《電工與電子技術(shù)教案》放大電路及集成運(yùn)放

中等職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材〔非電類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)〕?電工與電子技術(shù)〔第2版〕?

電子教案主編馮滿順第9章

放大電路和

集成運(yùn)算放大器

第9章放大電路和集成運(yùn)算放大器

9.1根本放大電路9.2反響在電子電路中的應(yīng)用9.3功率放大器9.4集成運(yùn)放及其應(yīng)用

9.1根本放大電路9.1.1根本共射放大電路9.1.2放大電路的工作原理9.1.3放大電路的分析方法9.1.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與穩(wěn)定9.1.5放大電路的應(yīng)用實(shí)例

1.根本共射放大電路的組成9.1.1根本共射放大電路〔1〕放大電路的組成原那么—發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。〔2〕根本共射放大電路各元器件作用①三極管V是放大電路的核心元件，放大電路工作時(shí)主要依靠三極管的電流放大作用。②電源VCC是放大器的能源，它和阻值適宜的Rb、Rc相配合，可使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，以滿足三極管放大的外部條件。③Rb是基極偏流電阻，改變Rb的阻值，即可改變基極偏流IB的大小，從而改變了三極管的工作狀態(tài)。假設(shè)把Rb開(kāi)路，IB=0，將導(dǎo)致放大器不能正常放大。④集電極負(fù)載電阻Rc將放大后的電流IC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)镽c上電壓的變化，從而引起uce的變化，這個(gè)變化電壓就是輸出電壓uo。⑤耦合電容C1和C2它們分別接在放大電路的輸入端和輸出端，利用電容器對(duì)交流電的阻抗很小，交流電很容易通過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合。又利用電容器對(duì)直流電的阻抗很大來(lái)隔斷直流，從而防止信號(hào)源與放大電路之間、放大電路與負(fù)載之間直流電流的相互影響。因此耦合電容的作用是“隔直通交〞。

1.靜態(tài)9.1.2放大電路的工作原理〔1〕靜態(tài)——放大器未加輸入信號(hào)即ui=0時(shí)，電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)?！?〕靜態(tài)工作點(diǎn)——靜態(tài)時(shí)電路中沒(méi)有變化量，電路中的電壓、電流都是直流量，如下圖，此時(shí)直流量IB、IC、UCE的值稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，簡(jiǎn)稱Q點(diǎn)?！?〕直流通路——要分析計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓電流IB、IC、UCE，就應(yīng)先畫(huà)出放大電路的直流通路。直流通路是放大電路中直流通過(guò)的路徑。由于電容器具有隔斷直流的作用，因此畫(huà)直流通路時(shí)電容相當(dāng)于開(kāi)路。左以下圖是右上圖放大電路的直流通路。

2.動(dòng)態(tài)9.1.2放大電路的工作原理〔1〕動(dòng)態(tài)——放大器輸入端參加信號(hào)時(shí)，電路的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)?！?〕動(dòng)態(tài)工作情況——輸入信號(hào)ui疊加在直流的UBE上，即uBE=UBE+ui基極電流iB=IB+ib經(jīng)過(guò)放大iC=IC+icuCE=VCC-RciC=VCC-Rc〔IC+ic〕=VCC-RcIC-Rcic=UCE-Rcic由于C2的隔直通交，輸出電壓只有交流分量，即uo=uce=-Rcic

只要Rc取值適當(dāng)，就可使uo比ui大許多倍，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。另可看見(jiàn)，uo和ui的相位相反，這是共射放大電路所具有的倒相作用?！?〕交流通路——放大電路中交流通過(guò)的路徑。由于對(duì)頻率較高的交流信號(hào)，電容器相當(dāng)于短路；同時(shí)對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，直流電源可視為短路。左以下圖是右上圖放大電路的交流通路。

3.放大電路的非線性失真9.1.2放大電路的工作原理由于靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，輸出信號(hào)將出現(xiàn)失真。這種失真是由于三極管的非線性所造成的，因而稱為非線性失真?！?〕截止失真——假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)太低，即IB、IC太小，如右上圖所示，輸入信號(hào)疊加在直流量〔2〕飽和失真——假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)太高，即IB、IC太大，如左以下圖所示，放大后的iC已經(jīng)超出了三極管飽和時(shí)集電極電流ICS=VCC/RC，因此使iC未變化到正半周的頂部即被削去，與此相應(yīng)uRc的正半周也被削去，反相后uCE和uo的負(fù)半周被削去，這種失真是由于三極管飽和所造成的，故稱為飽和失真。如果調(diào)節(jié)Rb并使之增大，那么可消除飽和失真。上后，負(fù)半周仍處在發(fā)射結(jié)的死區(qū)或仍使發(fā)射結(jié)處于反偏，這樣iB、iC、uRc的負(fù)半周被削去，反相后uCE和uo的正半周被削去，這種失真是由于三極管的發(fā)射結(jié)截止所造成的，故稱為截止失真。如果調(diào)節(jié)Rb并使之減小，那么可消除截止失真。

