第9章 集成運(yùn)算放大器與功率放大器

1、電工與電子技術(shù) 主編 第9章集成運(yùn)算放大器與功率放大器 9.1差分放大器 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.4功率放大器 9.1差分放大器 9.1.1基本差分放大器 1.零點(diǎn)漂移 2.基本差分放大器的電路組成及工作原理 (1)電路組成圖9-1所示為基本差分放大器，由兩個(gè)特性相同的 單管共發(fā)射極放大電路組成，有兩個(gè)電源供電，且UCC=-UEE。 圖9-1基本差分放大器 9.1差分放大器 (2)工作原理 1)靜態(tài)分析。 2)動(dòng)態(tài)分析: 共模信號(hào)與差模信號(hào)。共模信號(hào)是指無用的干擾或噪聲信號(hào)。在 兩輸入端加入相同的輸入信號(hào)，使兩只晶體管產(chǎn)生相同的變化，通 常把這種大小相等、極性

2、相同的輸入信號(hào)稱為“共模信號(hào)”。 對(duì)共模信號(hào)的抑制作用。在差分放大器中，無論是溫度變化，還 是電源電壓波動(dòng)，都會(huì)引起兩管集電極電流及相應(yīng)集電極電壓產(chǎn)生 相同的變化，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加了共模信號(hào)。 9.1差分放大器 對(duì)差模信號(hào)的放大作用。圖9-1中的輸入信號(hào)Ui被兩個(gè)分壓電 阻R1和R2分為大小相等、方向相反的差模信號(hào)Ui1和Ui2，分別加到VT 1和VT2基極。在差模信號(hào)作用下，兩管的集電極產(chǎn)生等值而相反的 電流變化，它們共同流過RE時(shí)相互抵消，因而對(duì)差模信號(hào)而言，RE 不會(huì)產(chǎn)生影響，可視為短路。 (3) 共模抑制比共模抑制比的定義是，差模放大倍數(shù)Ad與共模放大 倍數(shù)Ac之比，用KCM

3、R表示，即 例9-1在圖9-1所示的差分放大器中，若已知兩管各自的 單管放大器的放大倍數(shù)Ad1=Ad2=-50，差分放大器的共模放大倍數(shù)Ac= 0.02，試求(1)該差動(dòng)放大器的差模放大倍數(shù)Ad；(2)共模抑制比KCMR。 解：(1)Ad =Ad1=Ad2= -50 (2)KCMR=2500 9.1差分放大器 9.1.2差分放大器的幾種接法 差分放大器輸入端可采用雙端輸入和單端輸入兩種方式。 1.雙端輸入-雙端輸出接法 2.雙端輸入-單端輸出接法 圖9-2雙端輸入-雙端輸出差分放大器 9.1差分放大器 圖9-3雙端輸入-單端輸出差分放大器 3.單端輸入-雙端輸出接法 9.1差分放大器 4.單端

4、輸入-單端輸出接法 圖9-4單端輸入-雙端輸出差分放大器 9.1差分放大器 圖9-5單端輸入-單端輸出差分放大器 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 9.2.1集成運(yùn)算放大器的基本知識(shí) 集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大器，作為一 種多功能的通用放大器件，它的應(yīng)用已超出早期的數(shù)學(xué)運(yùn)算范疇， 廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，在許多情況下已經(jīng)取代了分立元 器件放大器。 1.組成框圖 圖9-6集成運(yùn)算放大器的組成框圖 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 1)輸入級(jí)：采用具有較高輸入電阻和一定放大倍數(shù)的雙輸入端差分 放大器，利用它可以使集成運(yùn)算放大器獲得盡可能高的共模抑制比。 2)中間級(jí)：中間級(jí)的主要作用是電

5、壓放大，使集成運(yùn)算放大器具有 足夠的放大倍數(shù)，通常由多級(jí)共發(fā)射極放大器構(gòu)成。 3)輸出級(jí)：輸出級(jí)的作用是使電路有較大的功率輸出和較強(qiáng)的帶負(fù) 載能力，并具有一定的保護(hù)功能。 4)偏置電路：偏置電路的作用是為各級(jí)提供所需的穩(wěn)定靜態(tài)工作電 流。 2.封裝 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 圖9-7集成運(yùn)算放大器的封裝 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 圖9-8LM741集成運(yùn)算放大器 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 表9-1LM741集成運(yùn)算放大器各引腳的作用 3.電路符號(hào) 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 圖9-9集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào) 4.分類 9.2.2集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 為了表征集成運(yùn)算放大器的性能，生產(chǎn)廠家制定

