第9章 集成电路运算放大器

1、第第9 9章章 集成运算放大器集成运算放大器9.2 电流源电路电流源电路9.4 功率放大电路功率放大电路9.5 集成运算放大器集成运算放大器9.3 差分放大电路差分放大电路9.1 集成放大电路概述集成放大电路概述6.集成运算放大器的组成、工作原理、主要性能参数，集成运算放大器的主要类型和选择方法；典型的集成运算放大器LM741和MC14573。本章的主要内容本章的主要内容1.集成电路的优势、特点，集成放大电路的组成框图；2.镜像电流源、微电流源、威尔逊电流源和多路电流源的电路组成以及输出电流和输出电阻的计算；3.差分放大电路的组成、差模信号的放大、共模信号和温度漂移的抑制、输入输出方式、小信号

2、分析方法和主要参数的计算，差分放大电路的大信号传输特性；4.OCL电路、OTL电路和TL功率放大电路的组成、工作原理，电路的分析方法和主要性能参数的计算，功放管的选择和散热；5.集成功率放大器的组成、工作原理和主要应用，典型的集成功率放大器LM386；9.1 集成放大电路概述9.1.2 集成放大电路的组成框图集成放大电路的组成框图9.1.1 单片集成电路中的元件及特点单片集成电路中的元件及特点 集成集成电路电路集成制造在一块微小的半导体基片上、完成特定功能的电子电路称为单片集成（Integrated Circuit，IC），半导体基片称为晶圆或衬底或芯片。9.1 集成放大电路概述 混合集成电路

3、混合集成电路将单片集成电路和无源元件制作在衬底或印制电路板上的小型化电子电路。 与分立元件电路比较，集成电路有两个主要优势：与分立元件电路比较，集成电路有两个主要优势：低低成本和优成本和优良的性能。良的性能。低成本：低成本：通过标准工艺，每mm可以制作上百万个晶体管。优良的性能：优良的性能：工作速度快、功耗低、功能强和可靠性高。单片集成电路分类：单片集成电路分类：按制造工艺分：按制造工艺分：双极型、单极型和双极单极兼容型集成电路。 按功能分按功能分：数字和模拟集成电路。 模拟集成电路又分为：集成运算放大器， 集成功率放大器 集成比较器，集成乘法器，集成稳压器。本章仅介绍单片集成的运算放大器和集

4、成功率放大器。 1具有良好的对称性。由于采用相同的标准工艺，所以容易在同一块硅片上制作性能一致的同类有源元件和同类无源元件。并且工作温度基本相同，元件的温度特性也一致。9.1.1 9.1.1 单片集成电路中的元件及特点单片集成电路中的元件及特点 与分立元件比较，主要有以下特点主要有以下特点：2电阻和电容的数值有一定限制。 3用有源元件代替大电阻。由于双极型晶体管（BJT）和场效应管（FET）占用芯片面积小、性能好，常用这些有源元件构成电流源电路，取代大电阻。 为了提高单位面积的元件数，电阻的阻值限制在数十欧姆到几个千欧之间，电容的容量一般小于100pF。 电阻是用半导体材料的体电阻，电容则是P

5、N结的结电容或MOS管的栅极电容。数值越大，占用的芯片面积也越大。end 2.对于多级直耦放大电路，最末级的温度漂移最严重。因为前级的温度漂移直接耦合到下一级并将其放大，使后级漂移很大。9.1.2 9.1.2 集成放大电路的组成框图集成放大电路的组成框图 集成放大电路通常是直接耦合的放大多级电路直接耦合的放大多级电路。直耦电路的优点：直耦电路的优点： 1.可以放大输入信号的直流分量和低频信号； 2.电路不包含大电容和大电感，适合集成电路工艺制造。直耦电路的缺点：直耦电路的缺点： 1. 静态工作点受信号源内阻和负载的影响，并且随温度变化移动，称为温度漂移漂移。 必须使每级放大电路的静态工作点稳定

6、，特别是输入级。使每级放大电路的静态工作点稳定，特别是输入级。 例如，电平移动电平移动电路，调节各级电压的配合，达到输入量为零时输出量也近似为零，使信号源和负载中没有由直流电源引起的直流分量。 1. 1.输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路，同时要求输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路，同时要求输入级的输入电阻大。输入级的输入电阻大。 2. 2.中间级主要作电压放大，通常中间级主要作电压放大，通常是共射放大电路或共源放大电路。是共射放大电路或共源放大电路。 3. 3.输出级要求带负载能力强。输出级要求带负载能力强。此外，集成电路还包含一些辅助电路此外，集成电路还包含一些辅助电路。短

