集成电路与运算放大器.pptx

按集成度划分：按集成度划分：小规模集成电路（0100个元件）中规模集成电路（1001000个元件）大规模集成电路（1000个元件以上）超大规模集成电路（十万个元件以上）模拟集成电路据应用划分：模拟集成电路据应用划分：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源等集成电路的分类集成电路的分类：据功能来划分据功能来划分:模拟集成电路模拟集成电路 数字集成电路数字集成电路3.1 集成电路与运算放大器基础集成电路与运算放大器基础3.1.1 3.1.1 集成工艺与集成元器件集成工艺与集成元器件 3.1.2 集成运算放大器的组成、框图以及符号集成运算放大器的组成、框图以及符号1.集成电路运算放大器的基本构成集成电路运算放大器的基本构成 运算放大器有三类封装形式：金属圆帽封装、双金属圆帽封装、双列直插封装和贴片列直插封装和贴片SOPSOP封装封装 2、封装形式和表示符号、封装形式和表示符号SO8(Plastic Micropackage)同相输入端：vo与vi的位相相同。反相输入端：vo与vi的位相相反。Aod：开环差模电压放大倍数。vi反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端vo=Aodvi v v+voAo国际符号国际符号国内符号国内符号Avdvv+3.2 集成运放的输入级集成运放的输入级集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组成。集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组成。差分放大器就其功能来说，是对差模输入信号具有放差分放大器就其功能来说，是对差模输入信号具有放大作用，而对共模输入信号具有抑制作用的放大器，大作用，而对共模输入信号具有抑制作用的放大器，由于其电路的性能优越，它是集成电路运算放大器的由于其电路的性能优越，它是集成电路运算放大器的主要组成单元。主要组成单元。对称对称3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号 实际加到放大器两输入端的信号：电压往往为任意信实际加到放大器两输入端的信号：电压往往为任意信号，号，实际加到放大器两输入端的信号电压可分解为一对大小相等、实际加到放大器两输入端的信号电压可分解为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和。极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和。3.2 集成运算放大器的输入级集成运算放大器的输入级3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理 1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号差模输入信号差模输入信号:放大器两个输入端的输入信号为一对大小相等，放大器两个输入端的输入信号为一对大小相等，极性相反的输入信号电压，即：极性相反的输入信号电压，即：共模输入信号：放大器的两输入端分别输入一个大小相等，共模输入信号：放大器的两输入端分别输入一个大小相等，性相同的信号，即：性相同的信号，即：3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号差模输出信号：放大器的两个输出端，输出大小相等，极性相差模输出信号：放大器的两个输出端，输出大小相等，极性相 反的输出信号，即：反的输出信号，即：共模输出信号：输出端输出大小相等，极性相同的输出信；即，共模输出信号：输出端输出大小相等，极性相同的输出信；即，+-vi1+-vi2-+-vo 差模与共模信号：差模与共模信号：+-vid差模信号差模信号共模信号共模信号总输出电压总输出电压差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力反映抑制零漂能力 分析思路：叠加定理分析思路：叠加定理输出信号同样可以进行类似的分解输出信号同样可以进行类似的分解零点漂移的讨论零点漂移的讨论 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移问题零点漂移问题可以放大直流信号可以放大直流信号#集成运算放大器要采用直接耦合集成运算放大器要采用直接耦合？零漂：零漂：输输入入短短路路时时，输输出出仍仍有有缓缓慢变化的电压产生。慢变化的电压产生。主要原因：主要原因：温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。温漂指标：温漂指标：温温度度每每升升高高1 1度度时时，输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折算到输入端折算到输入端的等效输入漂移电压值。的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一电源电压波动也是原因之一没有电容、变压器没有电容、变压器例如例如若第一级漂移若第一级漂移100 uV，则输出漂移则输出漂移 10m V若第二级漂移若第二级漂移100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV假设假设 第一级是关键！第一级是关键！