第二章 直接耦合放大电路

2.1.2 长尾式差动放大电路 差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 两个输入、 两个输出 两管静态工 作点相同
差分放大原理电路
电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对 应电阻元件的参数值都相等。
1. 零点漂移的抑制
静态时，ui1 = ui2 = 0 uo= VC1 － VC2 = 0 当温度升高时ICVC （两管变化量相等） uo= (VC1 + VC1 ) － (VC2 + VC2 ) = 0 对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有 抑制作用。
+U
+
2
RE
RL
+ uo –
电子电路方框图
比较环节
Xi +
Xi
基本放大电路
A
Xo
i Xd
–
Xf
A F
Xo
(a)不带反馈
X i — 输入信号 X o — 输出信号 X f — 反馈信号 X d — 净输入信号 净输入信号：X d X i X f
输入级
同相输入
偏置电路
T9
T12
中间级
T13
R7 T18
输出级
T8 T1 T2
+UCC
T14 输出 R9 R10 T20


–
同相输入
+
C
R5 T16
T3
T4 T7
R8
T15
uo


T5 R3
T6

T10 R4
T11
T19 R12
T17 R11
R1
R2
-UEE
集成运放 741的电路原理图

恒流源式差动放大电路的简化表示法
2.2 直接耦合功率放大电路
功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去 推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转、电动机旋转等。
对功率放大电路的基本要求
(1) 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。 (2) 由于功率较大，要求提高效率。
负载得到的交流信号功 率 η 电源供给的直流功率
O
t
零点漂移的原因：
是指放大电路在没有输入信号时，由于温度变化、 电源电压波动、元器件老化等原因，使放大电路的 工作点发生变化，这个变化量会被直接耦合放大电 路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离 原来的起始点而上下漂动，主要是晶体三极管的参 数受温度的影响，所以零点漂移也称为温度漂移， 简称温漂。 零点漂移的危害： 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效 信号电压还是漂移电压。
方式2
E
T1 PNP
ie
B
T2 NPN
B
ib
E ie ib
PNP
ic C
ic C
复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同
复合管的电流放大系数 1 2
2.3 集成运算放大电路
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多 级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的 一种模拟集成电路。 集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之 间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不 可分的整体。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、价格低。 按集成度 小、中、大和超大规模 集成电路分类 按导电类型 双、单极性和两种兼容 按功能 数字和模拟
双端输入—双端输出差分电路的差模电压放大倍数为 uo RC Ad Ad1 ui1 ui2 RB rbe 当在两管的集电极之间接入负载电阻时 RL Ad RB rbe 1 式中 RL RC // RL
2
两输入端之间的差模输入电阻为
ri 2( RB rbe )
R1、R2不变时，VCE4也 是定值，可看作是一个直流 电源。
甲乙类单电源互补对称电路
静态时，偏置电路使 VK＝VC≈VCC/2（电容C充电达 到稳态）。 当有信号vi时 负半周T1导通，有电流通过负 载RL，同时向C充电 正半周T2导通，则已充电的电 容C通过负载RL放电。 只要满足RLC >>T信，电容C就 可充当原来的－VCC。 计算Po、PT、PV和PTm的公式 必须加以修正，以VCC/2代替原 来公式中的VCC。
晶体管的工作状态
IC Q
O
iC
UCE
O
t
IC Q UCE
iC
O
O
t
甲类工作状态 晶体管在输入信号 的整个周期都导通, 静态IC较大，波形 好, 管耗大效率低。 乙类工作状态 晶体管只在输入信号 的半个周期内导通， 静态IC=0，波形严重 失真, 管耗小效率高。 甲乙类工作状态 晶体管导通的时间大于 半个周期，静态IC 0， 一般功放常采用。
+UCC
2.动态分析 由于差模信号使两管的集电极电流一增一减， 其变化量相等，通过 RE 的电流近于不变，RE 上没 有差模信号压降，故 RE 对差模信号不起作用，可得 出下图所示的单管差模信号通路。 单管差模电压放大倍数 + ic RB ib uo1 β ib RC βRC Ad1 T1 ui1 ib ( RB rbe ) RB rbe + RC u o1 ui1 同理可得 uo2 RC Ad2 Ad1 ui2 RB rbe 单管差模信号通路
在输出功率较大时常采用复合管
复合管的构成
方式 1
C C
ic
B ib= ib1 , ib2= ie1=(1+1 ) ib1 , ic1= 1 ib1 ,
ic
ib
B
ib
Hale Waihona Puke Baidu
T1 NPN
NPN
T2 NPN
ie
E
ie E ic2=2 ib2 = 2 (1+1 ) ib1, ic = ic1+ ic2 =[1+2 (1+1 )] ib1 1 2 ib1
2.1.4 差动放大电路的输入、输出形式
当信号从一个输入端输入时称为单端输入； 从两个输入端之间浮地输入时称为双端输入； 当信号从一个输出端输出时称为单端输出； 从两个输出端之间浮地输出时称为双端输出。 因此，差动放大电路具有四种不同的工作状态： 双端输入，双端输出；单端输入，双端输出； 双端输入，单端输出；单端输入，单端输出。 比较见表2-1-1
2.1 差动放大电路
直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。 R1 R2 + ui – RC1 T1
+UCC
RC2 + uo
T2
RE2
–