7、路保护电路短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。end9.2 电流源电路电流源电路9.2.1 BJT电流源9.2.2 EFT电流源电流源：电流源：提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。 可以用BJT或EFT组成恒流源电路。作用：为放大电路提供稳定的偏流、有源负载。 IREF称为基准电流基准电流。当电源电压和电阻确定后，基准电流确定，T2向上拉负载提供基本恒定的电流，与负载无关，等效为一个电流源。1.镜像电流源（1）电路的构成/2211CREFBREFCIIIIIRVVIIIIIEECCREFREFCCO/2112 T1和T2特性一致（1=2=，ICEO1=ICEO2，VBE1=

8、VBE2）。 （2）工作原理 由电路得VBE1=VBE2 ，所以IB1=IB2，IC1=IC2 ，即T1和T2的集电极电流相等，互为镜像。9.2.1 BJT电流源电流源温度补偿作用：温度补偿作用：T 温度升高引起电流源电流的增加量被电路的自动补偿引起的减少量抵消，输出电流基本不随温度变化。021bbii2cettorivr计算输出电阻计算输出电阻r ro oic2it+_Rerce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1vtrce1ro(c) 交流等效电阻计算电路左半部分电路无独立信号源。IICC21、IREFVBIBIICC21、直流电源短路 在镜像电流的射极增加一个电阻就组成微电流源。在

9、镜像电流的射极增加一个电阻就组成微电流源。 2. 微电流源微电流源（1）电路的构成（2）工作原理Re 利用T1和T2的基射电压差在射极电阻上产生微电流输出。eBEBECORVVII212TBEVvSVvSEVveIeIiTBETBE/) 1(SETBEIiVvln 晶体管的发射结电流方程分别为 OCeTEEeTIIRVIIRV121lnln=)ln(ln=21SESEeTIIIIRV-eBEBEORVVI21=-先确定IREF和IO再计算ReRe引入负反馈，温度补偿作用比镜像电流源更好。+_Rrce2rbe2ib2ib2rbe1ib1ib1itvtrce1roRero1ve1/111beceo

10、rrRr212)1 (ceeobeeorRrrRr计算输出电阻计算输出电阻ebtbobeRiiirr)()(2212222222)-()()-()(bceetceecebtebttirRirRriiRiiv)()(2122eceeobeeceettoRrRrrRrRivr-eceRr2ReteobeebiRrrRi122-直流电源短路输出电阻很大。输出电阻很大。1/2/21/21/21121)/21 (11)/21 (2REFOIIRVVVIIBEEECCREFO223ceorr 设T1、T2和T3特性一致，则各支路电流如图中标注所示。由电路，得基准电流和输出电流 威尔逊电流源的输出电阻为：3

11、.3.威尔逊（威尔逊（WilsonWilson）电流源）电流源 威尔逊电流源COII1)/21 (CREFII1)/21 (1 CI1)/21 (CI )21 (CI2 从T2、T3和T4的集电极输出多个基本恒定的电流，其他元件则是电流源的偏置电路。1101eBEBECCCREFRRVVVII4.4.多路电流源多路电流源 VCCIC1T1T0T2T3T4Re1Re2Re3Re4RIREFIC2IC3IC44 , 3 , 211011iRRVVVRRIRRIeBEBECCeieREFeieCi4 , 3 , 2)1 (1irRrrRrceieiobeieioi10111001)(/ebebeoR

12、rrRr 如果全部射极电阻为零，则如果全部射极电阻为零，则是多路镜像电流源。也可以将微是多路镜像电流源。也可以将微电流源和镜像电流源组合成多路电流源和镜像电流源组合成多路电流源。电流源。按射极电阻比例输按射极电阻比例输出基本恒定的电流出基本恒定的电流REFeCeCeCeCeIRIRIRIRIR111223344PNP管组成的电流源与NPN管相似。 endI ID1D1I ID3D3 在总电源电压大于2个场效应管的开启电压（VDD+VSS2VT）的情况下，T1、T2和T3工作在恒流区。9.2.2 FET9.2.2 FET电流源电流源1MOS管镜像电流源 将FET偏置在恒流状态，并确保栅源电压不受

13、信号的影响，则FET的漏极电流基本恒定，形成电流源。SSDDGSGSDDVVVVII31312321) 1() 1(TGSDOTGSDOVVIVVI2222222) 12() 1(TSSDDDOTGSDODOVVVIVVIII2dsorr )(2113SSDDGSGSGSVVVVV)(212SSDDGSGSVVVV输出电阻等于的T2输出电阻，)+(21=01234SSDDGSGSGSGSGSVVVVVVV4 , 3 , 2 , 1 , 0) 1-2() 1(22iVVVIVVIITiSSDDDOiTiGSiDOiDi- 与BJT管一样，也可以用NMOS管组成威尔逊电流源。其电路形式与BJT管威

