1、多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 3.1 多级放大电路的一般问题多级放大电路的一般问题3.1.1 级间耦合问题级间耦合问题1.阻容耦合图3.1.1表示的是一个两级阻容耦合放大器，两级之间通过集电极电阻Rc1和耦合电容C2进行耦合。C2起隔断直流、传送交流的作用，所以前后两级的静态工作点是独立的。在进行电路计算时，求静态工作点的方法与求单级电路时是相同的。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 图3.1.1 两级阻容耦合放大器多级放大电路和集成运算放大器第 3 章阻容耦合电路的特点：（1）由于各级之间用电容器相连，各级静态工作点相互独立，使本级静态工作点的变化不致影响到下级。（2）由于用电
2、容器耦合，使电路的低频特性差，所以只能放大交流信号，不能放大直流信号或者变化缓慢的信号。这种电路有时也称为交流放大电路。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（3）体积小，成本低，但是在集成电路的制造工艺中，大电容的制造是很困难的，所以这种形式的电路不易于集成。（4）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.直接耦合把前级的输出端直接或通过电阻接到下级的输入端，这种连接方式称为直接耦合。直接耦合方式去掉了级间电容，所以特别适用于集成电路。如图3.1.2所示。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.1.2 两级直接耦合放大器多级放大电路和集成运算放大器第
3、 3 章直接耦合电路的特点：（1）由于级间是直接耦合，所以电路对低频信号甚至直流信号都能放大,应用十分广泛。（2）由于电路中只有晶体管和电阻，没有大电容，所以易于将全部元器件及连线制作在一片硅片上，成为集成化器件。（3）直接耦合使前后级静态工作点互相影响，在计算静态时，一般需要根据电路列出方程组进行求解，比阻容耦合电路的计算麻烦一些。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（4）由于前后级间直流电位相互影响，使得放大电路的各级静态工作点不能独立，当某一级的静态工作点发生变化时，其前后级也受到影响。例如当温度或电源电压等外界因素发生变化时，直接耦合放大电路中各级静态工作点均将跟随变化，产生工作点的
4、漂移，尤其是第一级产生的漂移信号，将会随信号传送至后级并逐级放大。在输入信号为零的情况下，输出电压偏离原来的初始值而上下波动的现象，称为零点漂移。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.1.2 多级放大电路的分析多级放大电路的分析 由于多级放大电路的各级是相互串联起来的，前级的输出电压作为后级的输入电压，即uo1=ui2，uo2=ui3，所以整个放大电路的等效放大倍数为(3.1.1)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章根据放大电路输入电阻的定义，多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，即ri=ri1(3.1.2)根据放大电路输出电阻的定义，多级放大电路的输出电阻就是最后一级的输出电阻，
5、即ro=ron(3.1.3)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章【例3.1.1】在图3.1.3所示的由射极输出器和共发射极放大电路组成的两极阻容耦合放大电路中，已知UCC=12 V，1=2=60，Rb1=200 k，Re1=2 k，rbe1=0.84 k，Rb1=20 k，Rb2=10 k，Re2=2 k，Rc=2 k，RL=6 k，rbe2=0.79 k，试计算放大电路的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.1.3 例3.1.1的阻容耦合两级放大电路图多级放大电路和集成运算放大器第 3 章解 多级放大电路的输入电阻即为第一级放大电路的输入电阻，多级放
6、大电路的输出电阻即为最后一级放大电路的输出电阻。因此 ri=ri1=Rb1rbe1+(1+1)RL1其中RL1=Reri2。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章这里ri2为第二级放大电路的输入电阻ri2=Rb1Rb2rbe2 0.71 RL1=Re1ri2=20.790.52 k ri=2000.84+61 0.52=28 k ro=ro2 Rc=2 k多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 第一级电压放大倍数为第二级电压放大倍数为总的电压放大倍数为Au=Au1 Au2=0.97（113.9）=110.5 多级放大电路和集成运算放大器第 3 章【例3.1.2】图3.1.4为一个三级放大电路。
