電路與電子技術(shù) 第6章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用2

1、6.2.3 中間級中間級采用有源負(fù)載的共射放大電路采用有源負(fù)載的共射放大電路 中間級的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，要求中間級本身具有較高的電壓增益，同時為了減少對前級的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。共射放大電路具有較高的電壓放大倍數(shù)，而且，為了提高電壓放大倍數(shù)，比較有效地方法是增大集電極電阻Rc。集成電路：一是集成電路的工藝不便于集成大電阻；二是為了維持放大管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc的同時必須提高電源電壓，當(dāng)電源電壓增大到一定程度時，電路的設(shè)計就變得不合理了。三極管工作在放大區(qū)（也稱恒流區(qū)）時，c-e之間的等效電阻rce的值很大。因此，在集成運(yùn)放中，常采用由三極管構(gòu)成的電流源取代Rc

2、，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可得到很大的等效的Rc。這樣的電路稱之為有源負(fù)載稱之為有源負(fù)載。另外，中間級的放大管有時采用復(fù)合管復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式，這樣可以有很高的電流放大系數(shù)，以便提高本級的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級的輸入電阻，特別是在前級采用有源負(fù)載時，其效果是提高了集成運(yùn)放總的電壓放大倍數(shù)。復(fù)合管的幾種接法 2112bcII1. 復(fù)合管的接法及其復(fù)合管的接法及其和和rbe1bI1b1I1b21I1bI1bI1b21Ibce 12 bce 12 復(fù)合管可由兩個或兩個以上三極管組合而成。復(fù)合管的接法有多種，它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由

3、不同類型的三極管組成為NPN型或同為PNP型。bce =121bI1bI1b21Ice =121bIb1bI1bI1b21Iececbb綜合上圖所示的幾種復(fù)合管，可以得出以下結(jié)論： 復(fù)合管的復(fù)合原則：復(fù)合管的復(fù)合原則：一是一是在前后兩個三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實際方向一致，以便形成適當(dāng)?shù)碾娏魍?，否則電路不能形成通路，復(fù)合管無法正常工作。 二是二是為了實現(xiàn)電流放大，應(yīng)將前級管的集電極電流或發(fā)射極電流作為后級管的基極電流，外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個三極管均為發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，使兩管都工作在放大區(qū)。1）由兩個相同類型的三極管組成的復(fù)合管

4、，其類型與原來相同。復(fù)合管的12，復(fù)合管的rbe = rbe1 +（1 +1）rbe2 。 2）由兩個不同類型的三極管組成的復(fù)合管，其類型與前級三極管相同。復(fù)合管的=1（1 + 2）12，復(fù)合管的rbe = rbe1 。 其中三極管T1和T2組成的NPN型復(fù)合管是放大管，是T3管的有源負(fù)載。RUVI4BECCREF- 根據(jù)基準(zhǔn)電流IREF，即可確定放大管的集電極靜態(tài)電流ICQ。當(dāng)2時，ICQIREF。 2. 由復(fù)合管構(gòu)成的由復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載有源負(fù)載共射放大電路共射放大電路集成運(yùn)放的輸出級應(yīng)有較低的輸出電阻，以提高電路的帶負(fù)載能力。同時，也希望有較高的輸入電阻，以免影響中間級共射電路的電壓放

5、大倍數(shù)。復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路T3與T4組成鏡像電流源，作為偏置電路，負(fù)責(zé)為放大管提供合適的集電極直流偏置電流ICQ。由圖可得，基準(zhǔn)電流IREF由VCC、T4和R支路產(chǎn)生，其表達(dá)式為：例：例： 擴(kuò)音系統(tǒng)擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大電路的用作放大電路的輸出級輸出級，以，以驅(qū)動驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。儀表指針偏轉(zhuǎn)等。 功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號號提提取取6.2.4 輸出級輸出級功率放大電路功率放大電路 集成運(yùn)放的輸出級是向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采