14、尔逊电流源相似。2.MOS管多路电流源PMOS管组成的电流源与NMOS管相似。设T0和T 1的特性一致。end 9.3 差分放大电路差分放大电路9.3 1 共射差分放大电路的组成和工作原理9.3 2 共射差分放大电路的输入输出方式和动态特性9.3 3 共射差分放大电路的电压传输特性9.3 4 共源差分放大电路特点:静态工作点稳定，放大差模信号和抑制共模信号。 通常用作直接耦合多级放大电路的输入级。分类：共射、共集和共基差分放大电路。 电路参数对称：Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc，T1和T2特性一致（称为差分对管）。9.3 1 9.3 1 共射差分放大电路的组成和工作原理共射差分放大

15、电路的组成和工作原理1 1电路组成电路组成 电路从T1和T2的基极输入两个电压信号：vi1，vi2；从T1和T2的集电极输出电压信号：vO=vC1-vC2。这种连接方式称为双端输入双端输出。2 2工作原理工作原理（1）静态工作点的稳定性 基本原理：基本原理：利用2个有源元件特性的一致性，通过减法vO=vC1-vC2抵消由温度（或共模信号）引起的电压或电流的变化量； 同时，引入直流负反馈（电流源支路）；使静态工作点或输出量基本不随温度（或共模信号）的变化。vO=VC1-VC2=0/=21IIIICBBB21=11IIIIOCCC=21VVVVVonBEEEE-=21IRVVVVCcCCCCC-静

16、态工作点的计算 输出电压不含电源引起的直流分量。接入负载对静态工作点没有影响。 温度升高时，集电极电流增加，引起下述自动的负反馈过程：IB1和IB22roICIC1和IC2 输入特性TVEVBEIC1和IC2 集电极电流的增加量负反馈引起的减少量抵消，静态工作点稳定温度补偿vi1= vicvi2= vicvi1= vicvi2= vicro 输入共模信号vi1=vi2=vic时，（2）共模信号的抑制021 ccocvvv21 ccvv21 ccii21 bbiiicvro是电流源的动态电阻交流通路使输出共模信号使输出共模信号voc为零，抑制了共模信号输出。为零，抑制了共模信号输出。oboeoe

17、eeriririiv121)1 (22)( 电流源支路的电流变化量是2ie。由于ro很大，对共模信号的反馈很强，故共模输入信号引起的交流分量很小。 共模信号引起差分对管的2个射极电流交流分量相等，射极电位的交流分量为vi1= vicvi2= vicvi1= vicvi2= vicroro是电流源的动态电阻交流通路 共模信号增加和温度升高对电路的影响相同，故共模信号属于无用信号。 输入差模信号vi1=-vi2=vid /2，在电路参数对称以及T1和T2特性一致的情况下，则有下述过程（3 3）差模信号的放大）差模信号的放大10cv1212cccodvvvv222000ccbvii10ci10bi0

18、idvvvc2c1 差分放大电路对差模信号进行放大，输出差模信号vod。 0)(21oeeeriiv 同时，差模信号引起差分管2射极电流交流分量变化趋势相反，即ie1-ie2，射极电位的交流分量近似为零。即射极对地交流等效为虚断和虚短。射极对地交流等效为虚断和虚短。 在差模输入信号的交流通路中，射极对地等效为虚断和虚短，对差模输入信号没有反馈。交流通路 因ve0，差放电路可分解为2个相对独立的共射放大电路，称为差放电路的半电路。bebebididididrrivivR222211cccodRRRR221主要性能指标：主要性能指标：差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压增益。差模输出电阻差模输出电

19、阻半电路输入半电路输入电阻的电阻的2 2倍倍半电路输出电阻的半电路输出电阻的2 2倍倍3动态分析动态分析（1）输入差模信号差模输入电阻差模输入电阻差模电压增益差模电压增益becidcidccRidodvdorRvvvvvvvAL222121负载开路的差模电压增益为负载开路的差模电压增益为)(LoLvdoidodvdRRRAvvA 双端输入双端输出双端输入双端输出:电压增益和半电路的电压增益表达式相同电压增益和半电路的电压增益表达式相同.带负载的差模电压增益为带负载的差模电压增益为 以牺牲一个管子的增益为代价换取低温度漂移的优点。LcLbecRRRrR2beLcrRR)2/(（2）输入共模信号v