7、已知：UCC=15 V，1=2=3=50，Rb1=150 k，Rb22=100 k，Rb21=15 k，Rb32=100 k，Rb31=22 k，Re1=20 k，Re2=20 k，Re2=750 k，Re3=1 k，Rc2=5 k，Rc3=3 k，RL=1 k，试求电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.1.4 例3.1.2 三级阻容耦合放大电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章解 图3.1.4所示放大电路第一级是射极输出器，第二、三级都是分压偏置共射放大电路，均采用阻容耦合，所以各级静态工作点均可单独计算。第一级静态工作点 多级放
8、大电路和集成运算放大器第 3 章第二级静态工作点多级放大电路和集成运算放大器第 3 章第三级静态工作点多级放大电路和集成运算放大器第 3 章第一级电压放大倍数 第二级电压放大倍数多级放大电路和集成运算放大器第 3 章式中多级放大电路和集成运算放大器第 3 章将上述数值代入计算Au2的公式得第三级电压放大倍数 式中则有多级放大电路和集成运算放大器第 3 章总电压放大倍数 Au=Au1 Au2 Au3=1（6.35）（39.06）248 输入电阻即为第一级输入电阻ri=ri1=Rb1ri1式中ri1=rbe1+(1+1)Re1=178 k所以ri=ri1=Rb1rr1=15017881 k多级放大
9、电路和集成运算放大器第 3 章Re1=re1ri2=3.45 kri2=Rb21Rb22rbe2+(1+2)Re2100156.34.17 k输出电阻即为第三级的输出电阻ro=ro3=Rc3=3 k多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 3.2 差动放大电路差动放大电路3.2.1 电路的组成及抑制零点漂移的原理电路的组成及抑制零点漂移的原理 1.电路形式 基本差动放大电路的电路形式如图3.2.1所示，它由两个完全相同的共发射极放大电路组成，要求两个电路的参数完全对称，即V1、V2特性相同，外围电阻的参数也相同。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.1中，ui1和ui2为两路输入信号，
10、分别加到两个三极管的基极。应用中可以采取两路信号同时输入的方式(双端输入)，也可以采取某一路信号的输入方式(单端输入，另一端接地)。两路共射极放大电路的输出信号分别是uo1和uo2。输出信号可以取自两管集电极的差信号(双端输出)，此时uo=uo1uo2，也可以从某一个管子的集电极取出(单端输出)。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.1 基本差动放大原理电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 2.抑制零点漂移当输入信号u i1=ui2=0(静态)时，相当于两输入端短路。由于电路的对称性，有IC1=IC2，UC1=UC2，所以输出电压 Uo=UC1UC2=0(3.2.1)如果温度上
11、升，两管的集电极电流同时增加，集电极电位同时下降。由于两管处于同一环境温度，两管电流的变化量和电压变化量都相等，即IC1=IC2，UC1=UC2。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章虽然每个管子都产生了零点漂移，但是由于两个集电极电位同时增加，而且增加的幅度相同，因此输出电压仍然为零，即 Uo=(UC1+UC1)(UC2+UC2)=0 (3.2.2)同样，由于电源变化或其他因素引起的波动，如果同时加在两个管子上，那么由于差动放大电路结构的对称性，能够有效地抑制这种同向漂移。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.信号输入 差动放大电路的信号输入包括以下几种情况。1)差模输入 如图3.2.2
12、所示，两输入端信号ui1和ui2大小相等，极性相反，称为差模输入状态，此时 ui1=ui2 (3.2.3)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章当一对差模信号加到两管的输入端时，若ui1使V1管的电流增加i，集电极电压降低u，则ui2必然使V2管的电流减少i，集电极电压增加u。两管电流电压的变化幅度相同，趋势相反。输出电压 uo=uo1uo2=2u (3.2.4)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.2 基本差动放大电路差模输入方式多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2)共模输入 如图3.2.3所示，两输入端信号ui1和ui2大小相等，极性相同，称为共模输入状态，此时 ui1=ui
13、2(3.2.5)当一对共模信号加到两管的输入端时，若ui1使V1管的电流增加i，集电极电压降低u，则ui2同样使V2管的电流增加i，集电极电压降低u。两管电流电压的变化幅度相同，趋势相同。输出电压 uo=uo1uo2=0 (3.2.6)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.3 基本差动放大电路共模输入方式多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3)任意输入 如果两个输入信号的大小和极性都是任意的，则总是可以把ui1和ui2分解成为一个差模信号uid和共模信号uic之和。令ui1=uid+uic，ui2=uid+uic，联立两式可得(3.2.7)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.