6、了很多參數(shù)。 1)最大輸出電壓UoPP：指在額定的電源下，集成運(yùn)算放大器的最大不 失真輸出電壓的峰-峰值。 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 2)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud:指沒有外加反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放 大倍數(shù)。 3)輸入失調(diào)電壓UIO:當(dāng)理想運(yùn)算放大器的輸入電壓為零時(shí)，為使輸出 電壓也為零，需要在其輸入端施加的一個(gè)補(bǔ)償電壓。 4)輸入失調(diào)電流IIO：指輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差。 5)最大差模輸入電壓Uidm。 6)最大共模輸入電壓Uicm。 7)差模輸入電阻Rid。 8)輸出電阻Ro。 9)共模抑制比KCMR。 9.2.3集成運(yùn)算放大器的分析方法 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 1.理

7、想集成運(yùn)算放大器的概念 1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud。 2)開環(huán)差模輸入電阻Rid。 3)開環(huán)差模輸出電阻Rod0。 4)共模抑制比KCMR。 5)沒有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)也為零。 2.理想集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性 圖9-10理想運(yùn)算放大器符號(hào) 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 圖9-11集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性 3.理想集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 9.2集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 (1)虛短兩輸入端電位相等 (2)虛斷理想運(yùn)算放大器的輸入電流等于零 4.理想集成運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)的特點(diǎn) (1)輸出電壓uo具有兩值性其值或等于運(yùn)算放大器的正向最大輸出 電壓+Uom，或等

8、于運(yùn)算放大器的負(fù)向最大輸出電壓-Uom。 (2)理想運(yùn)算放大器的輸入電流等于零在非線性區(qū)內(nèi)，雖然運(yùn)算放 大器兩個(gè)輸入端的電位不等，但因?yàn)槔硐脒\(yùn)算放大器的輸入電阻Ri ，故仍可認(rèn)為理想運(yùn)算放大器的輸入電流等于零，即i+=i-=0。 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.1比例運(yùn)算電路 將輸入信號(hào)按比例放大的電路，稱為比例運(yùn)算電路。 圖9-12反相比例運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 1.反相比例運(yùn)算電路 2.同相比例運(yùn)算電路 圖9-13同相比例運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.2加法運(yùn)算電路 加法運(yùn)算電路是實(shí)現(xiàn)若干個(gè)輸入信號(hào)求和功能的電路。 圖9-14反相加法運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)

9、算放大器的應(yīng)用 例9-2一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓和某些非電量(經(jīng)傳感器變換 為電量)的關(guān)系為uo=4ui1+2ui2+0.5ui3，試用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成信號(hào) 處理電路，若取Rf=100k，求各電阻值。 解：分析得知輸入信號(hào)為加法關(guān)系，因此第一級(jí)采用加法電路，輸 入信號(hào)與輸出信號(hào)要求同相位，所以再加一級(jí)反相器。電路構(gòu)成如 圖9-15所示。 圖9-15例9-2圖 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.3減法運(yùn)算電路 如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，則為差動(dòng)輸入。 圖9-16減法運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.4積分運(yùn)算電路 與反相比例運(yùn)算電路比較，用電容C代替Rf作為反饋元件，就成為積 分

10、運(yùn)算電路，如圖917a所示。 圖9-17積分運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.5微分運(yùn)算電路 微分是積分的逆運(yùn)算，輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系，其電 路如圖918a所示。 圖9-18微分運(yùn)算電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 9.3.6電壓比較器 電壓比較器是將輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行大小比較，并將 結(jié)果以高低電平的形式輸出。 1.單門限電壓比較器 圖9-19單門限電壓比較器 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-20過零比較器 2.雙門限電壓比較器 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-21雙門限電壓比較器 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-22雙門限電壓比較器的抗干擾作用 3.集成電壓