20、i1= vicvi2= vicro111212)1 (2bobbebbbiciciciciririiivivR)1 (221obeicicicrrivR共模输入电阻共模输入电阻0021icicccRicocvcovvvvvvAL0)(LoLvcoicocvcRRRAvvA 差模输出电阻与共模输出电阻相同差模输出电阻与共模输出电阻相同，统一简称为输出电阻，统一简称为输出电阻。带载的共模电压增益为带载的共模电压增益为共模输出电阻共模输出电阻 对于共模输入信号，差分对管的集电极电位变化量相等差分对管的集电极电位变化量相等。vi1= vicvi2= vicrocccocRRRR221负载开路的共模电压

21、增益为负载开路的共模电压增益为21iiidvvv)(2121iiicvvvidicivvv211idicivvv212)(icvdvcidvdicvcidvdocodovAAvAvAvAvvvvcvdCMRAAK)1(icCMRidvdovKvAv 对于任意的2个输入信号vi1和vi2，定义差模输入信号和共模输入信号依次如下：则任意的2个输入信号均可表示为差模信号和共模信号的代数和。差模信号和共模信号的代数和。由叠加原理，总的输出电压为定义共模抑制比为定义共模抑制比为（3 3）同时输入差模信号和共模信号）同时输入差模信号和共模信号)1(icCMRidvdovKvAv 共模信号等效为对差模信号的

22、干扰信号（误差信号），所以，希望共模抑制比越大越好共模抑制比越大越好。 理想的双端输出理想的双端输出差放电路，共模电压增益为零，共模抑制比为无穷大，即共模信号对差模信号没有干扰。 例例9.19.1 差分放大电路如图所示。设T1和T2特性一致，1=2=3=50；rce3=50k，rz=100，RL=50k。（1）确定电路的静态工作点；（2）求电路的动态特性。mARVVIeBEZC15. 0367 . 0633电流源的电流为RLRbRb解 （1）静态分析V.VVVVBEEEE70-=-=210750=21=311.IIIICCCCV.IRVVVVCcCCCCC54=0750100-12=-=21R

23、LRbRbkIrrEbebe1817880=075.02651+200=26)+1 (+200=121kIrEbe0 .99040=15.02651+200=26)+1 (+200=33krRrrRrceezbeeo171450)361 . 01836501 ()1 (3333T1、T2和T3的输入电阻为电流源的输出电阻为 krRRbebid56)1810(2)(2krrRRobebic87428=)1714512+18+10(21=)+1 (2+21=RLRbRb7 .351810)25/100(50)2/(bebLcvdrRRRA0vcAkRRRRcccod2001002221在交流回路中

24、，Rb与T1和T2的输入电阻rbe串联。 差模电压增益远远大于共模电压增益；差模电压增益远远大于共模电压增益；共模输入电阻远远大于共模输入电阻远远大于差模输入电阻；差模输入电阻；共模和差模信号的输出电阻相同；共模和差模信号的输出电阻相同；差分对管的静态差分对管的静态电流越小，差模输入电阻越大。电流越小，差模输入电阻越大。end9.3.2 9.3.2 共射差分放大电路的输入输出方式和动态性能共射差分放大电路的输入输出方式和动态性能双端输入双端输入: : 在两个输入端同时输入电压信号（vi10和vi20）.单端输入单端输入: :只在任何一个输入端输入电压信号,（vi10和vi2=0） 或者（vi1

25、=0和vi20）双端输出双端输出: :负载跨接于两个输出端之间（浮地负载）.单端输出单端输出: :负载连接在任何一个输出端与参考电位 之间(接地负载）则称为单端输出。输入输出方式分为： 双端输入双端输出双端输入双端输出 双端输入单端输出双端输入单端输出 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vi10和和vi2=0，负载负载R RL L跨接于两个集电极之间。跨接于两个集电极之间。 单端输入双端输出方式单端输入双端输出方式RL1. 1. 单端输入双端输出方式的单端输入双端输出方式的动态性能动态性能输入信号可分解为输入信号可分解为 差模信号（差模信号（vid =vi1）