9.1.3

放大電路的分析方法例9-1如圖9-11放大電路中Rb=470k、Rc=6k，β=50，UBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF，試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓電流IB、IC、UCE。解先畫(huà)出如圖9-11〔a〕放大電路的直流通路如圖9-11〔b〕所示。對(duì)IB回路應(yīng)用KVL，得IBRb+UBE=VCC那么IB=〔VCC-UBE〕/Rb=〔20-0.7)V/470kΩ=40μA;這里VCC?UBE，故UBE可忽略，工程上經(jīng)常采用這種近似估算。IC=βIB=50×40=2mAUCE=VCC-ICRc=20-2×6=8V因此放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓電流為IB=40μA、IC=2mA、UCE=8V。1．靜態(tài)工作點(diǎn)的估算先畫(huà)出放大電路的直流通路，然后求解直流通路。9.1.3

放大電路的分析方法輸入端b、e兩極間等效為三極管的輸入電阻rbe=300+(1+β)26/IE(Ω)輸出端c、e兩極間等效為一個(gè)受根本電流ib控制的電流源，其輸出電流為ic=βib?！?〕放大器的輸入電阻Ri是從放大器輸入端往里看進(jìn)去的等效電阻,Ri=Ui/IiRi愈大的放大器，表示其輸入回路所索取的信號(hào)電流ii愈小。從圖9-14放大器的微變等效電路可見(jiàn)：Ri=Rb//rbe≈rbe?！?〕放大器的輸出電阻從放大器的輸出端往里看進(jìn)去，整個(gè)放大器可看成是一個(gè)等效電阻為Ro、等效電動(dòng)勢(shì)為uo的電壓源，這個(gè)等效電阻就是放大器的輸出電阻。從圖9-14放大器的微變等效電路可見(jiàn)：Ro=Rc。2．放大電路的動(dòng)態(tài)分析〔2〕放大器的電壓放大倍數(shù)Au定義為輸出電壓uo與輸入電壓ui之比，即Au=uo/ui〔1〕三極管的微變等效電路估算電壓放大倍數(shù)的方法是：先畫(huà)出放大器的微變等效電路如圖9-14所示；然后分別寫(xiě)出uo和ui的表達(dá)式，即

ui=ibrbe；uo=-icRc=-βib

Rc；根據(jù)定義

Au=uo/ui

=-βib

Rc/ibrbe=-β

Rc/rbe;上式中的負(fù)號(hào)表示共射放大電路uo和ui反相。9.1.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與穩(wěn)定根本共射放大電路的偏置電阻一經(jīng)選定，IB也隨之確定為恒定值，因此這種電路也稱為固定偏置電路。當(dāng)溫度升高時(shí)β增大、ICEO增大，使得IC增大、UCE下降，從而產(chǎn)生飽和失真。因此要使uo波形不失真，就要穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；首先要穩(wěn)定靜態(tài)IC的值。

如圖9-16所示的分壓式偏置穩(wěn)定電路有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

第一，利用電阻Rb1和Rb2分壓來(lái)穩(wěn)定基極電位，由于IB很小，I1?IB，那么I1≈I2，這樣基極電位為UB=VCCRb2/(Rb1+Rb2)由于UB是由VCC經(jīng)Rb1和Rb2分壓決定，故不隨溫度變化。第二，利用發(fā)射極電阻Re來(lái)獲得反映電流IE變化的信號(hào)，反響到輸入端，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。其過(guò)程T℃↑→IC↑→UE↑→UBE↓→IB↓IC↓←───────┘通常UB?UBE，所以發(fā)射極電流：IC=(UB-UBE)/RE〔9-5〕根據(jù)I1?IB和UB?UBE兩個(gè)條件得到的式〔9-5〕說(shuō)明了UB和IC是穩(wěn)定的，根本上不隨溫度而變，而且也根本上與管子的參數(shù)β無(wú)關(guān)。9.1.5放大電路的應(yīng)用實(shí)例

三極管放大電路有比較廣的應(yīng)用，假設(shè)要把微弱的電信號(hào)放大，就可使用三極管放大電路。圖中V1管是光電三極管，沒(méi)有光照時(shí)光電三極管截止，電阻大；有光照時(shí)光電三極管導(dǎo)通，電阻小。以圖9-17〔a〕為例，當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)V1管截止，電阻大，V2管截止，輸出電壓uo≈VCC；當(dāng)有光照時(shí)V1管導(dǎo)通，電阻小，V2管導(dǎo)通，輸出電壓uo≈0。這樣把光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓的上下，并把信號(hào)傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。光電檢測(cè)與控制電路可作為探測(cè)器，用于保護(hù)銀行和不允許其它人進(jìn)入等重要場(chǎng)所。9.2反響在電子電路中的應(yīng)用9.2.1多級(jí)放大電路9.2.2放大電路中的負(fù)反響9.2.3正弦波振蕩電路9.2.1多級(jí)放大電路