减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 采用采用差分式放大电路差分式放大电路漂移漂移 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mVCH10DifferentialAmplifiers12AudioAmplifierExampleAnaudioamplifierisconstructedabovethattakesonarectifiedACvoltageasitssupplyandamplifiesanaudiosignalfromamicrophone.13“Humming”NoiseinAudioAmplifierExampleHowever,VCCcontainsaripplefromrectificationthatleakstotheoutputandisperceivedasa“humming”noisebytheuser.14SupplyRippleRejectionSincebothnodeXandYcontaintheripple,theirdifferencewillbefreeofripple.15Ripple-FreeDifferentialOutputSincethesignalistakenasadifferencebetweentwonodes,anamplifierthatsensesdifferentialsignalsisneeded.16CommonInputstoDifferentialAmplifierSignalscannotbeappliedinphasetotheinputsofadifferentialamplifier,sincetheoutputswillalsobeinphase,producingzerodifferentialoutput.17DifferentialInputstoDifferentialAmplifierWhentheinputsareapplieddifferentially,theoutputsare180outofphase;enhancingeachotherwhensenseddifferentially.CH10DifferentialAmplifiers18DifferentialSignalsApairofdifferentialsignalscanbegenerated,amongotherways,byatransformer.Differentialsignalshavethepropertythattheysharethesameaveragevaluetogroundandareequalinmagnitudebutoppositeinphase.3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号例1：已知已知 =2.02V，=1.98V，试求共模和差模输入电压。试求共模和差模输入电压。解：解：3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理、差分放大电路的工作原理 这个电路有两个输入端和两个输出端这个电路有两个输入端和两个输出端,有四种电路形式：有四种电路形式：双端输入双端输入-双端输出双端输出 双端输入双端输入-单端输出单端输出3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理、差分放大电路的工作原理单端输入双端输出单端输入双端输出单端输入单端输出单端输入单端输出理想情况下，单端输入只输入差模信号理想情况下，单端输入只输入差模信号3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理 下面分析其工作原理下面分析其工作原理 1 1）静态分析）静态分析 当当i1i20时时iC1=iC2=IC=IO/23.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理2）动态分析：）动态分析：差分放大器对差模输入信号具有放大作用差分放大器对差模输入信号具有放大作用对共模信号具有抑制作用对共模信号具有抑制作用3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 1、差分放大器的等效电、差分放大器的等效电路与半电路分析法路与半电路分析法双端输入双端输出双端输入双端输出差模输入信号电压作用下：差模输入信号电压作用下：REE可视为短路可视为短路负载电阻负载电阻RL两端的增量电压等值两端的增量电压等值反相，故负载中间的点对应的电反相，故负载中间的点对应的电位保持不变，即交流电位为位保持不变，即交流电位为0。3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法 3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(2).差分放大器的差模性能分析分放大器的差模性能分析差模输入电阻差模输入电阻 ：2(Rs+rbe)差模输出电阻：差模输出电阻：双端输出：双端输出：2RC 单端输出：单端输出：RC3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(2).