26、共模信号（共模信号（vic =vi1/2） 静态工作点的静态工作点的计算计算亦相同亦相同动态性能相同动态性能相同单端输入双端输出单端输入双端输出双端输入双端输出双端输入双端输出/212121121CBBBCcCCCOCCCBEEEEIIIIIRVVIIIIVVVV)/(1cLCCCcLLCRRIVRRRV vi10和和vi20，负载电阻，负载电阻R RL L接在集电极接在集电极C C1 1和地之间。和地之间。 但是，但是，T T1 1的集电极静态电位却的集电极静态电位却不同，修正为下式不同，修正为下式2. 2. 双端输入单端输出方式的双端输入单端输出方式的动态性能动态性能静态时，由于静态时，由

27、于T T1 1和和T T2 2的输入回路参数对称。的输入回路参数对称。R RL L双端输入单端输出方式双端输入单端输出方式beLcebbeLcbiddoiddovdrRRvirRRivvvvA2)/(-)(2)/(2211111差模电压增益为差模电压增益为单端输出的电压增益近似是双端输出的一半单端输出的电压增益近似是双端输出的一半 若若R RL L接在接在C C2 2与地之间（与地之间（输入信号和输出信号不在同一个管子输入信号和输出信号不在同一个管子的电极上的电极上），单端输出的差模电压增益表达式中没有），单端输出的差模电压增益表达式中没有“-”-”。ve0差模输入信号交流通路RL 当输入差模

28、信号时，因当输入差模信号时，因T T1 1和和T T2 2的参的参数对称，差分对管射极电流的变化量数对称，差分对管射极电流的变化量大大小相等，符号相反小相等，符号相反，射极仍然是，射极仍然是虚短和虚短和虚断虚断。输出电阻输出电阻: :ccoRRR1共模输入电阻共模输入电阻: :beidrR2obeLcobbbeLcbiccovcrrRRriirRRivvA)1 (2)/(-)1 (2)/(111111beobeobevcvdCMRrrrrrAAK)1 (221共模抑制比共模抑制比为为 共模抑制比与负载大小无关共模抑制比与负载大小无关，仅与负载仅与负载同差放电路的同差放电路的连接方式连接方式有关

29、。有关。共模电压增益共模电压增益为为双端输出共模抑制比为无穷大，单端输出可达几千倍。双端输出共模抑制比为无穷大，单端输出可达几千倍。输出电阻输出电阻: :ccoRRR1共模输入电阻共模输入电阻: :)1 (221obeicicicrrivR双端输入单端输出方式RL3. 单端输入单端输出方式的单端输入单端输出方式的动态性能动态性能输入信号可分解输入信号可分解vid =vi1和和vic =vi1/2。 （1 1）输入方式仅影响差模输入信号和共模输入信号的大小不）输入方式仅影响差模输入信号和共模输入信号的大小不影响差分放大电路的性能参数；影响差分放大电路的性能参数； （2 2）4 4种方式的输入电阻

30、相同；种方式的输入电阻相同； （3 3）电压增益和输出电阻则与输出方式有关；单端输出时，）电压增益和输出电阻则与输出方式有关；单端输出时，差模增益和输出电阻是双端输出的一半，共模增益比双端输出大。差模增益和输出电阻是双端输出的一半，共模增益比双端输出大。 动态性能动态性能与双端输入单端输出的与双端输入单端输出的动态性能相同，动态性能相同，静态工作点的计算静态工作点的计算亦亦相同。相同。结论：结论： 例例9.2 9.2 有源负载共射差放电路如图所示。试求电路的差模电压有源负载共射差放电路如图所示。试求电路的差模电压增益、差模输入电阻和输出电阻的表达式。增益、差模输入电阻和输出电阻的表达式。 解：

31、解：T T1 1和和T T2 2作差放，作差放，T T3 3和和T T4 4是是T T1 1和和T T2 2的有源负载，且的有源负载，且T T3 3和和T T4 4的集的集电极电流互为镜像。设晶体管的电流放大倍数相同。电极电流互为镜像。设晶体管的电流放大倍数相同。 当输入差模信号时，当输入差模信号时，差分对管的发射极交流电位近似为零差分对管的发射极交流电位近似为零。IObeidbeidbrvrvi2=2=1112222-bbeidbeidbirvrvi443434433=bbbebebbbebbeiirriirir1144331+2=+=bbbbbbbiiiiiiiidbececececebb

32、cecebbovr)r/r()r/r()ii ()r/r)(ii(v42422142242=-=-=bececeidovdorrrvvA)/(422bebididididrivivR222142/ceceorrR 输入信号为零时，输入信号为零时，ib1= ib2=0，使，使ib4=0。 因此，有源负载因此，有源负载将双端输出转换为单端输出将双端输出转换为单端输出，并保持增益表并保持增益表达式与双端输出相同达式与双端输出相同。此外，。此外，有源负载的交流等效电阻大，可以有源负载的交流等效电阻大，可以有效地提高增益。有效地提高增益。bececeidovdorrrvvA)/(422endTBEBET