1.多級(jí)放大電路的組成方框圖前后級(jí)直接連接起來(lái)，如圖〔b〕。由于直接連接，使各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，調(diào)整困難。直接耦合放大電路既能放大交流信號(hào)又能放大直流信號(hào)而獲得廣泛應(yīng)用。在集成電路中須采用直接耦合?！?〕變壓器耦合—通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)級(jí)間耦合。一般都不采用變壓器耦合。〔1〕阻容耦合—級(jí)間通過(guò)耦合電容與下級(jí)輸入電阻連接，如圖〔a〕。電容有隔直作用，使各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互沒(méi)有影響，因而各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)可以單獨(dú)計(jì)算。輸入級(jí)直接連接信號(hào)源，一般要求它的輸入電阻高一些。輸入級(jí)和中間級(jí)的任務(wù)是電壓放大。中間級(jí)根據(jù)需要可以是多級(jí)的電壓放大電路，將微弱的輸入電壓放大到足夠的幅度。輸出級(jí)用作功率放大，向負(fù)載輸出所需的功率。2.耦合方式多級(jí)放大電路中每?jī)蓚€(gè)單級(jí)放大電路之間的連接稱為耦合

〔2〕直接耦合—不經(jīng)過(guò)電抗元件，把3.總的電壓放大倍數(shù)Au=Au1·Au2·Au3……Aun

9.2.2放大電路中的負(fù)反響1.反響的根本概念—將輸出量〔電壓或電流〕的一局部或全部回送到輸入端〔1〕反響支路—把輸出端和輸入端聯(lián)系起來(lái)的支路。要判斷一個(gè)放大電路是否有反響，只要看放大電路中是否存在反響支路。2.反響放大器的類(lèi)型〔2〕反響放大器的組成開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=XO/Xi‘反響系數(shù)F=Xf/XO閉環(huán)放大倍數(shù)Af=XO/XI=A/〔1+AF〕≈1/F〔1〕反響極性反響使放大器的凈輸入量得到增強(qiáng)的是正反響；反之，使放大器的凈輸入量減弱的那么是負(fù)反響。通常采用“瞬時(shí)極性法〞來(lái)判斷反響的極性。例9-2試判斷圖9-19〔a〕所示電路的反響極性。解判斷過(guò)程的瞬時(shí)極性如圖9-19〔a〕所示。凈輸入電壓ui減小，因此是負(fù)反響。2.反響放大器的類(lèi)型〔2〕交流反響和直流反響反響回來(lái)的信號(hào)如果是交流量，那么是交流反響；反之，如果是直流量，那么是直流反響。如圖9-19〔a〕存在交流反響，圖9-19〔b〕存在直流反響。9.2.2放大電路中的負(fù)反響〔4〕串聯(lián)反響和并聯(lián)反響對(duì)于串聯(lián)反響，其反響信號(hào)和輸入信號(hào)是串聯(lián)的；對(duì)于并聯(lián)反響，其反響信號(hào)和輸入信號(hào)是并聯(lián)的。如圖9-19〔a〕中反響信號(hào)uf和凈輸入信號(hào)ui＇疊加，故是串聯(lián)反響。如圖9-22中反響信號(hào)if和凈輸入信號(hào)ii＇疊加，故是并聯(lián)反響?！?〕電壓反響和電流反響如果反響支路的取樣對(duì)象是輸出電壓，那么稱為電壓反響；如果反響支路的取樣對(duì)象是輸出電流，那么稱為電流反響。如圖9-19〔a〕可見(jiàn)，反響支路接在輸出端，取樣對(duì)象是輸出電壓，故是電壓反響。而圖9-19〔b〕反響支路未直接接在輸出端，取樣對(duì)象是輸出電流，故是電流反響。四種類(lèi)型的負(fù)反響放大電路——電壓串聯(lián)負(fù)反響、電流串聯(lián)負(fù)反響、電壓并聯(lián)負(fù)反響、電流并聯(lián)負(fù)反響。9.2.2放大電路中的負(fù)反響3.負(fù)反響放大器的特性〔1〕提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性—負(fù)反響放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定性的提高，是以減小放大倍數(shù)為代價(jià)的。負(fù)反響越深，放大倍數(shù)降低越多，放大器工作卻更加穩(wěn)定?！?〕減小放大器的非線性失真由于放大器的〔3〕展寬放大器的通頻帶把放大器對(duì)不同頻率的正弦信號(hào)的放大效果稱為放大器的頻率響應(yīng)，其中放大倍數(shù)的大小和頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性。規(guī)定當(dāng)放大倍數(shù)下降為0.707Aum時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率，分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH，在這兩個(gè)頻率之間的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用BW表示，即BW=fH-fL，通頻帶愈寬，表示放大器工作的頻率范圍愈寬。引入負(fù)反響后雖然各種頻率的信號(hào)放大倍數(shù)都有下降，但通頻帶卻加寬了。靜態(tài)工作點(diǎn)如果選得不適宜，輸出信號(hào)波形將產(chǎn)生飽和失真或截止失真。這種失真可以利用負(fù)反響造成一個(gè)預(yù)失真的波形來(lái)進(jìn)行矯正。同樣道理，負(fù)反響可以減小由于放大器本身所產(chǎn)生的干擾和噪聲。9.2.2放大電路中的負(fù)反響3.負(fù)反響放大器的特性〔4〕改變輸入電阻和輸出電阻1〕改變輸入電阻但凡串聯(lián)負(fù)反響，因反響信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，故使輸入電阻增大；但凡并聯(lián)負(fù)反響，因反響信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，故使輸入電阻減小。2〕改變輸出電阻但凡電壓負(fù)反響，因具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，使其接近于恒壓源，故使輸出電阻減??；但凡電流負(fù)反響，因具有穩(wěn)定輸出電流的作用，使其接近于恒流源，故使輸出電阻增大。綜上所述，負(fù)反響使放大器的放大倍數(shù)減小，但使放大器其它性能得到改善。而正反響使放大器的放大倍數(shù)增大，利用這一特性可組成振蕩電路。9.2.3正弦波振蕩電路不需要外加輸入信號(hào)，能夠自行產(chǎn)生特定頻率的交流輸出信號(hào)，從而將電源的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸出，這種電路就稱為自激振蕩電路。