直接耦合存在的两个问题： (1) 前后级静态工作点相互影响 (2) 零点漂移 零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。 uo
2.4 放大电路中的反馈
2.4.1 负反馈与正反馈
反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。
RB1 C1 +
RC
+UCC 通过RE C2 将输出电流 + 反馈到输入 RL
RB
C1
+ ui RB2
–
RE
+ uoRS + + ui –e s – –
+
通过RE CC 将输出电压 反馈到输入 C
U CE U CC RC I C (12 10 103 0.6 103 ) V 6 V RL 50 5 Ad 11 RB rbe 20 2.41 1 式中 RL RC // RL 5 k 2 26 26 rbe 200( ) (1 ) (200 ) Ω 2.41 k IE 0.6
上式中前两项较第三项小得多略去， RC IC 则每管的集电极电流 + EE RB1 IB IC IE T1 +UCE + 2RE UBE－ I 发射极电位 VE 0 － E IC EE 每管的基极电流 I B 2 RE RE 2IE 每管的集 — 射极电压 EE RC -EE U CE U CC RC I C U CC 单管直流通路 2RE
两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，
uo= (VC1－VC1 )－(VC2 + VC１ ) =－2 VC1
即对差模信号有放大能力。
2.1.3 放大电路分析
1.静态分析 在静态时，设 IB1 = IB2 = IB， IC1= IC2 = IC
RB1I B U BE 2 RE I E EE
两集电极之间的差模输出电阻为
ro 2RC
例1:在前图所示的差分放大电路中,已知UCC=12V， EE = 12V, = 50, RC = 10 k, RE =10 k, RB = 20 k， RP =100 , 并在输出端接负载电阻RL = 20k, 试求 电路的静态值和差模电压放大倍数。 EE 12 A 0.6 mA 解: I C 3 2 RE 2 10 10 I C 0.6 IB mA 0.012 mA 50
2.1.5 恒流源式差动放大电路 • 考虑采用恒流源来代替原来的Re ，因 为恒流源的内阻较大，可以得到较好的 共模抑制效果，同时利用恒流源的恒流 特性给三极管提供更稳定的静态偏置电 流。
•
恒流源式差动放大电路如下图所示。
恒流源式差动放大电路
•
接入恒流三极管后，抑制了共模
信号的变化。
• 有时，为简化起见，常常用一个 简化的恒流源符号来表示恒流管VT3的 具体电路，如下图所示。
信号传 输方向 反相 输入端 +UCC
实际运放开环 电压放大倍数 +UCC输出 uo 输出端 8 7 6 F007 2 3 5
u– u+
同相 输入端
– +
Auo
+ 1
4
–UEE (a)
U-
U+ -UCC
(b)
集成运算放大器的管脚和符号 (a) 符号; (b)引脚
2.3.3 主要参数
1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 3. 输入失调电压 UIO 愈小愈好 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB 6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
2.3.1 集成运算放大器的特点
1. 元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流 源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电 容、电感 和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。
各类型号集成芯片
2.3.2 电路的简单说明
反馈电路 (b) 带反馈
若三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即Xd < Xi , 此时,反 馈信号削弱了净输入信号, 电路为负反馈。 若 Xd > Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的 作用则为正反馈。
2. 信号输入
+
+
共模信号 需要抑制 – (1) 共模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相同
–
两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出 电压为零，即对共模信号没有放大能力。 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它 对零点漂移的抑制水平。
2. 信号输入
+
–
+
差模信号 是有用信号 – (2) 差模信号 ui1 = – ui2 大小相等、极性相反
2.2.1.1 乙类双电源互补对称电路
乙类互补对称电路存在的问题
2.2.1.2 甲乙类双电源互补对称电路
1. 静态偏置
可克服交越失真
2. 动态工作情况
设T3已有合适 的静态工作点
二极管等效为恒压模型
交流相当于短路
甲乙类双电源互补对称电路
VCE4 R1 R2 VBE4 R2
VBE4可认为是定值
IC Q
O
iC
O
UCE
t
2.2.1
互补对称放大电路
互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本 形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由 于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称 电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无 输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电 路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源 供电。
输入级 中间级 偏置 电路 输出级
运算放大器方框图
输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干 扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源 的共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载 能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成