6、用互補(bǔ)對稱的功率放大電路。（2）為獲得足夠大的不失真輸出功率，功率放大電路中的電壓、電流幅度都很大，使輸出信號容易產(chǎn)生非線性失真，這就需要根據(jù)負(fù)載要求規(guī)定允許的失真度范圍。1. 功率放大電路的特點（1）射極輸出器的輸出電流較大，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，通常采用射極輸出器作為基本的功率放大電路。實用的功率放大電路中大多采用雙管的互補(bǔ)對稱電路形式。（3）為提高功率放大電路的效率，需盡可能降低其靜態(tài)工作電流。但靜態(tài)工作電流太小容易引起輸出信號的失真，互補(bǔ)對稱電路可消除其非線性失真。甲類放大狀態(tài) QM,OAMNUCEQUCCUcemuCEBiCIcmICQ 低頻功率輸出級按功放管的工作狀態(tài)，可分為甲

7、類、乙類、甲乙類三種。它們各有特點。 甲類放大電路的工作點設(shè)置在放大區(qū)的中間甲類放大電路的工作點設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)優(yōu)點點是在輸入信號的整個周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號失真?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯箅娐范脊ぷ髟谶@種狀態(tài)）。2. 功放管的三種工作狀態(tài)功放管的三種工作狀態(tài) 缺點是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ，這時管耗PC大，而且甲類放大時，不管有無輸入信號，電源供給的功率是不變的。甲類放大電路的效率最高也只有50%，那些對于輸出功率及效率要求不高的功率放大電路可以采用甲類。甲類功率放大電路的工作狀態(tài)如左圖所示甲類功率放大電路的工作狀態(tài)如左圖所示 乙類放大狀態(tài) QUcemuCEiCI

8、cmO 如果在甲類的基礎(chǔ)上，把靜態(tài)工作點Q向下移動，使靜態(tài)電流ICQ等于零，這樣就能改變甲類放大時效率低的狀況，這種工作方式下的電路稱為乙類乙類放大電路。乙類放大乙類放大電路的工作點設(shè)置在截止區(qū)電路的工作點設(shè)置在截止區(qū)。乙類放大電路提高了能量的轉(zhuǎn)換效率，在理想情況下效率可達(dá)78.5%，但此時卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，在輸入信號的整個周期，僅在半個周期內(nèi)三極管導(dǎo)通，有電流流過，只能對半個周期的輸入信號進(jìn)行放大。乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示 甲乙類放大狀態(tài) QUcemuCEiCIcmO 如果將工作點如果將工作點Q設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，使

9、三極管的導(dǎo)通時間大于信號的半個周期，且小于一個周期，這類工作方式下的電路稱為甲乙類甲乙類放大電路。目前常用的音頻功率放大電路中，功放管多數(shù)是工作在甲乙類放大狀態(tài)。這種電路的效率略低于乙類放大，但它克服了乙類放大電路的失真問題，目前使用較廣泛。甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示 3. 雙電源互補(bǔ)對稱電路雙電源互補(bǔ)對稱電路 (OCL:output Capacitorless電路電路) Ow tuiOuow t+ UCC-UccT1T2uiuoRL1ci2ciw tO2ciw tO1ci1）電路圖）電路圖RLuiuo+ UCCT11ci正半周RLT2uiuo-

10、UEE2ci負(fù)半周 T1、T2管交替工作, 流過RL的電流為一完整的正弦波信號, 波形如上圖所示。由于該電路中兩個管子導(dǎo)電特性互為補(bǔ)充, 電路對稱, 因此該電路稱為互補(bǔ)對稱功率放大電路。稱為無輸出電容的功率放大電路，即OCL（Output Capacitorless）2 指標(biāo)計算指標(biāo)計算 O波形QUCCUcemuCEIcmUcesUCE波形波形Icm2IcmOUcesUcem2UcemABOuCEUcesQiBL1R(a)(b)1ci2ci1ci1ci1Bi1Bi雙電源互補(bǔ)對稱電路的圖解分析雙電源互補(bǔ)對稱電路的圖解分析 （1）最大輸出功率：）最大輸出功率：當(dāng)輸入信號足夠大時，可使負(fù)載獲得最大輸