1．自激振蕩的條件

自激振蕩如果在根本放大器中引入正反響，如圖9-25方框圖所示，那么使uo越來(lái)越大。

既然如此，干脆把輸入信號(hào)ui去掉，用代替輸入信號(hào)，即在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下也能保持一定的輸出信號(hào)幅度，這就是自激振蕩器，方框圖如圖9-26所示。由圖可見(jiàn)，A=uo/u‘i，F(xiàn)=uf/u’i，uf=u‘i，因此

自激振蕩的條件

AF=1

相位平衡條件uf與u'i必須同相位，也就是要求正反響。幅值平衡條件AF=1，即uf與uI值相等。振蕩電路是由放大電路和反響網(wǎng)絡(luò)兩大主要局部組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。為了得到單一頻率的正弦波，電路必須具有選頻特性，即只使某一特定頻率的正弦波滿足自激振蕩條件，即應(yīng)包含選頻網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，正弦波振蕩器可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器以及石英晶體振蕩器。9.2.3正弦波振蕩電路2.LC振蕩電路LC振蕩器有變壓器反響式和三點(diǎn)式LC振蕩器。

如圖9-27〔a〕是變壓器反響式振蕩器，其優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，因此振蕩器的效率高、容易起振；其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)頻方便，只要將諧振電容C換成一個(gè)可變電容器，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率的要求。LC振蕩器的振蕩頻率范圍一般為一兆到幾百兆赫，頻率過(guò)低，將使L或C值很大而制作困難，會(huì)使振蕩器體積重量增大損耗加大而不易起振。因此1MHZ以下的正弦波振蕩器多采用RC振蕩器。演示實(shí)驗(yàn)9-4用示波器觀察圖9-28所示LC電感三點(diǎn)式振蕩器的輸出電壓波形。調(diào)節(jié)L、C，可以看到輸出信號(hào)的頻率發(fā)生變化。

圖9-27〔b〕是電感三點(diǎn)式振蕩器，其優(yōu)點(diǎn)是容易起振、調(diào)節(jié)頻率方便、并且調(diào)節(jié)范圍較寬；缺點(diǎn)是振蕩波形差。圖9-27〔c〕是電容三點(diǎn)式振蕩器，其優(yōu)點(diǎn)是振蕩頻率高、振蕩波形好；缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)頻率較困難。LC振蕩器的振蕩頻率為f0=1/。9.2.3正弦波振蕩電路3.RC振蕩器——由兩局部組成?！?〕RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)電路具有選頻特性，如下圖把輸出電壓uo加到RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并從中取出ui加到放大電路的輸入端，可以證明：當(dāng)f0=1/2πRC時(shí)，Ui=U0/3，φ=0?！?〕原理—在放大電路的輸入端的ui〔f=f0的信號(hào)〕經(jīng)兩級(jí)共射放大電路放大后，得到的uo再經(jīng)過(guò)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)回到輸入端的信號(hào)，其相位和ui相同，加強(qiáng)了ui，因而形成正反響，即電路的總的相移φ=φa+φf(shuō)，滿足自激振蕩的相位條件。〔4〕振蕩頻率f0=1/2πRC。〔1〕根本放大電路—是一個(gè)兩級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反響放大電路，有足夠大的放大倍數(shù)，以滿足自激振蕩的幅值條件。由于放大電路是由兩級(jí)共射放大電路組成，因此輸出電壓uo和輸入電壓ui相位相同。即兩級(jí)共射放大電路的相移φa=360°。4.石英晶體振蕩器——石英晶體諧振器是石英晶體振蕩器的核心元件

