41放大器基础

VA除了降低IO精度外，还造成RO较小，IO恒流特性变差。
RO= rce2
减小 影响的镜像电流源
结构特点 T1管c、b之间插入一射随器T3。
VCC IR R
电路优点
iC1 i
T3
IO
减小分流 i ，提高IO作为IR镜像的精度。
由图 IR iC1iiC112iB1
T1
RE
T2
IO[1(12)]
整理得
IO

2 2 2
IR
式中
IR
VCC2VBE R
(o
n
)
输出电阻 RO= rce2
比例式镜像电流源
结构特点
两管射极串接不同阻值的电阻。
电路优点
RO增大，IO恒流特性得到改善。
ROrce(1 2R2rbe22 R 2R1/
则共模输出电流 iOiC2iC40
结论：
VCC
该电路不仅具有放大差模、抑制共
T1
模的能力，在单端输出时，还获得
T2
iC2
iO
双端输出的增益。
性能分析：
vi1
iC3
T3
由于 ICQ IC 1Q IC 2Q IC 3Q IE 4/E 2
IEE
iC4
vi2
T4
则
g m 1 g m 2g m 3g m 4IC/Q V T
VEE
差模增益 A v d g m R L 4 g m (r c 4e /r 2 c /) e4
差模输入电阻
R id 2 (r b e 3r b e) 4 2 r b e
差模输出电阻
ROrce2//rce4
4.6 集成运算放大器
集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。
集成运放性能特点
一、功率放大器的性能要求
1. 安全。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率。
用ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效 率：
式中：
c

Po PD

Po
Po PC
Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)；
PD —— 电源提供的功率； PC —— 管耗 (Power Dissipation)
) /R
VCC
IR
R
T1 iE1
R1
IO
T2 iE2
R2
v B EiE 1R 1 v BE iE 2R 2 2
当 IR R 1V Tln IR(/IO )时
由 vB Ev1 BE V 2 Tln iC/(1 iC)2
iE1iC1IR（较大）
得 IOIRR1/R2
iE2iC2IO（较大）
总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲 类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率 的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放 大，在电路中需采取特定措施。
1.2 电源变换电路
1.3 功率器件
功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率 管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的 问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全 工作区。
2. 不同运用状态下的ηC
管子的运用状态不同，相应的ηCmax 也不同。
c

Po Po PC
减小 PC 可提高ηC。
假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为
PC21π o2πiCvCE dt
讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE
途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子 在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。
VDD V SS vDS3vDS1
VSS
得
IO

(W / l)2 (W/ l)1
IR
其中 IR nC 2OX (W l)1(vGS 1 V GS)(2 th)
(W/l)3(
vGS1VGS(th) )2
(W/l)1 VDD VSSvGS1VGS(th)
4.5.3 有源负载差分放大器
T1
参考电流
IR
VCCVBE(on) R
由于
IRiC12iB1iC1(12)

