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演示文檔

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.,6.2.3 中間級(jí)——采用有源負(fù)載的共射放大電路,中間級(jí)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(jí)本身具有較高的電壓增益，同時(shí)為了減少對(duì)前級(jí)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(shí)必須提高電源電壓，當(dāng)電源電壓增大到一定程度時(shí)，電路的設(shè)計(jì)就變得不合理了。,三極管工作在放大區(qū)（也稱(chēng)恒流區(qū)）時(shí)，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，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(duì)于交流信號(hào)，又可得到很大的等效的Rc。這樣的電路稱(chēng)之為有源負(fù)載。,另外，中間級(jí)的放大管有時(shí)采用復(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)β，以便提高本級(jí)的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級(jí)的輸入電阻，特別是在前級(jí)采用有源負(fù)載時(shí)，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,1. 復(fù)合管的接法及其β和rbe,復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)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(lèi)型的三極管組成，也可以由不同類(lèi)型的三極管組成為NPN型或同為PNP型。,.,.,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：,一是在前后兩個(gè)三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級(jí)三極管的輸出電流與后級(jí)三極管的輸入電流的實(shí)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(wú)法正常工作。,二是為了實(shí)現(xiàn)電流放大，應(yīng)將前級(jí)管的集電極電流或發(fā)射極電流作為后級(jí)管的基極電流，外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)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(gè)相同類(lèi)型的三極管組成的復(fù)合管，其類(lèi)型與原來(lái)相同。復(fù)合管的β≈β1β2，復(fù)合管的rbe = rbe1 +（1 +β1）rbe2 。,2）由兩個(gè)不同類(lèi)型的三極管組成的復(fù)合管，其類(lèi)型與前級(jí)三極管相同。復(fù)合管的β=β1（1 + β2）≈β1β2，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。,,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)β＞＞2時(shí)，ICQ≈IREF。,2. 由復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路,集成運(yùn)放的輸出級(jí)應(yīng)有較低的輸出電阻，以提高電路的帶負(fù)載能力。同時(shí)，也希望有較高的輸入電阻，以免影響中間級(jí)共射電路的電壓放大倍數(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： 擴(kuò)音系統(tǒng),功率放大器的作用： 用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。,6.2.4 輸出級(jí)——功率放大電路,集成運(yùn)放的輸出級(jí)是向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(hào)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(diǎn),（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(shí)用的功率放大電路中大多采用雙管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(hào)的失真，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路可消除其非線性失真。,.,低頻功率輸出級(jí)按功放管的工作狀態(tài)，可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)三種。它們各有特點(diǎn)。,甲類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)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),缺點(diǎn)是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ，這時(shí)管耗PC大，而且甲類(lèi)放大時(shí)，不管有無(wú)輸入信號(hào)，電源供給的功率是不變的。甲類(lèi)放大電路的效率最高也只有50%，那些對(duì)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(lèi)。,甲類(lèi)功率放大電路的工作狀態(tài)如左圖所示,,.,如果在甲類(lèi)的基礎(chǔ)上，把靜態(tài)工作點(diǎn)Q向下移動(dòng)，使靜態(tài)電流ICQ等于零，這樣就能改變甲類(lèi)放大時(shí)效率低的狀況，這種工作方式下的電路稱(chēng)為乙類(lèi)放大電路。乙類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。乙類(lèi)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(shí)卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期，僅在半個(gè)周期內(nèi)三極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)，只能對(duì)半個(gè)周期的輸入信號(hào)進(jìn)行放大。,乙類(lèi)功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示,,.,,如果將工作點(diǎn)Q設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，使三極管的導(dǎo)通時(shí)間大于信號(hào)的半個(gè)周期，且小于一個(gè)周期，這類(lèi)工作方式下的電路稱(chēng)為甲乙類(lèi)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(lèi)放大狀態(tài)。這種電路的效率略低于乙類(lèi)放大，但它克服了乙類(lèi)放大電路的失真問(wèn)題，目前使用較廣泛。,甲乙類(lèi)功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示,.,3. 