9.2.3正弦波振蕩電路〔1〕壓電效應(yīng)——在石英晶體諧振器的兩個(gè)電極加交變電壓，晶體將產(chǎn)生機(jī)械形變振動(dòng)，而這一振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)外加交變電壓的頻率正好等于石英晶體的固有頻率時(shí)，振幅突然加大，這種現(xiàn)象稱為諧振。據(jù)分析測(cè)定石英晶體諧振器有兩個(gè)諧振頻率：一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率fS，另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率fP，但這兩者很接近。當(dāng)信號(hào)頻率f正好等于串聯(lián)諧振頻率fS時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)純電阻，可視為一個(gè)很小的電阻；當(dāng)信號(hào)頻率f處于fS和fP之間，石英晶體呈現(xiàn)電感性，可看成電感。2〕并聯(lián)型石英晶體振蕩器——振蕩頻率f0處于fS和fP之間，石英晶體看成電感，和其它元件一起組成三點(diǎn)式LC振蕩電路，如圖9-33所示。由于石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q值很高，故振蕩頻率非常穩(wěn)定，常用于電子鐘、精確計(jì)時(shí)儀器和通訊設(shè)備上?！?〕石英晶體振蕩器1〕串聯(lián)型石英晶體振蕩器——振蕩頻率f0=fS，石英晶體看成一個(gè)很小的電阻，和其它元件一起構(gòu)成正反響電路如圖9-32所示。9.3功率放大器9.3.1功率放大器的任務(wù)、要求和類(lèi)型9.3.2射極輸出器9.3.3互補(bǔ)推挽功率放大器〔OCL電路〕9.3.1功率放大器的任務(wù)、要求和類(lèi)型

1.功率放大器的任務(wù)——供給負(fù)載足夠大的信號(hào)功率。2.放大器的效率——定義為負(fù)載得到的信號(hào)功率Po與電源供給的直流功率PDC之比，即η=Po/PDC3.輸出功率Po——輸出電壓與輸出電流的有效值之積，即Po=UoIo=UomIom/24.電源供給的直流功率PDC——電源電壓與流過(guò)電源的平均電流之積，即PDC=2〔VCC×Iom〕/π5.功率放大器按工作方式來(lái)分，有甲類(lèi)放大、乙類(lèi)放大和甲乙類(lèi)放大。〔1〕甲類(lèi)放大——信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)都有集電極電流通過(guò)三極管。甲類(lèi)放大由于管子始終導(dǎo)通，靜態(tài)工作點(diǎn)比較適中，因此失真很小；但隨之帶來(lái)的是耗電多、效率低，在理想情況下效率僅為50%?！?〕乙類(lèi)放大——在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)有集電極電流通過(guò)三極管。乙類(lèi)放大由于管子只有半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，而在另半個(gè)周期內(nèi)IC=0，因此耗電少、效率高，在理想情況下效率可達(dá)78.5%。6。功率放大器按電路形式來(lái)分，主要有單管功率放大器、變壓器耦合功率放大器和互補(bǔ)推挽功率放大器。

9.3.2射極輸出器1.電路組成——輸出電壓是直接從發(fā)射極引出的，故稱射極輸出器。射極輸出器的交流通路如圖9-34〔b〕所示，可見(jiàn)集電極是輸入、輸出回路的共同端點(diǎn)，所以射極輸出器是共集電極電路。晶閘管的可控單向?qū)щ娦匝菔緦?shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論列于下表2.特點(diǎn)——射極輸出器是深度電壓串聯(lián)負(fù)反響電路，由圖9-34〔a〕可見(jiàn)，輸出電壓uo全部反響到輸入回路，它具有以下特點(diǎn)：〔1〕電壓放大倍數(shù)小于但近似等于1。由于uo全部反響到輸入回路，即uf=uo，所以F=1，Auf≈1。由此可見(jiàn)，輸出電壓uo與輸入電壓ui相位相同，大小近似相等，即ui≈uo，因此射極輸出器又稱為射極跟隨器。雖然它不具有電壓放大作用，但仍具有電流放大和功率放大?！?〕輸入電阻高由于射極輸出器是串聯(lián)負(fù)反響,所以輸入電阻大，常用作輸入級(jí)?！?〕輸出電阻低由于射極輸出器是電壓負(fù)反響,所以輸出電阻小，即帶負(fù)載能力強(qiáng)，常用作輸出級(jí)。9.3.3互補(bǔ)推挽功率放大器〔1〕電路組成——采用雙電源供電，V1是NPN型管，V2是PNP型管，要求兩管的特性相同。兩管的基極和基極連在一起，兩管的發(fā)射極和發(fā)射極連在一起，信號(hào)由基極輸入，發(fā)射極輸出，負(fù)載接在公共發(fā)射極上，因此它是由兩個(gè)射極輸出器組合而成的，如圖9-36〔a〕所示?！?〕工作原理①靜態(tài)——由于兩管均無(wú)直流偏置，故靜態(tài)時(shí)IB=0，兩管均截止，集電極靜態(tài)電流IC=0，因此放大器不放大信號(hào)時(shí)，沒(méi)有功耗，有利于提高效率。②動(dòng)態(tài)——在ui的正半周期內(nèi)〔0＜t＜π〕，NPN型管V1因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，PNP型管V2因發(fā)射結(jié)反偏而截止。這時(shí)ic1自電源VCC流經(jīng)V1、RL到地，產(chǎn)生輸出電壓的正半周波形，見(jiàn)9-36〔b〕。在ui的負(fù)半周期內(nèi)〔π＜t＜2π〕，情況正好相反，V1截止，V2導(dǎo)通，這時(shí)ic2自地流經(jīng)RL、V2到-VCC，產(chǎn)生輸出電壓的負(fù)半周波形，見(jiàn)圖9-36〔b〕?？梢?jiàn)，V1管、V2管都只有半個(gè)周期導(dǎo)通，它們交替輪流導(dǎo)通，一個(gè)“推〞、一個(gè)“拉〞，互相補(bǔ)充，結(jié)果在負(fù)載RL上合成一個(gè)完整的信號(hào)波形，故稱為互補(bǔ)推挽功率放大器。1.互補(bǔ)推挽功率放大器工作原理