14、2.2 射极耦合差动放大电路分析射极耦合差动放大电路分析 1.电路形式及工作原理实际电路中，要做到差动放大电路两边的电路结构和参数完全对称是不可能的，因此，零点漂移的现象并不能完全消除。为了有效地抑制差动放大电路的零漂，常采用如图3.2.4所示的差动放大电路，与图3.2.1相比，该电路中增加了电位器RP、发射极电阻Re和负电源UEE。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.4 典型差动放大电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章电位器RP用来调节电路平衡，又称调零电位器，一般RP的取值在几十欧到几百欧之间。当电路结构和参数不完全对称时，可以通过调节RP进行微调。具体方法是将输入信号接
15、地，此时双端输出电压应该为零，若不为零，可以通过RP使之为零。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章通过前面的分析，差模输入时，两管的电压电流反向变化，因此流过Re的电流保持不变，即A点的电位保持不变，也就是说，对于差模信号而言，A点相当于交流接地，因此可以将A点称为差模地，Re的存在或者变化对差模信号的放大基本上没有影响。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章Re可以保持静态工作点的稳定，并具有抑制共模信号的作用。例如温度升高使两管集电极电流增加IC，必然使Re上的电流增加2IC，因此Re上压降增大，降落在两管发射结上的电压UBE减小，使基极电流IB下降，从而导致集电极电流IC下降，保持静态
16、工作点的稳定。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章显然，Re越大，抑制零点漂移的效果越好，但是在正电源UCC一定的情况下，Re过大将会使集电极电流过小，从而影响到静态工作点和电压放大倍数。因此，电流中接入负电源UEE来补偿Re上产生的直流压降，使差放电路获得合适的静态工作点。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.静态分析 当没有输入信号电压，即ui1=ui2=0时，由于电路对称，所以令IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC。又由于RP很小，对静态工作点的影响不大，为了简化分析，假定RP=0(即短路)。对于每管的静态回路，都有 IBRs+UBE+IERe=UEE(3.2.8)通常式中的
17、前两项比第三项要小得多，相比之下可以忽略，即UE 0，故多级放大电路和集成运算放大器第 3 章IEReUEE(3.2.9)(3.2.10)(3.2.11)(3.2.12)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.动态分析1)差模电压放大倍数Aud 差模输入的情况，令ui1=uid，ui2=uid，ui=ui1 ui2=2uid，由于差模的交流信号使两管集电极的输出反向变化，若uc1=uo1，则uc2=uo2=uo1。因此差模电压放大倍数(3.2.13)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章也就是说，差模电压放大倍数Aud和单管放大电路的电压放大倍数Aud1相等。由于A 点(即RP的中点)接地，
18、因此单管的微变等效电路如图3.2.5所示。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.5 典型差动放大电路的单管微变等效电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章(3.2.14)当集电极C1、C2两点接入负载电阻RL时，则(3.2.15)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2)差模输入电阻rid rid是从输入端向放大器看进去的等效动态电阻，因为输入信号ui=ui1ui2，对于差模信号而言，两放大器的输入端可以看成串联形式，因此(3.2.16)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3)输出电阻rod rod是使输入信号短路并将负载开路，从两个集电极向放大器看进去的等效动态电阻，因为输出信
19、号uo=uo1uo2，对于差模信号而言，两放大器的输出端也可以看成串联形式，因此，有 rod=2Rc (3.2.17)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章【例3.2.1】图3.2.6所示电路参数理想对称，晶体管的均为50，rbb=100，UBEQ 0.7 V。试计算RP滑动端在中点时V1管和V2管的发射极静态电流IEQ以及动态参数Aud和rid。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.6 例3.2.1 的电路图多级放大电路和集成运算放大器第 3 章解 RP滑动端在中点时，V1管和V2管的发射极静态电流分析如下：多级放大电路和集成运算放大器第 3 章多级放大电路和集成运算放大器第 3
