第四章集成運(yùn)算放大電路

1、第四章集成運(yùn)算放大電路4.1 電電 流流 源源 電電 路路 4.1.1 基本電流源電路基本電流源電路 1. 鏡像電流源（鏡像電流源（Current Mirror） 由三極管組成的鏡像電流源如圖4-1（a）所示。圖中V1V2管的參數(shù)完全相同，兩管基-射之間的電壓相等，UBE1=UBE2，故IB1=IB2=IB, IC1=IC2=IC。 在圖4-1（a）中，電源UCCR和V1管產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF， RUUIBECCREF1 將V2管集電極電流IC2作為輸出電流Io，則 /211222212REFCoCREFBREFCCIIIIIIIII當(dāng)滿足條件2時(shí)，上式簡化為 RUUIIIBECCREFC

2、o12（4-1） 圖 4-1 鏡像電流源(a) 三極管構(gòu)成的鏡像電流源；(b) 增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的鏡像電流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2RIREFV1ID1 UDDIoID2V2(a)(b) 2. 改進(jìn)型的鏡像電流源改進(jìn)型的鏡像電流源 由式（4-1）可見，當(dāng)三極管的電流放大系數(shù)較小時(shí)， 基極電流就不能忽略，這樣IoIREF，因此為了減小因小而造成的誤差，在鏡像電流源V1管的集電極與基極之間加一個(gè)緩沖管V3，利用V3管的電流放大作用減小IB對IREF的分流作用，從而提高輸出電流Io的精度。改進(jìn)后的電路如圖3-17所示，圖中V1、 V2、V3管特性完全相同。 圖 4-

3、2 改進(jìn)型鏡像電流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2IB3V3IE3 已知，1=2=3=, IB1=IB2=IB，UBE1=UBE2，因此輸出電流 22331212121CREFBREFEREFBREFCCoIIIIIIIIIII整理后得 REFREFCoIIII)1 (212若=10，代入上式可得IoIREF，說明即使很小，輸出電流Io也與基準(zhǔn)電流IREF保持良好的鏡像關(guān)系，即IoIREF。 3. 比例電流源比例電流源 圖 4-3 比例電流源 IE1V1IREF UCCV2IE2R1R2RIo由圖可得 UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2UBE1-UBE2+IE

4、1R1=IE2R2當(dāng)UBE1-UBE22，由鏡像電流源得IC4IC1=I/2，所以輸出電流io=IC4-IC2=0。 圖 3-23 有源負(fù)載的差分放大電路V1V2iC2iC1iC3 UCCV4V3iC4uidI UEEioRLuo 動(dòng)態(tài)時(shí)，加入差模信號uid，根據(jù)差分放大電路的特點(diǎn)， V1管的集電極電流在靜態(tài)電流IC1的基礎(chǔ)上增加了iC1，V2管的集電極電流在靜態(tài)電流IC2的基礎(chǔ)上減小了iC2，iC1=-iC2。 由于iC4和iC1是鏡像關(guān)系，iC4=iC1，因此io=iC4-iC2=iC1-(-iC1)=2iC1。 可見這個(gè)電流值是單端輸出電流的兩倍， 即等于差分放大電路雙端輸出時(shí)的電流值。

5、因此，用電流源作為差分放大電路的有源負(fù)載，可將雙端輸出信號“無損失”地轉(zhuǎn)換成單端輸出信號。 若電路接有負(fù)載RL，且考慮V2、V4管的輸出電阻rce2、rce4， 則電壓放大倍數(shù)為 bececeLbeBceceLCiourrrRrirrRiuuA)/(2)/(24242若RL0，稱為甲乙類放大；圖3-24（c）中，一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期iC0，稱為乙類放大。 甲乙類和乙類放大雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率， 但是由于工作點(diǎn)偏下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的波形失真，因此，既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使波形不產(chǎn)生嚴(yán)重失真， 就必須改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙

6、類放大； (c) 乙類放大 iCiCOtOICQQiB 常數(shù)uCE(a)iCiCOICQQiB 常數(shù)tuCE(b)O圖 3-24 Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙類放大； (c) 乙類放大 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙類放大； (c) 乙類放大 tiCiCuCEOQiB 常數(shù)(c)O1） 變壓器耦合功率放大電路 圖 3-25 變壓器耦合乙類推挽功率放大電路 V1V2iC1UCCiLRLuiTr1Tr2iC2uo 圖中Tr1為輸入變壓器，Tr2為輸出變壓器，三極管V1、V2特性完全相同，且接成對稱射極輸出器形式。當(dāng)輸入電壓ui為零