9.3.3互補(bǔ)推挽功率放大器2.甲乙類(lèi)互補(bǔ)推挽功率放大器〔1〕乙類(lèi)放大電路存在問(wèn)題——輸出信號(hào)波形在正、負(fù)半周的交接處有失真，這個(gè)失真稱為交越失真。為防止交越失真可以為兩管設(shè)置一個(gè)略大于死區(qū)電壓的正向偏壓，使靜態(tài)IB略大于零，兩管處于微導(dǎo)通?！?〕甲乙類(lèi)互補(bǔ)推挽功率放大器——圖9-38所示的電路就是利用二極管的直流壓降作為功放管基極偏壓來(lái)克服交越失真，這種工作方式稱為甲乙類(lèi)放大。〔3〕OTL電路——在有些場(chǎng)合采用單電源供電的互補(bǔ)推挽功率放大器〔OTL電路〕。OTL電路是在OCL電路的根底上去掉一組電源，在輸出端接入一個(gè)大電容C，利用大電容C的充放電來(lái)代替一組電源。3.集成功率放大電路——把包括功放管在內(nèi)的元器件都做在一塊芯片上，完成功率放大的功能。集成功率放大電路性能穩(wěn)定、可靠，能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，有的還具有過(guò)載保護(hù)和熱切斷保護(hù)電路，當(dāng)輸出過(guò)載或輸出短路均能起保護(hù)作用，防止器件損壞。圖9-41是集成功率放大電路TDA2030及應(yīng)用電路。9.4集成運(yùn)放及其應(yīng)用9.4.1集成運(yùn)算放大器的根本知識(shí)9.4.2差動(dòng)放大電路9.4.3集成運(yùn)放主要參數(shù)和特點(diǎn)9.4.4根本運(yùn)算電路9.4.5集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用9.4.1集成運(yùn)算放大器的根本知識(shí)1．集成電路〔1〕分立元件電路——由互相分開(kāi)的晶體管、電阻、電容等元器件，一個(gè)一個(gè)地按一定的要求借助導(dǎo)線或印刷電路板連接成一個(gè)完整的電路。〔2〕集成電路——將整個(gè)電路中的晶體管、電阻、電容和導(dǎo)線集中制作在一小塊〔面積約0.5mm2〕硅片上，封裝成為一個(gè)整體器件?！?〕分類(lèi)①按其集成度來(lái)分有小規(guī)模集成電路〔SSI〕、中規(guī)模集成電路〔MSI〕、大規(guī)模集成電路〔LSI〕和超大規(guī)模集成電路〔VLSI〕；②按其功能來(lái)分有數(shù)字集成電路和模擬集成電路數(shù)字集成電路用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)，數(shù)字集成電路中的晶體管通常工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，反映在電路的輸入端和輸出端上的電壓，不是高電平就是低電平。一般數(shù)字集成電路的通用性較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制電路中。模擬集成電路用來(lái)處理模擬信號(hào)，其輸入端和輸出端通常為連續(xù)變化的電壓或電流，最常見(jiàn)的模擬集成電路有集成運(yùn)放電路、集成穩(wěn)壓電路、集成功率放大電路以及其它專(zhuān)用集成電路，其中應(yīng)用最廣的是集成運(yùn)放電路。9.4.1集成運(yùn)算放大器的根本知識(shí)2．集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)放實(shí)際上是一種放大倍數(shù)很高的直接耦合放大器，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。〔1〕集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路組成，如圖9-43所示。輸入級(jí)要求輸入電阻高，而且要能有效地放大有用信號(hào)抑制無(wú)用信號(hào),因此都采用差動(dòng)放大電路；中間級(jí)要有足夠大的放大倍數(shù)；輸出級(jí)要求輸出電阻小帶負(fù)載能力強(qiáng)。偏置電路為各級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流和工作電流?！?〕集成運(yùn)放的圖形符號(hào)——集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。如果輸入信號(hào)uI加在反相輸入端，稱為反相輸入方式，此時(shí)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相反；如果輸入信號(hào)uI加在同相輸入端，稱為同相輸入方式，此時(shí)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相同；當(dāng)然輸入信號(hào)也可同時(shí)加在兩個(gè)輸入端，稱為雙端輸入方式，或稱為差動(dòng)輸入方式?！?〕集成運(yùn)放的應(yīng)用——最初作為運(yùn)算放大電路用于模擬計(jì)算機(jī)中，由于在集成運(yùn)放的輸入端和輸出端之間外加不同的網(wǎng)絡(luò)即可組成具有各種功能、不同用途的電路，因此集成運(yùn)放已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原來(lái)的運(yùn)算放大的范圍，而廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)控制、精密檢測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域。9.4.2差動(dòng)放大電路