11、出功率。負(fù)載電壓為正弦波形，若忽略管子的飽和壓降，其幅值（最大值）為：Uom = VCCLCCLomomRVRUI則OCL電路的最大輸出功率為： 負(fù)載電流幅值為：如果考慮管子的飽和壓降UCES，則最大輸出功率為：cemURUVRP2L2CESCCLom21)(21乙類乙類OCL互補(bǔ)對稱功率放大電路的主要工作指標(biāo)如下：互補(bǔ)對稱功率放大電路的主要工作指標(biāo)如下：L2CComomom2122RVIUPIcm2IcmOUcesUcem2UcemABOuCEUcesQiBL1R2ci1ciVCC （2）電源提供功率）電源提供功率：直流電源的電壓為VCC，電流即為管子中的集電極電流。因此，在一個周期里兩個電

12、源提供的平均功率為：L2CCLcemCC0CmCCVm22)d(sin212RVRUVttIVPwwIcmw ticO因此, 直流電源UCC供給的功率為cmcmcTIttdItdiIwww1)(sin21)(2101201LCCLmmRVRUICC負(fù)載電流幅值為：這是在輸入信號足夠大時得到的電源功率。 100VoPP當(dāng)輸入信號足夠大，并忽略管子的飽和壓降UCES時，其效率為：%578%1004%100mVmoPP這是理想狀態(tài)的效率，實際效率要比這個數(shù)值小。 （3）效率）效率：放大電路的輸出能量是由直流電源提供的，因此電路的工作效率是指輸出功率和電源提供功率的比值，即L2CC2CESCCLom2

13、)(21RVUVRPL2CCVm2RVP （4）每個管子的最大管耗：）每個管子的最大管耗：直流電源提供的功率與輸出功率之差就是消耗在三極管的功率，即管耗PT?？汕蟮卯?dāng)CCCCom63. 02VVU管子c -e間承受的最大電壓：為2VCC。CCLoVUttIRU22)d(sin1cem0Cmmww 消耗在晶體管的功率為電源功率減去輸出最大功率即：PT=PVmPOm，由于POm與PVm均與信號的幅值有關(guān)，故PT也隨之變化。為了求出何時管耗最大，令為了求出何時管耗最大，令上式對K的導(dǎo)數(shù)為0時，PT將為最大值CCcemVUK 2L2CCL2CCL2cemLcemCCT2222KRVKRVRURUVP0

14、222ddL2CCL2CCTKRVRVKPLcemCC0CmCCVm2)d(sin212RUVttIVPww2L2CESCCLom21)(21cemURUVRPCCcemKVU2K 每個管子的管耗約為0.2POmax，當(dāng)輸出功率最大(K=1)時，總管耗約為0.27POmaxL22CC2L2CCL2CCTmax24222RVRVRVP將 代入PT式中得2KCCcemVU即CCcemVUK K=1OmOmL2CC2L2CCL2CCT27. 042)4(22PPRVKRVKRVPL2CCom2RVPL2CCVm2RVPOmOm24 . 04PPw tio , uo交越失真OOuBEOw tui11C

15、B,ii22CB,ii 交越失真：交越失真：乙類電路由于靜態(tài)電流為零，因此效率較高；但是它會產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真，這是因為當(dāng)輸入電壓ui小于管子的死區(qū)電壓時，兩個管子均是截止的，這段范圍里的輸出電壓uo = 0，從而在輸出電壓的交越處產(chǎn)生不連續(xù)的間斷點，這種失真稱這種失真稱為交越失真為交越失真，如圖所示。 交越失真交越失真是由于管子工作在乙類狀態(tài)引起的，為了克服這個缺點，實用電路都采用甲乙類互補(bǔ)對稱電路。3） 存在問題存在問題 消除交越失真的辦法消除交越失真的辦法 為克服乙類電路產(chǎn)生的交越失真為克服乙類電路產(chǎn)生的交越失真，實際工作時采用圖所示的甲乙類甲乙類OCL互補(bǔ)互補(bǔ)對稱功率放大電路對稱功率放