11、比較器簡(jiǎn)介 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 1)輸出高電平UOH=3.3V，輸出低電平UOL=-0.4V，適應(yīng)TTL數(shù)字電路 要求(LM311型電壓范圍較寬，以便與CMOS電路匹配)。 2)有較大的上升速率SR，以適應(yīng)開關(guān)電路對(duì)響應(yīng)速度的要求。 3)適應(yīng)非線性工作狀態(tài)，所以沒有相位補(bǔ)償(校正)引出腳。 9.3.7集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí) 1.消振 圖9-23消振電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 2.電路的調(diào)零 圖9-24外接調(diào)零電位器的調(diào)零電路 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-25外加補(bǔ)償電壓的調(diào)零電路 3.電源極性錯(cuò)接保護(hù) 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 4.輸入保護(hù) 5.輸出保護(hù) 圖9-26電源

12、端的保護(hù) 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-27輸入端的保護(hù) 9.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 圖9-28輸出端的保護(hù) 9.4功率放大器 9.4.1功率放大器的要求 從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)來看，功率放大器和電壓放大器沒有本質(zhì)區(qū)別，但 是它們的工作任務(wù)是不同的。 1.有足夠大的輸出功率 2.效率要高 3.非線性失真要小 圖9-29功放管外形圖 9.4功率放大器 4.功放管的散熱要好 9.4.2功率放大器的分類 1.按功放管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置分類 圖9-30功率放大器的三種工作狀態(tài) 1)甲類功率放大器：靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)的中部，功放管在整個(gè) 信號(hào)周期內(nèi)都有電流通過，輸出波形是完整的正弦波。 2)乙類功率放大器：靜

13、態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在橫軸上，功放管僅在信號(hào)的 半個(gè)周期內(nèi)有電流通過，其輸出波形被削掉一半。 9.4功率放大器 3)甲乙類功率放大器：靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在甲類和乙類之間且靠近乙類 處，功放管在半個(gè)多周期內(nèi)有信號(hào)電流通過，輸出波形被削掉一部 分。 2.按功率放大器輸出端特點(diǎn)不同分類 9.4.3互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器 1.雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器 (1)電路基本結(jié)構(gòu)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的原理電路及波形圖如圖9- 31所示。 圖9-31互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的原理電路及波形圖 9.4功率放大器 (2)工作原理靜態(tài)時(shí)，兩管均無直流偏置而截止，故IB=0，IC=0， 因此放大器工作在乙類狀態(tài)。 (3)主要性能指標(biāo)估算 1) 輸

14、出功率Po。 2)管耗PT。 3)直流電源供給的功率PDC。 4)效率。 5)功放管的選擇。 9.4功率放大器 (4)交越失真及其消除方法在乙類功率放大電路中，VT1、VT2兩管 發(fā)射結(jié)都沒有設(shè)置偏置電壓，當(dāng)輸入信號(hào)電壓ui小于死區(qū)電壓時(shí)， 兩管均處于截止?fàn)顟B(tài)，故輸出信號(hào)的波形在過零點(diǎn)附近的一個(gè)區(qū)域 都將出現(xiàn)明顯的失真，這種失真稱為交越失真，如圖9-32所示。 圖9-32交越失真 9.4功率放大器 圖9-33OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器 2.單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器(OTL電路) 9.4功率放大器 圖9-34OTL電路 9.4.4集成功率放大器 9.4功率放大器 1.LM386 圖9-35L

15、M386外形及引腳排列 9.4功率放大器 2.LM386應(yīng)用電路 圖9-36LM386的應(yīng)用電路 9.4功率放大器 本 章 小 結(jié) 1.差分放大器是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路形式，其特點(diǎn)是電路對(duì) 稱。 2.集成運(yùn)算放大器實(shí)際使用時(shí)，通常把它看成是一個(gè)理想器件，集 成運(yùn)算放大器的理想化條件是：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud、開 環(huán)差模輸入電阻Rid、開環(huán)差模輸出電阻Rod0、共模抑制比KCM R、沒有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)也為零。 3.集成運(yùn)算放大器有線性和非線性應(yīng)用兩大類。 4.使用集成運(yùn)算放大器應(yīng)考慮散熱、消振、電路的調(diào)零及設(shè)置電源 極性錯(cuò)接保護(hù)、輸入保護(hù)、輸出保護(hù)電路等問題。 9.4功率放大器 5.功率放大器的任務(wù)是在允許的失真范圍內(nèi)安全、高效率地輸出盡 可能大的功率。 習(xí)題與思考題 圖9-37題