1.直流放大器中的零點(diǎn)漂移因外界因素，如溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)、晶體管參數(shù)的變化等等，將引起放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化。又由于是直接耦合，靜態(tài)工作點(diǎn)的變化都將直接傳送到下一級(jí)并被放大。尤其是第一級(jí)的靜態(tài)電位的變化，經(jīng)過(guò)逐級(jí)放大，直到輸出級(jí)，這樣在輸出端形成較大的零漂電壓。這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。當(dāng)零漂嚴(yán)重時(shí)，有可能淹沒(méi)需要放大的有用信號(hào)，導(dǎo)致放大器無(wú)法正常工作。因此需要抑制，采用差動(dòng)放大電路可以較有效地抑制零點(diǎn)漂移。2.差動(dòng)放大電路的根本原理圖9-45所示是一個(gè)根本差動(dòng)放大電路，它是由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大電路組合而成。輸出電壓△UO從兩管的集電極之間取出，即△UO=△UO1-△UO2〔1〕靜態(tài)時(shí)的情況△UI=0，由于電路左右兩邊完全對(duì)稱，靜態(tài)值完全相同，故△UO1=△UO2，因此△UO=△UO1-△UO2=0，實(shí)現(xiàn)了零輸入零輸出的要求?！?〕抑制零漂的原理當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，兩管的靜態(tài)值同時(shí)發(fā)生漂移，例如溫度上升時(shí)，IC1和IC2同時(shí)增大，結(jié)果UC1和UC2同時(shí)下降，即兩管集電極電壓變化量相等，所以△UO=△UO1-△UO2=0，這就說(shuō)明零點(diǎn)漂移因兩管對(duì)稱而抵消了。顯然差動(dòng)放大電路兩邊對(duì)稱性愈好，零漂電壓就被抑制得愈小。9.4.2差動(dòng)放大電路3.共模信號(hào)和共模放大倍數(shù)〔1〕共模信號(hào)—兩個(gè)大小相等、極性〔相位〕相同的信號(hào)電壓，△UIc1=△UIc2=△UIc，，用帶有下標(biāo)符號(hào)“c〞表示。共模信號(hào)是無(wú)用的干擾或噪聲?！?〕共模電壓放大倍數(shù)——共模輸出電壓△UOc和共模輸入電壓△UIc的比值，用Auc來(lái)表示，即：Auc=△UOc//△UIc〔9-15〕如果電路左右兩邊完全對(duì)稱，那么△UOc=0，Auc=0?？梢?jiàn)，共模電壓放大倍數(shù)愈小，抑制共模信號(hào)的能力就愈強(qiáng)。4.差模信號(hào)和差模電壓放大倍數(shù)〔1〕差模信號(hào)——兩個(gè)大小相等、極性〔相位〕相反的信號(hào)電壓即△UId1=△UId，△UId2=-△UId，用帶有下標(biāo)符號(hào)“d〞表示。差模信號(hào)是需要放大的有用的信號(hào)?！?〕差模電壓放大倍數(shù)——差模輸出電壓△UOd和差模輸入電壓△UId的比值，即：Aud=△UOd/△UId=〔△UId-△UId〕/〔△UId-△UId〕=2△UOd/2△UId=Au1差動(dòng)放大電路雙端輸出的電壓放大倍數(shù)和單管共射放大電路的電壓放大倍數(shù)相同，也就是說(shuō)差動(dòng)放大電路是以多用一個(gè)放大管為代價(jià)來(lái)?yè)Q取對(duì)零漂電壓的抑制5．共模抑制比KCMR——定義為差模電壓放大倍數(shù)Aud和共模電壓放大倍數(shù)Auc的比值，即KCMR=Aud/Aud〔9-17〕差模電壓放大倍數(shù)Aud愈大，而共模電壓放大倍數(shù)Auc愈小，那么共模抑制比KCMR愈大，差動(dòng)放大電路的性能越好。