20、章在差动放大电路的实际应用中，要求它对差模信号有尽可能大的放大能力，对共模信号有尽可能强的抑制作用。因此，差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比能够客观地反映出差放的质量。这个比值称为共模抑制比，用CMRR表示，即(3.2.18)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章一般CMRR的数值很大，为了方便起见，用分贝表示，即差模电压放大倍数Aud越大，共模电压放大倍数Auc越小，共模抑制比越大，说明差动放大电路越能有效地放大差模信号而抑制共模信号。一般差动放大电路的共模抑制比CMRR 为103106，在理想对称的情况下，Auc=0，CMRR=。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.2
21、.3 输入和输出的四种接法及其性能比较输入和输出的四种接法及其性能比较1.双端输入、双端输出如图3.2.7(a)所示，这种输入、输出方式已经在前面做了详细的分析，在此就不讨论了。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.双端输入、单端输出如图3.2.7(b)所示，这种输入、输出方式常用在输入端和中间级，将双端输入的差模信号转换为一端“接地”的信号输出，供给下一级放大。与双端输入、双端输出差动放大电路比较，输入信号一样，但是输出信号只是从一个管子的集电极输出，所以减少了一半，因此电压放大倍数也减小了一半。也就是说，双端输入、单端输出电路的电压放大倍数仅为单管电压放大倍数的一半。多级放大电路和集成
22、运算放大器第 3 章3.单端输入、双端输出如图3.2.7(c)所示，这种输入、输出方式常用在输入级，将单端输入信号转换为双端输出的差模信号，供下一级放大。它的电压放大倍数与双端输入、双端输出的差动放大电路相同。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章4.单端输入、单端输出如图3.2.7(d)所示，这种输入、输出方式与双端输入、单端输出等效。也就是说，单端输入、单端输出电路的电压放大倍数也是单管电压放大倍数的一半。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.7 差动放大电路的四种接法多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.2.4 带射极恒流源的差动放大电路带射极恒流源的差动放大电路 上述差动
23、放大电路中，Re越大，则电路抑制零点漂移的能力越强。但是增大Re时，为了保持合适的静态工作电流值，必然要增加UEE的值，这在实际应用中也存在困难。为了解决这一矛盾，往往采用恒流源来代换Re，即采用带恒流源的差动放大电路，如图3.2.8所示。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.8中，V3及偏置电阻构成恒流源电路。如果电流的参数选择合适，V3工作在放大区，则由于基极电位UB3恒定，V3提供的恒定电流IC3基本不随温度变化，具有直流电阻小、交流电阻大的特点。用该恒流源电路来取代Re的位置，可以较好地抑制零点漂移。由于IC3稳定，则IC1、IC2也相应稳定，因此该差动放大电路可获得稳定的静
24、态工作点。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.8 差动放大电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章【例3.2.2】电路如图3.2.9所示，设UCC=UEE=12 V，1=2=50，Rc1=Rc2=100 k，RP=200，R3=33 k，R2=6.8 k，R1=2.2 k，Rs1=Rs2=10 k。(1)求静态工作点。(2)求差模电压放大倍数。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.2.9 例3.2.2电路图多级放大电路和集成运算放大器第 3 章(3)RL=100 k时，求差模电压放大倍数。(4)从V1管集电极输出，求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设rce3=50 k
25、)。解 (1)静态工作点：多级放大电路和集成运算放大器第 3 章设UBE3=0.6 V，则UR3=5.870.6=5.27 V所以多级放大电路和集成运算放大器第 3 章所以一般估算时,认为UB0。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章(2)差模电压放大倍数：其中多级放大电路和集成运算放大器第 3 章(3)当RL=100 k时：(4)当单端输出时(从V1管集电极输出)：多级放大电路和集成运算放大器第 3 章单端输出时,共模电压放大倍数为：式中多级放大电路和集成运算放大器第 3 章将上述数值代入计算Auc的公式得其共模抑制比为多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.3 集成运算放大器集成运算放大