7、時(shí)，由于V1、V2管的發(fā)射極電壓為零，均處于截止?fàn)顟B(tài)， 因此電源所提供的功率為零，負(fù)載上的電壓也為零，兩只管子的管壓降均為UCC。當(dāng)輸入電壓ui為正半周時(shí)，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電流iC1如圖中實(shí)線所示；當(dāng)輸入電壓ui為負(fù)半周時(shí)， V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2如圖中虛線所示。這種V1和V2管在電路中輪流導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。雖然兩個(gè)三極管的集電極電流iC1和iC2均只有半個(gè)正弦波，但是經(jīng)變壓器耦合后，負(fù)載RL上的電流iL和輸出電壓uo的波形是整個(gè)正弦波。 圖 3-26 OTL電路 V1V2CiC2RLui UCCuoiC1UCC/2 2） 無輸出變壓器的功率放大電路 變壓器耦

8、合的功率放大電路優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，但是其體積龐大、 笨重， 消耗有色金屬，高頻和低頻特性差， 因此目前廣泛應(yīng)用的是無輸出變壓器的功率放大電路（Output TransfomerLess），簡稱OTL電路， 如圖3-26所示。OTL電路用一個(gè)大電容取代了變壓器，采用特性對稱、類型不同的兩個(gè)三極管V1和V2，其中一個(gè)為NPN型，另一個(gè)為PNP型。 靜態(tài)時(shí)，前級電路應(yīng)使基極電壓為UCC/2，所以兩管的發(fā)射極電壓也為UCC/2，則電容上的電壓也等于UCC/2，極性如圖3-26所示。 設(shè)電容容量足夠大，對交流信號視為短路，三極管b-e間的開啟電壓忽略不計(jì)。在ui的正半周，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電

9、流iC1從UCC流出，經(jīng)V1管和電容C后流過負(fù)載RL到公共端，方向如圖中實(shí)線所示。由于V1管和負(fù)載RL組成的電路為射極輸出形式， 故輸出電壓uoui；在ui的負(fù)半周，V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2由電容C的正極流出，經(jīng)V2管和負(fù)載RL回到電容C的負(fù)極， 方向如圖中虛線所示。V2管也以射極輸出形式將負(fù)半周信號傳送給RL，即uoui。這樣負(fù)載RL上得到一個(gè)完整的信號波形。 通常情況下功率放大電路的負(fù)載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且是電解電容。 由于大容量的電容不適于集成電路， 所以通常采用無輸出電容的功率放大電路無輸出電容的功率放大電路（Output CapacitorLess），簡稱O

10、CL電路。下面以O(shè)CL電路為例， 介紹功率放大電路的最大輸出功率、效率及管耗的分析與計(jì)算。 3.4.2 互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功率放大電路 1. OCL電路的組成及工作原理電路的組成及工作原理 基本OCL電路如圖3-27所示。電路采用絕對值相等的雙電源供電，V1管和V2管特性對稱，且一個(gè)為NPN型，一個(gè)為PNP型。兩管發(fā)射極連接在一起作為輸出端，基極連在一起作為輸入端，所以兩管都是共集電極接法， 故又稱互補(bǔ)射極輸出器。 圖 3-27 OCL電路(a) 電路圖； (b) 波形圖 V1V2iC2RLui UCCuoiC1(a)uiOttOtOiC1iC2uoOt(b) UCC 當(dāng)輸入信號ui=0時(shí)，

11、電路處于靜態(tài)，兩管都不導(dǎo)通，靜態(tài)電流為零，電源不消耗功率。在輸入信號的正半周，即ui0時(shí)， V1管導(dǎo)通，V2管截止，正電源供電，電流iC1經(jīng)V1管流過負(fù)載RL，方向如圖3-27（a）中實(shí)線所示，輸出電壓uoui；在輸入信號的負(fù)半周，即uiUCC/RL。 3. 交越失真及其消除交越失真及其消除 在圖3-27所示的OCL電路中，若考慮三極管b-e間的導(dǎo)通電壓Uon，則當(dāng)輸入電壓的數(shù)值|ui|Uon時(shí)，V1、V2管均處于截止?fàn)顟B(tài)，iC1和iC2同時(shí)為零，輸出電壓uo也為零。只有|ui|Uon時(shí)， V1或V2管才導(dǎo)通，使輸出電壓uo等于輸入電壓ui。因此在這種情況下，得到的波形是失真波形，如圖3-29

12、所示。由于這種失真發(fā)生在兩管交替瞬間， 故稱為交越失真交越失真。 圖 3-29 交越失真的波形 uiOttiC1OtiC2OtuoO交越失真 為了消除交越失真，應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使兩只三極管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)，通常采用如圖3-30所示電路。圖中R1、R2、VD1、VD2、R3組成偏壓電路，利用R2、VD1、 VD2上的電壓降給V1、V2管的發(fā)射極提供一個(gè)小的正向偏壓， 這樣在ui=0時(shí)，兩個(gè)管子已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)管子的基極各自存在一個(gè)較小的基極電流iB1和iB2，同樣，在兩管的集電極也存在著較小的集電極電流iC1和iC2，但是靜態(tài)時(shí)，iL=iC1-iC2=0， 所以輸出電壓uo為零。 圖 3-30 消除交越失真的OCL電路 R1R2VD1VD2R3