9.4.3集成運(yùn)放主要參數(shù)和特點(diǎn)1.集成運(yùn)放的主要參數(shù)

〔1〕輸入失調(diào)電壓UIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)〔uI=0〕，輸出電壓也為零〔uO=0〕。但實(shí)際上由于集成運(yùn)放輸入級(jí)的差動(dòng)管不對(duì)稱，通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓，這種現(xiàn)象稱為靜態(tài)失調(diào)。把這個(gè)輸出電壓折算到輸入端就是輸入失調(diào)電壓UIO。UIO越小越好，UIO越小說(shuō)明電路匹配越好。

〔2〕輸入偏置電流IIB與輸入失調(diào)電流IIO一個(gè)理想集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電流完全相等。實(shí)際上，當(dāng)集成運(yùn)放的輸出電壓為零〔uO=0〕時(shí)，流入兩個(gè)輸入端的電流IB1和IB2不等。把IB1與IB2之差稱為輸入失調(diào)電流IIO，即IIO=IB1IB2，它反映集成運(yùn)放輸入級(jí)電流的不對(duì)稱程度。IIO值越小越好。當(dāng)輸出電壓為零〔uO=0〕時(shí)，流入兩輸入端的靜態(tài)電流的平均值稱為偏置電流，即IIB=(IB1+IB2)/2?！?〕開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)——無(wú)外加反響回路情況下的開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)〔4〕共模抑制比KCMR——差模電壓放大倍數(shù)Aod與共模電壓放大倍數(shù)Aoc之比〔5〕輸入電阻rid是指輸入差模信號(hào)時(shí)，集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)輸入電阻。輸出電阻rod是指運(yùn)放本身輸出級(jí)的開(kāi)環(huán)輸出電阻。〔6〕最大輸出電壓UOM輸出端開(kāi)路時(shí)集成運(yùn)放能輸出的最大不失真電壓峰值〔7〕最大輸出電流IOM是指集成運(yùn)放在不失真條件下的最大輸出電流。9.4.3集成運(yùn)放主要參數(shù)和特點(diǎn)2.集成運(yùn)放的特點(diǎn)〔1〕集成運(yùn)放線性應(yīng)用的條件和特點(diǎn)在線性放大的條件下，輸出和輸入的關(guān)系為：uO=AoduI=Aod〔U+-U-〕。1)集成運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件——集成運(yùn)放必須引入深度負(fù)反響。

2)集成運(yùn)放線性工作區(qū)的特點(diǎn)①虛短——由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Aod很大，而輸出電壓是一個(gè)有限值，因而集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓很小，可以認(rèn)為近似等于零。即uI=U+U=uO/Aod≈0得U+≈U〔9-18〕②虛斷——由于集成運(yùn)放的輸入電阻很大，因此集成運(yùn)放流入兩個(gè)輸入端的電流很小，可以認(rèn)為近似等于零，即：I+≈I≈0〔9-19〕〔2〕集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的特點(diǎn)和條件1〕集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的必要條件—集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反響。2〕集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的特點(diǎn)①輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：正最大輸出電壓+UOM或負(fù)最大輸出電壓UOM。②集成運(yùn)放的輸入電流等于零?？傊诜治黾蛇\(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)判斷其中的集成運(yùn)放是否工作在線性區(qū)，在此根底上，根據(jù)線性區(qū)或非線性區(qū)的特點(diǎn)分析具體電路的工作原理。9.4.4根本運(yùn)算電路1.比例運(yùn)算電路

〔1〕反相輸入比例運(yùn)算電路——輸入電壓uI通過(guò)外接電阻R1加在反相端上，同相端經(jīng)過(guò)平衡電阻R接地，輸出電壓uO經(jīng)過(guò)Rf接回反相端，形成電壓并聯(lián)負(fù)反響。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：UO=-Ui×Rf/R1假設(shè)Rf=R1，那么UO=-Ui，電路成為反相器。〔2〕同相輸入比例運(yùn)算電路——輸入電壓uI通過(guò)R加在同相端上，反相端經(jīng)過(guò)R1接地，輸出電壓uO經(jīng)過(guò)Rf接回反相端，形成一個(gè)深度電壓串聯(lián)負(fù)反響。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：UO=Ui×〔1+Rf/R1〕假設(shè)Rf=0，R1=∞，那么UO=Ui，電路成為電壓跟隨器。2.加減運(yùn)算電路

〔1〕反相求和電路——多個(gè)輸入電壓通過(guò)外接電阻加在反相端上，輸出電壓uO經(jīng)過(guò)Rf接回反相端。根據(jù)虛斷和虛短的概念，可求得輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為：uO＝-(ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3+〕Rf假設(shè)R=R1=R2=R3，那么uO＝-Rf〔uI+uI2+uI3〕/R19.4.