33、BETBEVvvVvSVvSEECCeeIeIiiii/ )(/21212121) 1() 1( 当输入信号大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特当输入信号大范围变化时，不能用小信号模型分析晶体管的特性。可以利用晶体管的性。可以利用晶体管的电流方程电流方程推导输出电压与输入电压的函数关推导输出电压与输入电压的函数关系，即传输特性。系，即传输特性。 由由BJTBJT发射结的电流方程发射结的电流方程, ,并考虑到并考虑到T T1 1和和T T2 2特性一致，得特性一致，得9.3 3 9.3 3 共射差分放大电路的共射差分放大电路的电压传输特性电压传输特性OEECCIiiii2121由电路，由

34、电路，OVvvVvvCOVvvCIeeiIeiTBEBETBEBETBEBE/ )(/ )(1/ )(2212121111 所以，所以，)()(212121CCcCcCCCcCCCCOiiRiRViRVvvvTBEBEOcOVvvthIRv221TidOcOVvthIRv2再由电路，再由电路，输入共模信号，输入共模信号，vBE1= vBE2，vO O= =0 0th(xth(x) )是非线性的双曲正切函数。是非线性的双曲正切函数。 输入差模信号，输入差模信号， vid = vBE1-vBE2。OcVvvVvvVvvVvvOcVvvVvvOIReeeeIReevTBEBETBEBETBEBETB

35、EBETBEBETBEBE2/ )(2/ )(2/ )(2/ )(/ )(/ )(21212121212111抑制共模信号。抑制共模信号。时，当2TidVv412TidVvTidOcTidOcOVvIRVvthIRv22OTOTETETbbbeIVIVIVIVrr22/)1 (idbecOvrRv 电压增益与使用小信号模型获得的相同电压增益与使用小信号模型获得的相同。TidOcOVvthIRv212112)2()!2(11)2()!12(12nnTidmmTidTidOcVvnVvmVvIRmVmVVvTid132262RRTcTc+R+RTsTsP PC C是管芯耗散功率是管芯耗散功率( (

36、热源热源) )R RTjTj是管芯至管壳的热阻（可从手册中查出）是管芯至管壳的热阻（可从手册中查出）R RTaTa是管芯至环境的热阻是管芯至环境的热阻 R RTcTc是管壳至散热片的热阻（与有否垫片、接触面积、紧固程是管壳至散热片的热阻（与有否垫片、接触面积、紧固程度等有关）度等有关） 当忽略管壳至周围当忽略管壳至周围环境的热阻时，可求出环境的热阻时，可求出散热回路的总热阻散热回路的总热阻(a) 散热片安装示意图热阻RTc垫片热阻RTc功率管热阻RTj环境热阻RTa散热片s环境a 环境a 管芯j管壳c 例例9.39.3 某功放电路中采用某功放电路中采用3DD1003DD100低频大功率管。由晶

37、体管低频大功率管。由晶体管手册查出，最大允许功耗手册查出，最大允许功耗P PCMCM=20W=20W，最高允许结温，最高允许结温T TjMjM=178=1780 0C C，R RTjTj=3=30 0C/WC/W，若要求环境温度为，若要求环境温度为40400 0C C，R RTcTc=1=10 0C/WC/W，试问应选用，试问应选用热阻为多大的散热片？热阻为多大的散热片？WCWCPTTRCMajMT/75. 6=20)40175(=-=00-R RTsTs=R=RT T -R -RTjTj-R-RTcTc= =（6.75-3-16.75-3-1）0 0C/W=2.75C/W=2.750 0C/

38、WC/W散热片的热阻为散热片的热阻为应选用热阻小于应选用热阻小于2.752.750 0C/WC/W的散热片。的散热片。解：解：可得总热阻为可得总热阻为end 9.5 集成运算放大器集成运算放大器9.5.1 双极型集成运算放大器LM7419.5.2 CMOS集成运算放大器MC145739.5.3 集成运算放大器的主要参数9.5.4 集成运算放大器的种类和选择 由于集成运放通常不直接驱动终端负载，故不必像集成功率放由于集成运放通常不直接驱动终端负载，故不必像集成功率放大器那样输出较大功率，但要求输出电阻小，增益和输入电阻大，大器那样输出较大功率，但要求输出电阻小，增益和输入电阻大，频率特性好。频率