26、器 集成电路具有如下特点：(1)电路结构和元器件的性能参数比较一致，对称性好。(2)高阻值电阻在集成电路常用三级管组成的恒流源替代。(3)大电容和电感不易制造，常采用外接方式。(4)在集成电路中，二极管常用三极管的发射结代替。(5)多级放大电路都采用直接耦合方式。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.3.1 集成运放的组成集成运放的组成集成运算放大器通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成，其内部电路结构如图3.3.1所示。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.1 集成运算放大器的组成多级放大电路和集成运算放大器第 3 章输入级一般是由三极管或场效应管组成的恒流源差动放
27、大电路，以减小整个电路的零点漂移，提高共模抑制比，减少噪声和失真，并具有高差模输入电阻的特点。中间级的主要作用是提高电压增益，通常为多级放大电路。输出级一般由互补对称输出电路构成，能够输出足够大的电压和电流，并具有较强的带负载能力。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.2为集成运算放大器电路符号的典型表示。集成运放包括了两个差动输入端和一个输出端，“+”号对应同相输入端，信号从该端输入时，输出信号和输入信号电压的相位相同；“”号对应反相输入端，信号从该端输入时，输出信号和输入信号电压相位相反。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.2 集成运算放大器的电路符号多级放大电路和集
28、成运算放大器第 3 章3.3.2 电流源电路电流源电路电流源的主要用途有：(1)向集成电路中各级的晶体管提供偏置电流，使得各管有合适的静态工作点。(2)用电流源取代放大器集电极电阻作为有源负载，可以获得较高的电压增益。下面介绍在集成运放中常用的几种电流源电路。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章1.镜像电流源电路电路如图3.3.3所示，V1与V2是利用集成工艺同时制作在一块硅片上的两个三极管，因此其参数和性能十分相似。V2管工作在放大状态。RL是后级的等效电阻，R为限流电阻。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图 3.3.3 镜像电流源电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章因为UBE1
29、=UBE2，所以IB1=IB2=IB。因此，由图3.3.3可得因而得出(3.3.1)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章当2时(3.3.2)由式(3.3.2)可知，输出电流IC2与参考电流IR近似相等，二者之间犹如物体和镜像的关系，所以这种电流源电路称为“镜像电流源”。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章以下几个方面的问题：(1)输出电流IC2随电源电压UCC变化，因此这种电流源不适用于电源电压变化范围很宽的场合。(2)要使获得的输出电流IC2是微安级就必须要求很大的R。例如，要求IC2=10 A，在UCC=15 V时，则R1.5 M，这已经远远超出集成工艺所允许的电阻值范围。多级放大电路
30、和集成运算放大器第 3 章(3)电路对温漂没有抑制作用，故IC2受温度的影响比较大。(4)输出电阻不够大。理想恒流源的输出电阻应趋向，而在这里输出电阻为rce2。(5)由式(3.3.2)可知，输出电流IC2与参考电流IR只是近似相等，特别是当不够大时，两者的误差就会变得较大。为了进一步提高镜像电流源的精度和输出电阻，可采用威尔逊电流源。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.威尔逊电流源电路如图3.3.4所示，威尔逊电流源是在镜像电流源的基础之上加了一个放大管V3。V1、V2、V3是利用集成工艺同时制作在一块硅片上的三极管，因此其特性相同。V1与V3管工作在放大状态。多级放大电路和集成运算放
31、大器第 3 章图 3.3.4 威尔逊电流源电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章由图3.3.4可以看出多级放大电路和集成运算放大器第 3 章因而得出(3.3.3)当(2+2+2)2时(3.3.4)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章当=20时，威尔逊电流源的输出电流IC3与参考电流IR之间的相对误差是 而镜像电流源的输出电流IC2与参考电流IR之间的相对误差是 多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.比例电流源前面讨论的恒流源都是输出电流近似等于参考电流，但是在很多情况下也常常需要两者不相等。比例电流源电路结构如图3.3.5所示，它是在镜像电流源两个三极管的发射极上分别串联电阻形成的。