16、大電路。圖中通過電阻R1和R2及兩個二極管為三極管T1和T2建立了較小的靜態(tài)基極電流，使其在靜態(tài)時已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這種偏置方式稱為甲乙類電稱為甲乙類電路路。由于三極管已導(dǎo)通，當(dāng)加入輸入信號ui后，輸出電流流過負(fù)載時，在負(fù)載上得到輸出電壓，在正負(fù)交替處比較平滑，因在正負(fù)交替處比較平滑，因此輸出波形此輸出波形將是較為理想的正弦波。 （2）甲乙類）甲乙類OCL電路電路 在甲乙類電路中為減小靜態(tài)損耗，提高效率，通常工作點選得很低。甲乙類電路的工作狀況和乙類基本相似，各項技術(shù)指標(biāo)可按乙類電路方式估算。 圖所示電路中，由于靜態(tài)時T1、T2兩管的發(fā)射極電位為零，故負(fù)載可直接連接到發(fā)射極，不采用耦合電容，因

17、此稱為不采用耦合電容，因此稱為OCL電路電路。其優(yōu)點是優(yōu)點是低頻效應(yīng)好，便于集成。缺點是需兩個獨立電源缺點是需兩個獨立電源，使用很不方便。為簡化電路，采用單電源供電的互補(bǔ)對稱功率放大電路，如圖所示。兩圖相比省去了一個負(fù)電源（-VCC），在兩管的發(fā)射極與負(fù)載之間增加了電容C，這種電路通常稱為無輸出變壓器的功率稱為無輸出變壓器的功率放大電路放大電路，即OTL（Output Transformless）功率放大電路）功率放大電路。4. OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路R1D1D2T1T2UCCUi+-RLR2R+R1D1D2T1T2UCCUi+-RL-UCCR2R+OTLOCL 為了消

18、除交越失真，必須克服三極管死區(qū)電壓的影響。方法是在T1和T2的基極之間接入一個導(dǎo)電支路，使靜態(tài)時存在一個較小的電流從+VCC流經(jīng)RC、R、D1、D2、R2到-VCC，在T1和T2的基極之間產(chǎn)生一個電位差，故靜態(tài)時兩只三極管已有較小的基極電流，因而兩管也各有一個較小的集電極電流。當(dāng)輸入正弦電壓uI時，在正、負(fù)半周兩管分別導(dǎo)電的過程中，將有一段短暫的時間T1、T2同時導(dǎo)電，避免了兩管同時截止，因此交替過程比較平滑，減小了交越失真。R1D1D2T1T2UCCUi+-RL-UCCR2R+無輸出變壓器的功率放大電路無輸出變壓器的功率放大電路OTL（Output Transformless）OTL互補(bǔ)互補(bǔ)

19、功放功放電路電路互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路 如集成運(yùn)放輸出端的負(fù)載電流比較大，必須要求互補(bǔ)對稱管T1和T2是能輸出大電流的三極管。但是，大電流的三極管一般值較低，因此就需要中間級輸出大的推動電流提供給輸出級。在集成運(yùn)放電路中，中間級一般是電壓放大，很難輸出大的電流。5. 由復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱功率放大電路由復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱功率放大電路 為解決此問題，一般輸出級采用由復(fù)合管構(gòu)成的互補(bǔ)對稱電路。如下圖所示。這種互補(bǔ)對稱電路有一個缺點，大功率三極管T3是NPN型，而T4是PNP型，它們類型不同，很難做到特性互補(bǔ)對稱它們類型不同，很難做到特性互補(bǔ)對稱。 為了克服這個缺點，可使T3和T