差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析差模电压增益：差分放大器的差差模电压增益：差分放大器的差模输出电压对差模输入电压的比模输出电压对差模输入电压的比值值 双端输出时的差模电压增益与单双端输出时的差模电压增益与单个共发射极放大电路的增益相同个共发射极放大电路的增益相同3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 2.差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析(2).差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析差模电压增益：差模电压增益：单端输出时单端输出时 若不接若不接RL则单端输出时的则单端输出时的电压增益为电压增益为 单端输出时的差模电压增益单端输出时的差模电压增益为单个共发射极放大电路的为单个共发射极放大电路的增益的一半增益的一半3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法（3）差分放大器的共模性能分析）差分放大器的共模性能分析 流经流经REE的电流等于原静态电流的电流等于原静态电流Io与与2倍的增量电流倍的增量电流iC之之和和;半边电路三极管发射极相半边电路三极管发射极相当于接入当于接入2REE；双端输出的条件下，集电双端输出的条件下，集电极两端输出的交流电压大极两端输出的交流电压大小相等，方向相同，通过小相等，方向相同，通过RL的电流为零，的电流为零，RL等效为开路。等效为开路。3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 2.差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析（3）差分放大器的共模性能分析）差分放大器的共模性能分析 共模电压增益共模电压增益Ac单端单端因因2（1）REERsrbe，故故双端双端3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法（3）差分放大器的共模性能分析）差分放大器的共模性能分析 共模输入电阻共模输入电阻Ric：Ric定义为共模输入电压定义为共模输入电压ic与一个输入端的共模输入电流与一个输入端的共模输入电流ibc之比。之比。共模输出电阻：共模输出电阻：是指从共模输出端口看进出的电阻是指从共模输出端口看进出的电阻 3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 2、共模抑制比、共模抑制比 定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值的绝对值 双端输出时，共模增益为双端输出时，共模增益为0 0，其共模抑制比为无穷大；，其共模抑制比为无穷大；单端输出时，单端输出时，(RL开路)3.2.2差分放大电路的基本性能分析2、共模抑制比、共模抑制比提高共模抑制比的主要方提高共模抑制比的主要方法是增大法是增大REE 用恒流源来代替用恒流源来代替REE恒流源：直流电阻较小而恒流源：直流电阻较小而 动态电阻极大动态电阻极大3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析小结：小结：差模特性：差模特性：双端输出双端输出差模增益：差模增益：单端输出单端输出 差模输入电阻与输入端差模输入电阻与输入端 的连接方式无关。的连接方式无关。2(Rs+rbe)差模输出电阻差模输出电阻 双端输出双端输出:为两共发放大器输出为两共发放大器输出 电阻之和电阻之和 2RC 单端输出单端输出:为共发放大器的为共发放大器的 输出电阻输出电阻 RC3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析小结：小结：双端双端共模性能：共模性能：共模电压增益共模电压增益 单端单端共模输入电阻共模输入电阻n共模输出电阻共模输出电阻举例举例P153例3213.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性差差模模传传输输特特性性是是指指输输出出差差模模电电流流(双双端端输输出出电电流流或或单单端端输输出出电电流流)随随差差模模输输入入电电压压变变化的特性。化的特性。1.差模传输特性函数的引入差模传输特性函数的引入3.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性通过发射极的电流通过发射极的电流I0双端输出双端输出3.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性传输特性曲线传输特性曲线当当id=0时，为时，为Q点点（I02）当当|id|4VT=104mV时，一管时，一管将趋于截止，将趋于截止，I0几乎全部流入另几乎全部流入另一管，曲线进入限幅区。一管，曲线进入限幅区。在在Q点附近点附近，曲线近似看曲线近似看成为一段直线，成为一段直线，线性的线性的范围范围3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性失调：失调：电路两边存在着不对称，使得零输入时电路两边存在着不对称，使得零输入时(即静态时即静态时)双端双端 输出不等于零。输出不等于零。1、输入失调电压、输入失调电压输入时输入时(即静态时即静态时)双端输出电压等于双端输出电压等于 2、输入失调电流、输入失调电流为使为使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引入电流，使相应的就必须在输入端引入电流，使相应的IBQ1IBQ2。