39、特性好。 利用运放的高增益和对其引入的负反馈，可以组成利用运放的高增益和对其引入的负反馈，可以组成各种模拟信各种模拟信号运算电路号运算电路，故由此而得名。，故由此而得名。 分类：有双极型、单极型及双极单极兼容型产品。分类：有双极型、单极型及双极单极兼容型产品。 _vi1vovi2+(a)+ (b)vo+_vi1vi2+A9.5.1 9.5.1 双极型集成运算放大器双极型集成运算放大器LM741LM741电流源电路电流源电路差分输入级差分输入级中间放大级中间放大级互补输出级互补输出级1.电流源偏置电路电流源偏置电路mARVVVVIBEBEEECCR73. 0397 . 07 . 030)(511

40、120.730.730.7310410lnCRTCIIRVIAIC2810代入参数解得代入参数解得28A28A28A14A14A 输入级交流通路输入级交流通路1)1 ( 24422bebeidrrR2. 2. 差分放大输入级差分放大输入级 由于输入级静态电流很小，由于输入级静态电流很小，r rbebe较大，较大，使差模输入电阻可达使差模输入电阻可达2M2M。 输入级组成输入级组成共集共基组合共集共基组合差分放大电路，负载是中间级的差分放大电路，负载是中间级的R Ri2 i2 。 差模输入电阻是半电路输入电阻的差模输入电阻是半电路输入电阻的2 2倍倍 通过计算通过计算T2T2和和T4T4的级联增

41、益计算差模增的级联增益计算差模增益。因为益。因为R Ri2 i2远远小于本级的输出电阻，则差远远小于本级的输出电阻，则差模电压增益为模电压增益为差模电压增益等于半电路的电压增益。差模电压增益等于半电路的电压增益。422424242444224421241)1 ()1 ()1)(1 (1)1 (1)1 (bebeibeibebebeiicvdrrRrRrrrvvvA3. 3. 中间放大级中间放大级1717162)1 (bebeirrR复合管共射放大有源负载相位补偿1717163171317164172)1 ()/(bebeicececcvrrRrrvvAR Ri3 i3是输出级是输出级的输入电阻

42、的输入电阻4. 4. 输出级输出级PNP复合管NPN管V VBEBE倍倍增电路增电路互补对称输出电路VVRRRRVVVBEBEBEBB96. 06 . 0)5 . 75 . 41 ()1 (15877815151814调节电阻比值，可以将输出管准确偏置在甲乙类1515718141beBBrRr倍增电路的交流等效电阻为17131814/ceceBBrrr交流电压为0交流等位点LbeiRrR)1 (141431417131/ceceorrR2112vvdiiovdAAvvvA422414141713171642)1 (/()1)(1 (bebeLbececevdrrRrrrA甲乙类互补对称电路的输

43、出电阻甲乙类互补对称电路的输出电阻甲乙类互补对称电路的输出电阻甲乙类互补对称电路的输出电阻 甲乙类互补对称电路的电压增益近似为甲乙类互补对称电路的电压增益近似为1 1。 LM741LM741总的差模电压增益为总的差模电压增益为 电压增益可达电压增益可达106dB106dB。负号说明。负号说明vi1 i1与输出电压与输出电压vo o同相、同相、vi2 2与输出与输出电压电压vo o反相，即反相，即3 3端是同相输入端，端是同相输入端，2 2端是反相输入端。端是反相输入端。输出电阻小于输出电阻小于200200 。5 5限流保护电路限流保护电路 过流时，若过流时，若正半周输出正半周输出，R R9 9

44、上的电压明显增大，致使上的电压明显增大，致使D D1 1导通，导通，从从T T1414的基极分流，限制的基极分流，限制T T1414的集电极电流，保护的集电极电流，保护T T1414管。管。 过流时，若输出过流时，若输出负半周负半周，R R1010上的电压明显增大，使上的电压明显增大，使D D2 2导通，从导通，从T T1818的基极分流，限制的基极分流，限制T T1919的集电极电流，保护的集电极电流，保护T T1919管。管。 正常工作正常工作时，时，R R9 9和和R R1010上上的电压很小，的电压很小，D D1 1、和、和D D2 2均截均截止，不影响电止，不影响电路工作。路工作。6

45、 6调零电路调零电路 在在LM741LM741电路中，通过电路中，通过PNPPNP管和管和NPNNPN管的配合，使得在零输管的配合，使得在零输入电压时输出电压也近似为零。实际使用时还可以在入电压时输出电压也近似为零。实际使用时还可以在、端外端外接调零电位器。接调零电位器。 通过对双极型运放通过对双极型运放LM741LM741的分析可知，双极型集成运放的输入的分析可知，双极型集成运放的输入偏置电流及器件功耗较大，输入电阻较小。偏置电流及器件功耗较大，输入电阻较小。 但是由于采用多种改进技术，所以品种繁多、功能很强。但是由于采用多种改进技术，所以品种繁多、功能很强。end9.5.2 CMOS9.5