20、4采用同一類型甚至同一型號的三極管，例如二者均為NPN型，而T2則用另一類型的三極管，如PNP型，如圖所示。此時T2與T4組成的復(fù)合管為PNP型，可與T1、T3組成的NPN型復(fù)合管實現(xiàn)互補(bǔ)。這種電路稱為準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路。圖中接入電阻R e1和R c2是為了調(diào)整功率管T3和T4的靜態(tài)工作點。為解決類型不同，特性互補(bǔ)不對稱采用下面電路為解決類型不同，特性互補(bǔ)不對稱采用下面電路6.3 集成運(yùn)放的典型電路及性能指標(biāo)集成運(yùn)放的典型電路及性能指標(biāo)6.3.1 雙極型集成運(yùn)放雙極型集成運(yùn)放F007F007屬于第二代通用型集成運(yùn)放，目前應(yīng)用比較廣泛。F007的外形常見的為圓殼式，共有12個引腳，如圖

21、（a）所示。各引腳與外電路的連接示意圖見圖（b）。1) 引腳引腳2)原理圖：包括四部分：偏置電路、差分放大輸入級、中間級以及輸出級和過載保護(hù)電路。 15 VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5IR30 pFR7R8V15V18V19V14VD1VD2R9R10 15 V8uiIC1 k50 kRw3 k39 kC4.5 k7.5 k50 k25 kuo外接調(diào)零電位器輸入級偏置電路中間級輸出級9IC101 kF007的電路原理圖的電路原理圖T1T2T3T5T4T7T6T8T9T12T13T15T14T16T17T18T19T10D

22、1D2雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用準(zhǔn)互補(bǔ)電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級三級放大電路簡化電路、分解電路1 、找出偏置電路、找出偏置電路 若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。551112RUUUUIBEBEccCCR34910IIICC10CI34I9CIT8和T9不僅是鏡像電流源, 而且還與T10、T11組成微電流源共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。Q點的穩(wěn)定T（） IC1IC2 IC8IC9與IC8為鏡像關(guān)系 IC9因為IC10不

23、變 IB3IB4 IE3IE4 IC1IC2共集-共基形式T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出2 、輸入級、輸入級T7的作用：抑制共模信號 放大差模信號T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，增大電壓放大倍數(shù)。特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對“地”輸出）。作用？+_輸入級輸入級輸入級的主要作用是減小零漂，提高共模抑制比+中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。F007的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級3 、 中間

24、級中間級 中間級不僅能提供很高的電壓放大倍數(shù)，中間級不僅能提供很高的電壓放大倍數(shù)，而且具有很高的輸入電阻而且具有很高的輸入電阻準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級電路消除交越失真（R7、R8） D1和D2起過流保護(hù)作用未過流時，兩只二極管均截止。iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T14基極分流，從而保護(hù)了T14。特點輸出電阻小最大不失真輸出電壓高79O14BE1DRURiUU輸出級電流采樣電阻4 、 輸出級和過載保護(hù)輸出級和過載保護(hù) 輸出級采用這種準(zhǔn)互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)，主要是為了提高運(yùn)放的輸出功率和帶負(fù)載能力。判斷同相輸入端和反相輸入端F007電路分析（同學(xué)自行分析）電路分析（同學(xué)自行分析）T3和和T4組成共基放大電路，共基

25、電路是同相放大組成共基放大電路，共基電路是同相放大開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益AOd 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益是指集成運(yùn)放無外加反饋時輸出電壓與是指集成運(yùn)放無外加反饋時輸出電壓與輸入差模電壓之比。輸入差模電壓之比。OOdIdUAU+AOdUO+UId_+AOd的含義的含義AOd(dB)=20lgAOd 它是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的重要因素。目前高增益的它是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的重要因素。目前高增益的集成運(yùn)放集成運(yùn)放的的AOd可達(dá)到可達(dá)到107以上。以上。常以分貝常以分貝(dB)表示：表示： 6.3.2 集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO 為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。它表征了 輸入級差分對管UBE的失調(diào)程度，在一定程度上反映了溫漂的大小。高質(zhì)量的產(chǎn)品UIO在1mV以下。輸入失調(diào)電壓的溫漂輸入失調(diào)電壓的溫漂 它是指在規(guī)定工作范圍內(nèi)UIO的溫度系數(shù)，是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)，這個