这两个电流的差值就是输入的失调电流。这两个电流的差值就是输入的失调电流。3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性 3、失调模型和调零电路、失调模型和调零电路 若取若取 3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性3、失调模型和调零电路、失调模型和调零电路3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性4、VIO和和IIO的温漂的温漂:当环境温度、当环境温度、电源电压等外界因素变化时电源电压等外界因素变化时,引起引起VIO和和IIO的漂移的漂移 VIO和和IIO随温度的变化率均分别随温度的变化率均分别与与VIO和和IIO成正比。成正比。调零电路的调零不可能跟踪温调零电路的调零不可能跟踪温度的变化，因此，调零电路可度的变化，因此，调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。以克服失调，但不能消除温漂。3.3 3.3 集成运算放大器的偏置与负载集成运算放大器的偏置与负载3.3.1 基本电流源基本电流源I0如同如同IR的镜像，所以此电路叫做镜像电流源。的镜像，所以此电路叫做镜像电流源。CH9CascodeStagesandCurrentMirrors46ConceptofCurrentMirrorThemotivationbehindacurrentmirroristosensethecurrentfroma“goldencurrentsource”andduplicatethis“goldencurrent”tootherlocations.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors47BipolarCurrentMirrorCircuitryThediode-connectedQREFproducesanoutputvoltageV1thatforcesIcopy1=IREF,ifQ1=QREF.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors48BadCurrentMirrorExampleIWithoutshortingthecollectorandbaseofQREFtogether,therewillnotbeapathforthebasecurrentstoflow,therefore,Icopyiszero.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors49BadCurrentMirrorExampleIIAlthoughapathforbasecurrentsexists,thistechniqueofbiasingisnobetterthanresistivedivider.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors50MultipleCopiesofIREFMultiplecopiesofIREFcanbegeneratedatdifferentlocationsbysimplyapplyingtheideaofcurrentmirrortomoretransistors.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors51CurrentScalingByscalingtheemitterareaofQjntimeswithrespecttoQREF,Icopy,jisalsontimeslargerthanIREF.Thisisequivalenttoplacingnunit-sizetransistorsinparallel.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors52Example:ScaledCurrent53FractionalScalingAfractionofIREFcanbecreatedonQ1byscalinguptheemitterareaofQREF.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors54Example:DifferentMirroringRatioUsingtheideaofcurrentscalingandfractionalscaling,Icopy2is0.5mAandIcopy1is0.05mArespectively.Allcomingfromasourceof0.2mA.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors55MirroringErrorDuetoBaseCurrentsCH9CascodeStagesandCurrentMirrors56ImprovedMirroringAccuracyBecauseofQF,thebasecurrentsofQREFandQ1aremostlysuppliedbyQFratherthanIREF.Mirroringerrorisreducedtimes.