32、多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图 3.3.5 比例电流源电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图中V1与V2特性相同，V2管工作在放大状态。由图可得 UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2(3.3.5)因为UBE1=UBE2，所以IE1Re1=IE2Re2 (3.3.6)当1时 IE2IC2 IE1=IRIB2IR多级放大电路和集成运算放大器第 3 章代入(3.3.6)式，可得 IRRe1IC2Re2即近似认为(3.3.7)可见，输出电流IC2与参考电流IR之比近似等于Re1与Re2之比。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章由图3.3.5可知所以(3.3.8)(3.3.9
33、)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章需要注意的是，上述结论是在的范围内得到的。当或时,上式不再成立,可用下式估算(3.3.10)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章4.微电流源为了用小电阻实现微电流源，可以在镜像电流源的基础之上，在V2的发射极接入一个电阻Re2，如图3.3.6所示。由图3.3.6可知UBE2=UBE1IE2Re2 (3.3.11)调节Re2的值，使UBE2UBE1，则IE21，所以因为IB2IE2IE1，所以 IR=IE1+IB2IE1 (3.3.12)把IC2IE2，IRIE1代入IE2IE1，得IC2IR。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章定量分析如下：IE2R
34、e2=UBE1UBE2 (3.3.13)(3.3.14)(3.3.15)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章式中UT是温度电压当量；IS1与IS2分别是V1与V2发射结的反向饱和电流，由于V1与V2特性相同，所以IS1=IS2，由此可得代入公式(3.3.13)得 多级放大电路和集成运算放大器第 3 章因为IE2IC2，IE1IR，代入上式得(3.3.16)由图3.3.6可得(3.3.17)多级放大电路和集成运算放大器第 3 章【例3.3.1】在图3.3.6 电路中，UCC=15 V，IR=1 mA，IC2=10 A，常温下，UT=26 mV，试确定Re2及R的值。解 由公式(3.3.16)得
35、由公式(3.3.17)得多级放大电路和集成运算放大器第 3 章5.多路电流源图3.3.7给出了一个多路电流源的例子。图中V4与V2构成一个镜像电流源，IC2=IC4=688 A。V1与V2、V2与V3分别构成微电流源。假设每个三极管的均为80，可以根据给定的电流和电阻值，用式(3.3.16)计算出IC1=42 A，IC3=47 A。这样，我们用一路参考电源IR同时产生了三路数值不同的输出电流。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图 3.3.7 多路电流源多级放大电路和集成运算放大器第 3 章6.作为有源负载的电流源电路我们在前面讨论基本放大电路时，集电极经常接一个电阻Rc，以便将变化的电流转
36、换为变化的电压输出。以基本共射放大电路为例，要提高电路的电压放大倍数，并且保持管压降UCE不变，则增大Rc时必须减小IC，而这又会使rbe变大，使电压放大倍数降低，可见不能用增大Rc的方式来提高电压放大倍数。但是，如果用电流源作为Rc，则由于其直流压降不大，可以保证原电路中UCE、IC不变，而动态时又能呈现很大的电阻，从而可以有效地提高电压放大倍数。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.8给出了一个有源负载共射放大器的电路图。其中V2与V3构成一个镜像电流源，IC2(IR)即为V1集电极的电流，可根据要求，由UCC和R来设定。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.8 有源负
37、载共射放大器多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.3.3 典型集成运放电路典型集成运放电路集成运放按照性能指标可以分为通用型和专用型两类。本节仅简单介绍运用在无特殊要求电路当中的通用型集成运放。通用型集成运放的简化电路如图3.3.9所示，采用的主要简化措施是将电路中的偏置电流源和有源负载电路分别用单独的电流源代替。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章图3.3.9 双极型通用型集成运放的简化电路多级放大电路和集成运算放大器第 3 章1.输入级电路输入级电路由V1、V2、V3、V4、V5、V6以及偏置电流源I1组成。偏置电流源I1决定输入级各三极管的工作点电流，V1、V2、V3、V4组成差动
38、式共集-共基放大电路，V5、V6为输入级的镜像电流源负载。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章输入级电路具有以下主要特点：（1）由于输入级的V1、V2管接成共集电极电路，因而输入阻抗高，可以达到兆欧数量级。（2）V3、V4为横向PNP管，由于集成工艺的特点，它具有较高的发射结和集电结击穿电压（几十伏），因而它的差模输入电压范围大于30 V。（3）输入级差分对管由共集-共基组合放大电路构成。因为共集-共基组合放大电路具有较好的频率特性，因而可以改善输入级的频率特性。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（4）由于采用了V5、V6镜像电流源有源负载，所以具有较高的差模增益，而共模增益很小，这样集