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 (OCL:output Capacitorless電路),1）電路圖,T1、T2管交替工作, 流過(guò)RL的電流為一完整的正弦波信號(hào), 波形如上圖所示。由于該電路中兩個(gè)管子導(dǎo)電特性互為補(bǔ)充, 電路對(duì)稱(chēng), 因此該電路稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。稱(chēng)為無(wú)輸出電容的功率放大電路，即OCL（Output Capacitorless）,.,2 指標(biāo)計(jì)算,雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的圖解分析,.,（1）最大輸出功率：當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，可使負(fù)載獲得最大輸出功率。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 = VCC,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：,乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路的主要工作指標(biāo)如下：,.,（2）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(gè)周期里兩個(gè)電源提供的平均功率為：,,,因此, 直流電源UCC供給的功率為,負(fù)載電流幅值為：,這是在輸入信號(hào)足夠大時(shí)得到的電源功率。,.,,,當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，并忽略管子的飽和壓降UCES時(shí)，其效率為：,這是理想狀態(tài)的效率，實(shí)際效率要比這個(gè)數(shù)值小。,（3）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,.,（4）每個(gè)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。可求得當(dāng),,管子c -e間承受的最大電壓：為2VCC。,.,消耗在晶體管的功率為電源功率減去輸出最大功率即：PT=PVm－POm，由于POm與PVm均與信號(hào)的幅值有關(guān)，故PT也隨之變化。,為了求出何時(shí)管耗最大，令,上式對(duì)K的導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，PT將為最大值,,.,每個(gè)管子的管耗約為0.2POmax，當(dāng)輸出功率最大(K=1)時(shí)，總管耗約為0.27POmax,將 代入PT式中得,.,交越失真：乙類(lèi)電路由于靜態(tài)電流為零，因此效率較高；但是它會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真，這是因?yàn)楫?dāng)輸入電壓ui小于管子的死區(qū)電壓時(shí)，兩個(gè)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(diǎn)，這種失真稱(chēng)為交越失真，如圖所示。,交越失真是由于管子工作在乙類(lèi)狀態(tài)引起的，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)用電路都采用甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。,3） 存在問(wèn)題,消除交越失真的辦法,.,為克服乙類(lèi)電路產(chǎn)生的交越失真，實(shí)際工作時(shí)采用圖所示的甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。圖中通過(guò)電阻R1和R2及兩個(gè)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(shí)已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這種偏置方式稱(chēng)為甲乙類(lèi)電路。由于三極管已導(dǎo)通，當(dāng)加入輸入信號(hào)ui后，輸出電流流過(guò)負(fù)載時(shí)，在負(fù)載上得到輸出電壓，在正負(fù)交替處比較平滑，因此輸出波形將是較為理想的正弦波。,（2）甲乙類(lèi)OCL電路,在甲乙類(lèi)電路中為減小靜態(tài)損耗，提高效率，通常工作點(diǎn)選得很低。甲乙類(lèi)電路的工作狀況和乙類(lèi)基本相似，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可按乙類(lèi)電路方式估算。,.,圖所示電路中，由于靜態(tài)時(shí)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，因此稱(chēng)為OCL電路。其優(yōu)點(diǎn)是低頻效應(yīng)好，便于集成。缺點(diǎn)是需兩個(gè)獨(dú)立電源，使用很不方便。為簡(jiǎn)化電路，采用單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，如圖所示。兩圖相比省去了一個(gè)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(chēng)為無(wú)輸出變壓器的功率放大電路，即OTL（Output Transformless）功率放大電路。,4. OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路,OTL,OCL,.,為了消除交越失真，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(gè)導(dǎo)電支路，使靜態(tài)時(shí)存在一個(gè)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(gè)電位差，故靜態(tài)時(shí)兩只三極管已有較小的基極電流，因而兩管也各有一個(gè)較小的集電極電流。當(dāng)輸入正弦電壓uI時(shí)，在正、負(fù)半周兩管分別導(dǎo)電的過(guò)程中，將有一段短暫的時(shí)間T1、T2同時(shí)導(dǎo)電，避免了兩管同時(shí)截止，因此交替過(guò)程比較平滑，減小了交越失真。,無(wú)輸出變壓器的功率放大電路OTL（Output Transformless）,OTL互補(bǔ)功放電路,.,互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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β值較低，因此就需要中間級(jí)輸出大的推動(dòng)電流提供給輸出級(jí)。在集成運(yùn)放電路中，中間級(jí)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(duì)稱(chēng)功率放大電路,為解決此問(wèn)題，一般輸出級(jí)采用由復(fù)合管構(gòu)成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。如下圖所示。這種互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路有一個(gè)缺點(diǎn)，大功率三極管T3是NPN型，而T4是PNP型，它們類(lèi)型不同，很難做到特性互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)。