iC2 (1
2

)
因此
Io iC21I2R/ IR （>>2）
iC2=IO T2
IO精度及热稳定性
由
Io

IR 1 2/

得知：
当 较小时，IO与IR之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。
二、功率管的运用特点 1. 功率管的运用状态 根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同， 功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等 多种。
功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。
甲类：功率管在一个周期内导通 (如小信号放大)。 乙类：功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管小于半个周期内导通。
VCC R
得 IO(V T/R 2)ln IR/(IO )
式中
IR
VCCVBE(on) R
T1
输出电阻
ROrce2(1R22Rr2be2)
IO
T2 iE2
R2
电路优点：可提供A量级的电流，且RO大，精度高。
MOS镜像电流源（不要求）
MOS镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，
式中
得 I O I R R 1 /R 2 ( V T /R 2 )ln I R /I O ()
IR
VCC VBE(on) R R1
根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前 述电流源的IO只能做到mA量级。
微电流源
令比例镜像电流源中的R1=0 。
由 I O I R R 1 /R 2 ( V T /R 2 )ln I R /I O () IR
集成运放电路组成
采用1~2级共发电路
输入级
中间增益级
输出级
采用改进型 差分放大器
偏置电路 采用电流源
采用射随器或 互补对称放大器
F007集成运放内电平部位电移路电路 ：
输 T补 器 而 电 输 小 载 T、 管 正 作 电 隔 T作 压 T作 极11214533出成路保。路离为增有电采常对出，，TAA、与实、压2管与级特护才级益源阻。隔2用情称电带只R、T将它现放零构T组点电启。负R离6两况放压负有2：1保0TE2成高大具上输成：路动载级组。组2个保大大载过4护的、增 器：，。，有述成成入：射护器能载，T有代可R的益 件高甲单时1随电力时。输74源替提管保镜。放乙R器路强出该，元零负T高像i护，、类大组不电放。保2电输载3中电TTA低合工互阻大过护功射的22路间出流01 R随发能级源功偏偏中T整等输，管电o器射1、的电0置，个置能特输由基T源T的输改入集平入进采、58高一采电集电入组、作、公入进电成T位级行用综T点1用路成路1A种级合共级型阻运T移、TT电共极1合，构v469多运：一管组电射特差大放、组T集平、集性成起是3路放般的成路极点放、中成T和位—相成高中电替电体电隔为入入微7偏的来包一中有：构电：具输最。组的T移共反TTT间流集路，压离隔阻级器K电2置主含111间源成阻有入关可成镜、基。的种C736级源电特采增级离抗放构 管B件流M的偏在、级负双共失键R的像T组不N见组作极点用益级的大较R：成构E。4源形置P各是T载入模调的改电组合专E成有电：有很特倍N，，理共成。、1，式。级2提。单抑小一进流成电门与：源阻源高点数组利发的F想。作低电供出制等部型源的路另P负负。，。R成0用放射N路为C的0增失差比特分镜代共中设载载提的。其P大随7益放高点电像替集是电调，后高镜高器器的、，路。电差—代，输像输。作主输是。流放共
4.5 电流源电路及其应用
iC 外电路
iB恒定
R
+ - VQ+v
电流源
电流源
IO
R
R
+ -VQ
RO
+ v
-
（电流源电路）
（直流状态）
（交流状态）
电流源电路原理： 利用iB恒定时，iC接近恒流特性而构成。 电流源电路特点：
直流状态工作时，可提供恒定的输出电流IO 。 交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。 对电流源电路要求：
Po 一定，ηc 高→PD 小→PC 小 → 可选 PCM 小的 管子，以降低费用。
3. 失真小。输出功率越大，相应的动态电压电流越 大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用 反馈技术外，还必须限制输出功率。
作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上 述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功 率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。
电路组成：
T3、T4构成双端输入单端输出差放。 T1、T2构成的镜像电流源代替RC4 。
T1
VCC
T2
iC2
iO
电路特点：
由镜像电流源知 当差模输入时
iC2 iC3 iC4 iC3
vi1
iC3
T3
IEE
iC4
vi2
T4
则差模输出电流 iOiC2iC42iC3
VEE
当共模输入时
iC4 iC3
若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发 到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到 热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的 热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度 上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。
热崩 (Thermal runaway)： 集电结结温 (Tj) 升高 → 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 → iC 增大 → PC 增大 → Tj 升高，如此反复，直至 Tj 超 过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种恶 性循环现象。
补充 功率放大器
1 功率放大器概述
作用：高效地实现能量变换和控制。 种类： 根据应用领域和处理对象不同 (1) 功率放大电路：放大器的一类。用于通信、音 像等电子设备。 (2) 电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用 于电源设备、电子系统、工业控制。
1.1 功率放大器
与其它放大器相比 相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流 功率转换为输出信号功率。 不同点：性能要求和运用特性不同。
实践中，为了利于集电结的散 热，以提高 PCM，双极型功率管都 采用集电极直接固定在金属底座上，
金属底座又 与管壳相连的 结构。此外， 金属底座还加 装金属散热器 (如图)
(a) (b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路
途径 2：使管子运用在开关状态 (又称丁类)；管子 在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通 时，vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管 耗 iC × vCE 处在很小的值上。截止时，不论 vCE 为何值， iC 趋于 0，iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，ηC 显著增大。
Av很大：（104 ~ 107 或 80 ~ 140dB） Ri 很大：（几k ~ 105 M 或 ） Ro很小：（几十 ） 静态输入、输出电位均为零。
集成运放电路符号
反相输入端
v-
-
同相输入端
v+
+
vo
输出端
由于实际电路较复杂 ，因此读图时，应根据电路组成， 把整个电路划分成若干基本单元进行分析。
只是原参考支路中的电阻R被有源电阻T3取代。
若
T1 T2性能匹配，工作在饱和区 宽长比分别为(W/l )1 、(
X (W l)V (GS V GS)(2 th)
T3
IO
根据
IRiD1 iD2 IO vDS1vGS1， vDS3vGS3
T1
T2
双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数 的限制：
(1) 集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切 相关
(2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO
(3) 集电极最大允许电流 ICM 以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。
一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上， 造成集电结发热，结温升高。
由
IR
VCCVBE(on)得知： R
当温度变化时，由于、VBE(on)的影响，IO热稳定性降低。
输出电阻RO
vBE
当考虑基宽调制效应时，根据 iCISeVT (1vCE/VA)
得 iC2iC1(VVAAVVBCEE(Qon2))
则
Io
IR
12/
( VA VCEQ2 ) VA VBE(on)
直流状态工作时，要求IO精度高、热稳定性好。
交流状态工作时，要求RO大（理想情况 RO）。
4.5.1 镜像电流源电路
基本镜像电流源
假设T1、T2两管严格配对
由于 vBE1 = vBE2
vBE
根据 iC ISe VT
得知 iC1 iC2
因此，称iC2是iC1的镜像。
VCC
IR
R
iC1