39、成运放的共模抑制比较高。（5）输入级偏置电流源一般为微电流源，这样输入级差分对管的静态工作点电流很小，所以输入失调电流和输入失调电流温漂很小，使得集成运放的温漂也较小。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.中间级电路中间级电路由V7、V8、VD1、VD2以及偏置电流源I2组成，主要为集成运放提供足够高的增益。中间级电路具有以下主要特点：（1）放大管为V7、V8构成的复合管，复合管电流放大系数高，从而可以提高中间级的电压增益。（2）偏置电流源I2作为中间级的有源负载，进一步提高中间级的电压增益。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（3）VD1、VD2为恒压源偏置电路的简化示意图，恒压源VD
40、1、VD2两端的直流电压为输出级的V9、V10提供一定的直流偏置电压。VD1、VD2两端的交流电阻很小，尤其是与有源负载相比，其交流电阻对放大器增益的影响可以忽略。（4）电容C1是为了防止运放在深度负反馈运用时产生自激而接入的内补偿电容，该补偿电容的值一般为1020 pF。有的集成运放采用外补偿电容，即电容接在集成运放的外部，通常在元器件手册中给出外补偿电容的参考数值。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.输出级电路输出级电路是互补对称功率放大电路，该电路的电压输出动态范围大，而且输出阻抗低、带负载能力强。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章4.集成运放的零输入零输出问题对于集成运放来说
41、都存在零输入零输出的问题，即输入信号为零时，输出信号也为零。由于集成运放有时用于放大直流信号或频率很低的信号，这就要求集成运放输入、输出端的直流电位均为零。因此在电路设计时应考虑零输入零输出的问题，如利用NPN管和PNP管直流偏置电压极性相反的特点，起到直流电平移动的作用，使得输入端直流电位为零时输出端直流电位也为零。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.3.4 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标 （1）开环差模电压增益Aud。在标称电源电压及规定负载条件下，集成运放工作在线性区且无反馈时，其差模输出电压与差模输入电压之比定义为Aud。增益也可以用对数形式表示，单位为分贝(dB)
42、，即20 lgAud(dB)。集成运放的Aud一般在60180 dB之间。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（2）共模抑制比CMRR。集成运放CMRR的定义和差动放大电路相同。同样地，CMRR 越大，对共模干扰信号的抑制能力越强。集成运放的CMRR一般为6070 dB。（3）差模输入电阻rid与输出电阻ro。集成运放的rid定义为其差放输入级的差模输入电阻，ro为其输出级的输出电阻。通常，rid越大，ro越小，则性能越好。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（4）输入失调电压UIO。对于理想运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零，但实际上由于元件参数不对称等原因，运放的输出一般不为零。
43、为了使输出电压为零，在两输入端之间需加的补偿电压定义为输入失调电压UIO。一般UIO的量级在1 V20 mV之间，其值越小越好。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（5）输入失调电流IIO。当输入信号为零时，两输入端静态偏置电流的差值定义为输入失调电流IIO，即 IIO=IB1IB2 (3.3.18)IIO的数值通常为十分之几微安，其值越小越好。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（6）输入偏置电流IIB。当输入信号为零时，两输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏值电流IIB，即(3.3.19)该电流也是越小越好。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章（7）最大差模输入电压Uidm。Uid
44、m是指集成运放两输入端之间所允许的最大电压差，超过该值，运放输入级的差动对管将产生反向击穿。（8）最大共模输入电压Uicm。Uicm是指集成运放允许的最大共模输入电压，超过该值，运放的共模抑制比将显著下降。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.3.5 集成运放的发展概况及分类集成运放的发展概况及分类1.集成运放的发展概况第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思路，利用集成数字电路制造工艺，利用少量横向PNP管，构成了以电流源做偏置电路的三级直接耦合放大电路。第一代产品的各方面性能都大大超过了分立元件电路，满足了一般应用的要求。典型产品有A709、国产的F003、5G23等。多级放大电路
