发射极电 阻 Re 。但是 Re 过大,不仅集成工艺难以实现,而且会使放大电路两管的静态工作点电流偏低。为了解决 这个矛盾,可以采用有源负载电路来代替 Re 。实践证明,采用恒流源电路的差分放大电路,其共模抑制比 可提高 1~2个数量级。
三、问题
(1)在差分式放大电路的射极电阻 Re 上是否要加旁路电容 Ce ?
答:不能加。因为 Re 电阻对输入信号的差模分量,其上电流的变化量为 0,所以不必加旁路电容 Ce 。 再者 Re 对输入信号的共模分量,形成较强的负反馈来抑制零漂,所以不能加旁路电容 Ce 。
(2)在差分放大电路分析中,为什么要考虑信号源内阻 Rs ?
答:差分式放大电路是直接耦合放大电路,输入端无耦合电容, Rs 的不同会影响管子的静态工作点 , Rs 不同影响也不同。一般经常在 信号源和输入管基极间接较大的电阻 Rs 。
三、集成电路运算放大器
集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路,通常由输入级、中间级、输出级及偏置电路 组成。
输入级:通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力,提高输入电阻。 中间级:带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级,主要作用是提高电压 增益。
输出级:采用互补对称功放或射极输出器组成,主要是降低输出电阻,提高带负载能力。
四、集成电路运算放大器的主要参数
一、 输入误差信号 :
输入失调电压 V IO 和输入失调电流 I IO ;
输入失调电压温漂 ΔV IO /ΔT 和输入失调电流温漂 ΔI IO /ΔT ;
输入偏置电流 I IB
二、 开环差模参数
开环差模电压增益 A VO 、最大差模输入电压 V idmax 、差模输入电阻 R id 、开环输出电阻 R od 、最大输出 电流 I omax 、开环带宽 BW 、单位增益带宽 BW G 等。
三、共模参数
共模抑制比 K CMR 、最大共模输入电压 V icmax 、共模输入电阻 R ic
四、瞬态参数
转换速率 S R 等。
五、电源参数
电源电压范围、静态功耗等。
例 1.集成运放的输入级为什么采用差分式放大电 路?对集成运放的中间级和输出级各有什么要求?一 般采用什么样的电路形式?
集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大 电路,直耦多级放大电路存在零点漂移现象,尤以输 入级的零点漂移最为严重。差动放大电路利用 电路的
对称性和发射级电阻 Re 或恒流源形成的共模负反馈 , 对零点漂移有很强的抑制所用 ,所以输入级常采用差 分放大电路,它对共模信号有很强的抑制力。
中间级主要是提供高的电压增益,中间级的电路 形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。
输出级主要是降低输出电阻,提高带负载能力。 输出级主要由 PNP 和 NPN 两种极性的三极管或复合管 组成,以获得正负两个极性的输出电压或电流。
例 2.电流源在模拟集成电路中可起到什么作用?为什么用它作为放大电路的有源负载?
答:在模拟集成电路中,电流源常作为有源负载使用。这是由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特 点。关于这一特点可以这样理解:构成电流源的三极管工作在放大区,放大区的输出特性曲线近似水平而 微有上翘,因此曲线上任一点(即Q点 )的切线斜率很小,而斜率的倒数为交流电阻,即等效交流电阻很 大。而等效直流电阻为同一点与原点连线斜率的倒数,显然较小。直流电阻和交流电阻不同,这是由于三 极管特性的非线性所致。
例 3.定性分析图所示电路,说明 T1、 T2在电路中的作用。
答:输入信号加在 T1管基极,输出信号取自 T1管发射极,因此 T1管构成共集电路。 T2管构成了电流源, 作为 T1管发射极的有源负载。
例 4.差分式放大器如图,已知 Vcc=6V, Rb=6KΩ, Rc=6KΩ, Re=5.1KΩ,
V BE=0.7V,r bb'=700Ω, β=100。计算:
(1)电路静态工作点(I CQ 、V CEQ )
(2)差模电压放大倍数 。
(3)差模输入电阻 、输出电阻 。
解:1. 静态工作点:
思路:因为求静态工作点是电路的直流工作状态。所以V I1=V I2=0 (画出
直流通路)。简化分析,可近似认为两三极管基极电位V B=0 。
发射极电位V E=-V BE =-0.7V
射极电阻 Re 上电流I E=(V E+V EE ) /Re =1.04mA ,因为 T1、 T2对称性,
所以 I CQ1=ICQ2 =1/2×I E =0.52mA
V CEQ1 =V CEQ2 =V C -V E =(6-Rc.I CQ )-(-0.7)=3.58V
2. 求差模电压放大倍数。