,.,為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可使T3和T4采用同一類(lèi)型甚至同一型號(hào)的三極管，例如二者均為NPN型，而T2則用另一類(lèi)型的三極管，如PNP型，如圖所示。此時(shí)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(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。這種電路稱(chēng)為準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(diǎn)。,為解決類(lèi)型不同，特性互補(bǔ)不對(duì)稱(chēng)采用下面電路,,,.,6.3 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F007,F007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(jiàn)的為圓殼式，共有12個(gè)引腳，如圖（a）所示。各引腳與外電路的連接示意圖見(jiàn)圖（b）。,1) 引腳,.,2)原理圖：包括四部分：偏置電路、差分放大輸入級(jí)、中間級(jí)以及輸出級(jí)和過(guò)載保護(hù)電路。,,,.,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(jí),三級(jí)放大電路,,,,,,,,,,簡(jiǎn)化電路、分解電路,.,,,,1 、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(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。,,T8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(diǎn)的穩(wěn)定 T（℃）↑→ IC1↑IC2↑ → IC8↑ IC9與IC8為鏡像關(guān)系 → IC9↑ 因?yàn)镮C10不變 → IB3↓IB4↓ → IE3↓IE4↓→ IC1↓IC2↓,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(jí),,,,,,,.,T7的作用：抑制共模信號(hào) 放大差模信號(hào) T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，增大電壓放大倍數(shù)。 特點(diǎn)：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(duì)“地”輸出）。,作用？,,,,輸入級(jí),輸入級(jí)的主要作用是減小零漂，提高共模抑制比,.,中間級(jí)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(jí)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(wú)窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。,,中間級(jí),,,3 、 中間級(jí),中間級(jí)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,.,準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí) 電路消除交越失真（R7、R8） D1和D2起過(guò)流保護(hù)作用 未過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。 iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T(mén)14基極分流，從而保護(hù)了T14。 特點(diǎn) 輸出電阻小 最大不失真輸出電壓高,,輸出級(jí),,,4 、 輸出級(jí)和過(guò)載保護(hù),輸出級(jí)采用這種準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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）,T3和T4組成共基放大電路，共基電路是同相放大,.,⒈開(kāi)環(huán)差模電壓增益AOd,開(kāi)環(huán)差模電壓增益是指集成運(yùn)放無(wú)外加反饋時(shí)輸出電壓與輸入差模電壓之比。,AOd的含義,AOd(dB)=20lgAOd,它是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的重要因素。目前高增益的集成運(yùn)放的AOd可達(dá)到107以上。,常以分貝(dB)表示：,6.3.2 集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo),.,⒉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(jí)差分對(duì)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。,⒊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(gè)指標(biāo)往往比UIO更為重要，因?yàn)閁IO可以通過(guò)調(diào)零的辦法來(lái)補(bǔ)償，而卻不能被補(bǔ)償。高質(zhì)量的集成運(yùn)放的＜0.5μV/℃。,⒋輸入偏置電流IIB,集成運(yùn)放輸出為零時(shí)，兩個(gè)輸入端所需電流的平均值，稱(chēng)為輸入偏置電流。一般集成運(yùn)放的IIB為微安量級(jí)，高質(zhì)量的為納安量級(jí)。,⒌輸入失調(diào)電流IIO,集成運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的偏置電流之差，稱(chēng)為輸入失調(diào)電流。IIO=IB1-IB2,.,⒍輸入失調(diào)電流的溫漂,dIIO/dT這是指在規(guī)定工作范圍內(nèi)IIO的溫度系數(shù)。高質(zhì)量的運(yùn)放可為幾個(gè)皮安每度(PA/℃)。,⒎差模輸入電阻rid,rid是指運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)時(shí)，輸入電壓的變化與由它引起的輸入電流的變化之比，也就是從放大器兩個(gè)輸入端看入的動(dòng)態(tài)電阻。,⒏共模抑制比KCMR,高質(zhì)量的集成運(yùn)放的KCMR可達(dá)160dB以上。,其定義與差動(dòng)放大電路中的相同，不同類(lèi)型運(yùn)放的共模輸入電壓范圍也不同，如F004為±10V；F007為±13V。,⒑最大差模輸入電壓UIdmax,是指同相輸入端與反相輸入端之間所能承受的最大電壓值。,⒐共模輸入電壓范圍UICmax,.,⒒開(kāi)環(huán)輸出電阻ro,運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出電阻,⒓最大輸出電壓UOmax,在規(guī)定的電源電壓和負(fù)載條件下，放大器所能輸出的最大電壓為UOmax。,⒔最大輸出電流IOmax,放大器在最大輸出電壓下所能給出的最大輸出電流，即為IOmax。,14.－3dB帶寬 f H,運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬 f H 。,.,集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化等效電路,.,運(yùn)放在電路中的符號(hào)如圖所示。,運(yùn)放符號(hào),