45、和集成运算放大器第 3 章第二代产品广泛采用了有源负载，简化了电路的设计，使得开环增益有了明显的提高，各个方面性能指标比较均衡，应用十分广泛，属于通用型运放。典型产品有A741、LM324、国产的F007、F324、5G24等。第三代产品的输入级采用了超管，值高达10005000，而且从设计上考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流以及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有AD508、MC1556、国产的F1556、F030等。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章 第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使得各个性能指标参数更加理想化，一般情况下不需要调零就能正常工作，大
46、大提高了精度。典型产品有HA2900、SN62088、国产的5G7650等。目前，除了有不同增益的各种通用型运放外，还有品种繁多的特殊型运放，以便满足各种特殊要求。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.集成运放的分类集成运放的分类方式有很多，按照供电方式可以将运放分为双电源供电和单电源供电，在双电源供电中又分为正、负对称电源供电和不对称供电两种方式。按照集成度（一个芯片上集成运放的个数）可分为单运放、双运放和四运放。按可控性可分为可变增益型运放、选通控制型运放等。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章按照制造工艺可将运放分为双极型、CMOS型和BiFET型。双极型运放的输入偏置电流及其器件
47、功耗一般较大，但是由于采用多种技术改进，所以种类多、功能强；CMOS型运放输入阻抗高、功耗小，可以在低电源电压下工作，前期产品精度低、增益小、速度慢，目前已有低失调电压、低噪声、高速度、大驱动的产品；BiFET型运放采用双极型和单极型管混合的工艺，以场效应管作为输入级，使得输入阻抗高达1012 以上，目前已有很多不同电参数的产品。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章按照内部电路的工作原理分为电压放大型（输入电压，输出电压，实现电压放大）、电流放大（输入电流，输出电流，实现电流放大）、跨导型（输入电压，输出电流）、跨阻型（输入电流，输出电压）。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章按照性能指标
48、（电参数）分为通用型和专用型两种。专用型集成运放是指它的某一个或几个指标较高，适用于特殊场合，例如高阻、高速、高精度、低功耗、低漂移、宽频带、跨导型、高压型、大功率型运放等。专用型运放的结构和通用型运放的结构基本相同，只是为了达到某一个或几个高指标，往往在电路上采取了一些特殊措施。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章小小 结结 1.多级放大电路的耦合方式主要有阻容耦合及直接耦合。阻容耦合中由于电容隔直通交，各级的直流工作点相互独立，给设计、调试和分析带来很大方便，且在传输过程中交流信号损失少。只要耦合电容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。阻容耦合电路温
49、漂小、体积小、成本低，但是无法集成，低频特性差。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章直接耦合电路由于级间是直接耦合，所以可以放大缓慢变化的信号和直流信号。直接耦合电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成，但是各级的静态工作点不独立，相互影响，会给设计、计算和调试带来不便，而且引入了零点漂移问题。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章2.多级放大电路的电压放大倍数等于组成它的各个单级电路电压放大倍数的乘积，其输入电阻为输入级的输入电阻，输出电阻即为输出级的输出电阻。在求解某一级的电压放大倍数时有两种解决方法：一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一
50、级集电极负载电阻并联；二是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章3.差动放大电路既能放大直流信号，也能放大交流信号。它对差模信号具有很强的放大能力，对共模信号具有很强的抑制能力。根据电路输入、输出信号不同的连接方式，共有四种不同的电路形式双端输入、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。分析这些电路时，要重点分析两边电路输入信号分量的不同，具体参数的计算与单级放大电路基本一致。多级放大电路和集成运算放大器第 3 章4.集成运算放大器实质上是一个具有