思路:首先画出差模信号工作时电路交流通路 ,Re 电阻交流短接。然后利用第三章放大电路分析方法进行 求解。
Avd =Vo/Vi= -βRc/(Rb+r be)
r be= r bb'+(1+β)26/I EQ =100+(1+100)26/0.52 =5.15K
所以, Avd=-84
3. 求输入电阻及输出电阻
由交流通路可直接求得 Rid=2(Rb +r be )=14.3K
Rod=2Rc =1.2K
例 5.若上题输出电压v o 从 C2取出,即v o =v C2 ,其它不变
求:(1)差模电压放大倍 Avd 数。
(2) Rid 及 Rod
解:(1)Avd =1/2×βRc/(Rb+r be)= 42
(2) Rid=2(Rb+r be ) =14.3K
Rod=Rc=6K
测试题
1、 集成运算放大器是一种采用 ______耦合方式的放大电路, 最常见的问题是 __________, 限于集成工艺的 限制,在内部组成上,对高阻值电阻通常采用由三极管或场效应管组成的 ________来替代,或是采用 ________的方法来解决。
(答案)
2、 在差动放大电路中, 若 Vs1=18mV, Vs2=10mV, 则输入差模电压 Vsd =______mV, 共模输入电压 Vsc=______mV; 若差模电压增益 Avd= - 10,共模电压增益 Avc= - 0.2,则差动放大电路输出电压 Vo=______mV。
(答案)
3、 差动放大电路的基本功能是对差模信号的 _______作用和对共模信号的 _______作用。 (注:本题为 1998年北京理工大学研究生入学考试“模拟与数字电路”考题 )
(答案)
4、差动放大电路抑制零点漂移的原理是 ________________________________________。 (注:本题为往年 考题 )
(答案)
5、选择正确答案填空
(1)集成运放电路采用直接耦合方式是因为 _______。
a. 可获得很大的放大倍数; b. 可使温漂小; c. 集成工艺难于制造大容量电容。
(2)通用型集成运放适用于放大 _______。
a. 高频信号; b. 低频信号; c. 任何频率信号
(3)集成运放制造工艺使得同类半导体管的 _______。
a. 指标参数准确; b. 参数不受温度影响; c. 参数一致性好
(4)集成运放的输入级采用差动放大电路是因为可以 _______。
a. 减小温漂; b. 增大放大倍数; c. 提供输入电阻
(5)为增大电压放大倍数,集成运放中间级多采用 _______。
a. 共射放大电路; b. 共集放大电路; c. 共基放大电路
(答案)
6、用一个 PNP 型和一个 NPN 型管组成等效 PNP 型符合管时,图所示的 abcd 接法中, _______是正确的。
(注:本题为 1996年电子科技大学研究生入学考试“模拟电路”考题 )
(答案)
7、图电路中, I =1mA ,则 Ic3=_______。
(1) 1mA ;(2) 0.5mA ;(3) 0.3mA
(注:本题为 1996年电子科技大学研究生入学考试“模拟电路”考题 )
(答案)
8、双端输入,双端输出,差分式放大电路如图。
已知:静态时 ,Vc1=Vc2=10V,Vo=Vc1-Vc2=0,求:
(1)设 |A vd|=100,A vc=0,V i1=10mV,V i2=5mV. 则 |Vo|为( )
a.125mV b.200mV c.250mV d.500mV
(2)设A vd=-10,Vi1=0.1V,Vi2=-0.1V,则 Vc1(对地)为( ) ,
Vc2对地为( )
a.9V b.10V c.11V d.12V
(3)为提高电路的K CMR, R e 可用( )代替。
a. 大电容 b.电流源 C、电压源 d.断开
(答案 与 提示)
9、某差动放大电路如图,选择正确答案。
(1)静态时,要使 Vo=0,应调整元件是( )
a.Rw b.Rc c.Re d.Rb
(2)差模放大时,开关 S 从 1转至 2, Vo 值变化是( )
a. 增大 b.减小 c.基本不变
(3)共模放大时,开关 S 从 2转至 1,
实测共模放大倍数 |A vc|值的变化是( )
a. 增大 b.减小 c.基本不变
(答案 与 提示)
10、 差分式放大电路如图。 电位器 Rw 的滑动端位于中点, T1,T2管对称。 参数 β=60, r be=2.6KΩ, V BE=0.7V
(1)T 1管静态电流I c1约为( )
a.0.5mA b.0.7mA c.1mA d.1.4mA
(2)当V i1=10mV,V i2=-10mV,V o 约为() a.560mV b.280mV c.-560mV d.-280mV
(3)当V i1=V i2=10mV时,V o 约为() a.5mV b.100mV c.-5mV d.-100mV
(4)当V i1=15mV,V i2=5mV时,V o 约为() a.555mV b.550mV c.270mV d.275mV
(答案 与 提示)