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors57Example:DifferentMirroringRatioAccuracyCH9CascodeStagesandCurrentMirrors58PNPCurrentMirrorPNPcurrentmirrorisusedasacurrentsourceloadtoanNPNamplifierstage.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors59GenerationofIREFforPNPCurrentMirrorCH9CascodeStagesandCurrentMirrors60Example:CurrentMirrorwithDiscreteDevicesLetQREFandQ1bediscreteNPNdevices.IREFandIcopy1canvaryinlargemagnitudeduetoISmismatch.3.3.2带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源问题问题若若 较小，则分流造成较小，则分流造成的误差不能忽略！的误差不能忽略！为了避免为了避免T3的电流较大使得的电流较大使得T1 T2基极基极电电流太大常常加入电阻流太大常常加入电阻Re3，进行分流进行分流对对T1的的C点列点列KCL方程：方程：3.3 3.3 集成运算放大器的偏置与负载集成运算放大器的偏置与负载 3.3.3 比例电流源比例电流源在镜像电流源的两管发射极上串接在镜像电流源的两管发射极上串接同阻值的电阻，如图同阻值的电阻，如图 3.3.4微电流源微电流源思路：产生思路：产生 A级电流级电流例如：例如：VCC=10V，IC2=1 A，则则 R=10M。需需占用硅片面积大占用硅片面积大解决方法：。解决方法：。例：已知例：已知VCC=15V，IR=1mA，IC2=20 A，VBE1=0.7V，则由则由(2)得得R=15k；由由(1)得得Re2=5k。计算方法：计算方法：3.3 3.3 集成运算放大器的偏置与负载集成运算放大器的偏置与负载 3.3.5 3.3.5 具有有源负载的共发射极放大器具有有源负载的共发射极放大器 在共射极（共源）放大电路中，在共射极（共源）放大电路中，为了提高放大器的放大倍数，用为了提高放大器的放大倍数，用电流源作有源负载，如图电流源作有源负载，如图 T1的集电极电阻由的集电极电阻由T2来取代，来取代，流过流过T1集电极的电流由通过集电极的电流由通过T3管管的参考电流的参考电流IR来设定，来设定，T1为放大为放大管，管，T2和和T3为镜像电流源，为镜像电流源，T2是是T1有源负载有源负载，基准电流基准电流3.3 3.3 集成运算放大器的偏置与负载集成运算放大器的偏置与负载 3.3.5 3.3.5 具有有源负载的共发射极放大器具有有源负载的共发射极放大器 共射极放大器的交流等效电共射极放大器的交流等效电路如图所示，故其电压放大路如图所示，故其电压放大倍数为倍数为 说明说明T1管的动态电流管的动态电流1ib几乎全部流向负载，有源几乎全部流向负载，有源负载使共发射极的电压放负载使共发射极的电压放大倍数得到提高。大倍数得到提高。CH9CascodeStagesandCurrentMirrors66DerivationofVoltageGainByrepresentingalinearcircuitwithitsNortonequivalent,therelationshipbetweenVoutandVincanbeexpressedbytheproductofGmandRout.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors67Example:VoltageGain68ComparisonbetweenBipolarCascodeandCEStageSincetheoutputimpedanceofbipolarcascodeishigherthanthatoftheCEstage,wewouldexpectitsvoltagegaintobehigheraswell.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors69VoltageGainofBipolarCascodeAmplifierSincerOismuchlargerthan1/gm,mostofIC,Q1flowsintothediode-connectedQ2.UsingRoutasbefore,AViseasilycalculated.3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路 在集成运放放大器中，通常把输入级与输出级之间的在集成运放放大器中，通常把输入级与输出级之间的电路通称为中间级放大器，承担三项基本的功能：电路通称为中间级放大器，承担三项基本的功能：一、能够提供足够高的电压增益；一、能够提供足够高的电压增益；二、进行直流电平的移动，保证在输入为零电平时输出也为二、进行直流电平的移动，保证在输入为零电平时输出也为 零电平；零电平；三、完成双端输出变单端输出的功能。三、完成双端输出变单端输出的功能。