46、.2 CMOS集成运算放大器集成运算放大器MC14573MC14573 电路由增强型电路由增强型PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管组成，称为管组成，称为CMOS CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor )(Complementary metaloxidesemiconductor )集成运算放大器。集成运算放大器。电流源电路电流源电路共源差分放大输入级共源差分放大输入级共源放大输出级共源放大输出级。26566) 1(TGSDODVVII28588) 1(TGSDODVVII1 1电流源电路电流源电路25555) 1()(TGSDORDDS

47、SRGSVVIIVVIRV2 2共源差分放大输入级共源差分放大输入级)/(42221dsdsmidovdrrgvvA基准电流PMOS多路电流源NMOS有源负载差分放 差模电压增益等于半电差模电压增益等于半电路的电压增益路的电压增益 差模输入电阻和共模输差模输入电阻和共模输入电阻髙达入电阻髙达10101212 。87/dsdsorrR )/(87722dsdsmoovrrgvvA3 3共源放大输出级共源放大输出级NMOS有源负载共源放大电路)/)(/(87427221dsdsdsdsmmvvdidovdrrrrggAAvvA总电压增益为相位补偿达到达到90dB90dB左右。左右。 单极型运放的输

48、入电阻特别单极型运放的输入电阻特别大，功耗低，电路简单。但是，大，功耗低，电路简单。但是，输出电阻也较大。输出电阻也较大。 end9.5.3 9.5.3 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1. 1. 绝对最大额定值绝对最大额定值（1 1）最大电源电压）最大电源电压 最大正电源电压和最大负电源电压。LM741的电源电压额定值是18V。（2 2）最大差模输入电压）最大差模输入电压V Vidmaxidmax 从运放的两个输入端看进去，常有两个或多个PN结串联。加上差模电压，一些PN结承受反向电压，另一些承受正向电压。对应于反偏PN结击穿的差模输入电压就是最大差模输入电压。LM741的V

49、idmax是30V。 保证器件安全工作或保证器件特性的极限参数既是绝对最大额定值。使用时不能超过额定值。（3 3）最大共模输入电压）最大共模输入电压V Vicmaxicmax 当共模电压超过一定范围时，运放输入级的差放管出现饱和或截止，电路不能正常放大差模信号。该范围的边界共模电压就是最大共模输入电压。LM741的Vicmax是15V。（4 4）最大功率损耗）最大功率损耗P PD D器件允许的最大功耗。LM741的PD是500mW。2. 2. 直流误差特性直流误差特性（1 1）输入失调电压）输入失调电压VIOVIO及失调电压漂移及失调电压漂移dVdVIOIO/dT/dT 静态时，为了使输出电压

50、为零而在输入端所加的补偿电压称为输入失调电压。失调电压变化量与相应的温度变化量之比，称为输入失调电压漂移。（2 2）输入偏置电流）输入偏置电流I IIBIB 两个输入端静态电流的平均值，称为输入偏置电流。当信号源内阻较大时，IIB对运放的静态工作点有影响。（3 3）输入失调电流）输入失调电流I IIOIO及失调电流漂移及失调电流漂移dIdIIOIO/dT/dT 两个输入端静态电流之差的绝对值。失调电流变化量与相应的温度变化量之比定义为失调电流漂移。当信号源内阻大时，IIO将在输入端产生较大的误差电压。（4 4）电源电压抑制比）电源电压抑制比K KSVRSVR 定义为电源电压变化量与电源电压引起

51、的输入失调电压变化量之比。KSVR通常大于90dB。3 3差模特性差模特性（1 1）开环差模电压增益）开环差模电压增益A Avdovdo 运放在没有外加反馈和连接给定负载的情况下，输出电压与输入差模电压之比。 常用分贝(dB)表示。理想运放的开环差模电压增益为无穷大。（2 2）差模输入电阻）差模输入电阻R Rid id和输出电阻和输出电阻R Ro o（3 3）开环带宽）开环带宽BWBW和单位增益带宽和单位增益带宽BWBWG G 开环差模电压放大增益下降3dB所对应的频率定义为开环带宽。而开环差模电压增益下降至0dB所对应的频率定义为单位增益带宽。4. 4. 共模特性共模特性（1 1）共模抑制比）共模抑制比K KCMRCMR