CH10DifferentialAmplifiers71DifferentialPairwithActiveLoadTheinputdifferentialpairdecreasesthecurrentdrawnfromRLbyIandtheactiveloadpushesanextraIintoRLbycurrentmirroraction;theseeffectsenhanceeachother.CH10DifferentialAmplifiers72ActiveLoadvs.StaticLoadTheloadontheleftrespondstotheinputsignalandenhancesthesingle-endedoutput,whereastheloadontherightdoesnot.iC1=iC3v0I0viT4T3T2T1+VCCIC4IC2IC3IC1i0-VEE3.4.1双端变单端电路双端变单端电路这样差模电压引起的这样差模电压引起的T1，T2集集电极电流的增量全部输出给负电极电流的增量全部输出给负载，与双端输出相同。载，与双端输出相同。输入差模信号输入差模信号i0=iC4-iC2=iC1-iC2=2 iC输入共模信号输入共模信号iC1ICQi，iC2ICQi iC1ICQi，iC2ICQi iC4=iC3=iC1i0=iC4-iC2=iC1-iC2=0采用有源负载，使单端输出具有双端输出的增益采用有源负载，使单端输出具有双端输出的增益3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.1 双端变单端电路双端变单端电路 进一步分析该电路的差模性能：进一步分析该电路的差模性能：由于两边电路不对称，因而由于两边电路不对称，因而不能直接采用前面介绍的半不能直接采用前面介绍的半电路分析法。电路分析法。3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.1 双端变单端电路双端变单端电路当当RL无穷大时，由图求得差分放大器的输出电压无穷大时，由图求得差分放大器的输出电压 上式表明该为同相放大器，其数值与有源负载共发放大器相同。上式表明该为同相放大器，其数值与有源负载共发放大器相同。3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.2 电平移动电路电平移动电路 集成运算放大器的级与级之间是采用直接耦合方式的集成运算放大器的级与级之间是采用直接耦合方式的 输入为零电平时输出不能保持零电平，为了使输出保输入为零电平时输出不能保持零电平，为了使输出保持为零电平，需要进行电平移动，电平移动的作用就是要持为零电平，需要进行电平移动，电平移动的作用就是要把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到输出为零把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到输出为零电平的目的电平的目的 3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.2 电平移动电路电平移动电路1、电阻分压式电平移、电阻分压式电平移动电路动电路直流直流交流交流3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.2 电平移动电路电平移动电路2、恒流源电平移动电路、恒流源电平移动电路 在直流电平移动的同时，在直流电平移动的同时，交流信号不衰减，交流信号不衰减，R2、R3、R4、T1、T2组成恒流源组成恒流源 1 1）输出的直流电压比输入的直）输出的直流电压比输入的直流电压降低了流电压降低了IOR1 2）恒流源的交流电阻很大，恒流源的交流电阻很大，输出的交流电压输出的交流电压21 3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.2 电平移动电路电平移动电路3、PNP管电平移动电路管电平移动电路T1是是NPN管，管，T2是是PNP管，管，该电路既对信号进行放大，该电路既对信号进行放大，又兼有电平移动的作用又兼有电平移动的作用 3.4 集成运算放大器的中间放大级电路集成运算放大器的中间放大级电路3.4.2 电平移动电路电平移动电路 4、二极管电平移动电路、二极管电平移动电路由于二极管导通时，导通电由于二极管导通时，导通电阻很小，当负载和电阻阻很小，当负载和电阻R较较大，且满足大，且满足R/RLnrd时输时输出的交流电压几乎不变出的交流电压几乎不变;电平的移动是导通电压的整数倍，电平的移动是导通电压的整数倍，调节性差，电平的移动随温度而调节性差，电平的移动随温度而变化变化.3.5 集成运算放大器的输出级集成运算放大器的输出级用于向负载提供功率的放大电路叫做功率放大器用于向负载提供功率的放大电路叫做功率放大器一、功率放大器简介一、功率放大器简介性能要求性能要求（1）输出功率尽可能大）输出功率尽可能大（4）大功率管的散热问题）大功率管的散热问题（2）具有足够高的功率转换效率）具有足够高的功率转换效率（3）非线性失真小）非线性失真小（5 5）电路的安全工作问题）电路的安全工作问题安全、高效、安全、高效、不失真地输出不失真地输出所需信号功率所需信号功率1.1.概述概述 在输入信号的整个周期内，功率管上都有电流流过。按照功率放大器在输入信号整个周期内流过管子电流的按照功率放大器在输入信号整个周期内流过管子电流的时间不同可以分为：时间不同可以分为：甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类 在输入信号的半个周期内，功率管上有电流流过。在输入信号小于一个周期，大于半个周期时间内管子上有电流流过。PowerAmplifierClassesClass A:High linearity,low efficiencyClass B:High efficiency,low linearityClass AB:Compromise between Class A and B83CH13OutputStagesandPowerAmplifiers3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(2.单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)1 1）静态分析）静态分析VCEQVCCIEReVCC直流负载线是一条垂直于横轴、直流负载线是一条垂直于横轴、垂足在垂足在CEVCC点的直线点的直线 3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(2.单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)1 1）静态分析）静态分析(续）续）在直流负载线上在直流负载线上i iC C=I=ICQCQ的点就的点就静态工作点静态工作点 损耗在集电极上的功率为损耗在集电极上的功率为 VCEQICQVCCICQ 放大器的能量分配关系放大器的能量分配关系静态静态时，直流电源提供的功率集电极损耗功率集电极电阻RC上消耗的功率可以看出 动态能量分配关系动态能量分配关系动态时，电源功率未变，在输入信号的作用下，原来消耗在集电结的功率的一部分转换为RC上的功率，若RC为负载，即在输入信号的作用下，电源提在输入信号的作用下，电源提供的功率转换为输出功率供的功率转换为输出功率。集电结上消耗的功率RC上消耗的功率电源提供的功率2 2）动态分析）动态分析为使输出信号动态范围尽量大，Q点选择在负载线中点；若忽略管子的饱和压降，可得交流输出功率交流输出功率甲类放大器中，直流电源提供的功率集电结上消耗的功率3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(2.单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)2 2）动态分析）动态分析 交流负载线一条通过静态工作交流负载线一条通过静态工作点点Q、斜率为斜率为 的的直线。直线。若变压器为理想变压器，若变压器为理想变压器，与负载电阻与负载电阻RL的关系是的关系是 3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(2.单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)2 2）动态分析（续）动态分析（续）三极管的集电极电压三极管的集电极电压CE在在输入信号的负半周大于电源输入信号的负半周大于电源电压电压VCC。这是因为在这段时这是因为在这段时间内，输出变压器初级绕组间内，输出变压器初级绕组中感应电动势与电源电压的中感应电动势与电源电压的极性是一致的，此时管子集极性是一致的，此时管子集电极电压就等于电源电压与电极电压就等于电源电压与这个感应电动势之和这个感应电动势之和。3.5.1功率放大器简介以及集成运放输出级的要求(2.单管甲类功率放大器)例例 3-5-1电电 容容 Ce认认 为为 短短 路路，若若 变变 压压 器器 为为 理理 想想 变变 压压 器器，且且 匝匝 数数 之之N1 N2=1000 160，Rb15.1k，Rb22k，VCC=6V，Re51，求求：（1）负载上所得到的最大不失真功率）负载上所得到的最大不失真功率POM；2）电路的效率电路的效率（3）三极管集电极消耗的最大容许功率三极管集电极消耗的最大容许功率PCM、最大输出最大输出电压电压UCEO、输出的最大电流输出的最大电流ICM解：解：1）静态）静态VE=VBVBE=1.690.7=0.99V ICQ=VE/Re=0.99/0.051=19.4mAVCEQ=VCCVE=60.99=5V3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)例例3-5-1 解解（续）（续）2）动态）动态RL=n2RL=(1000/160)28=0.3125k =tg1(1/RL)72o由此算出交流负载线与横轴的交点为：由此算出交流负载线与横轴的交点为：5+ICQ/tg72o=11.3V 与纵轴的交点为：与纵轴的交点为：11.3tg72o=34.8mAIcm=34.819.4=15.4mAVcem=5VPOmax=0.5 VcemIcm=0.5515.4=38.5(mW)3.5.1功率放大器简介以及集成运放输功率放大器简介以及集成运放输出级的要求出级的要求(单管甲类功率放大器单管甲类功率放大器)例3-5-1解（续）（2）电路的效率：电路的效率：（3）极限参数：极限参数：PCM2POmax=238.5=77mW V(BR)CEO2Vcem=25=10VICM(IcmICQ)=15.49.4=34.8mA影响功率传输效率的为集电结上消耗的功率影响功率传输效率的为集电结上消耗的功率静态功耗是造成效率低的主要原因静态功耗是造成效率低的主要原因解决办法解决办法：降低静态电流降低静态电流减小管子导通时间减小管子导通时间静态点下移静态点下移采用采用乙类或者甲乙类放大器乙类或者甲乙类放大器可以使可以使静态点下移静态点下移Push-PullStageAsVinincreases,Q1isonandpushesacurrentintoRL.AsVindecreases,Q2isonandpullsacurren