模拟电子技术教案3.docx

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模拟电子技术教案3

第3单元集成运算放大器

3.1集成运算放大器概述

从总体上看，集成电路相当于一种电压控制的电压源元件，即它能在外部输入信号控制下输出恒定的电压。

实际上集成电路又不是一个元件，而是具有一个完整电路的全部功能。

集成电路的型号类型很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成是相同的，主要由输入级、中间放大级以及偏置电路。

3.2差动放大电路

集成运放的输入级采用差动放大电路。

输入级又称为前置级，是决定运放性能好坏的关键。

3.2.1直接耦合放大电路需要解决的问题

直接耦合的放大电路存在的问题有：

1.各级静态工作点相互影响，互相牵制

直接耦合的多级放大电路前后级之间存在直流通道，当某一级静态工作点发生变化时，会对后级产生影响。

2.存在零点漂移现象

当直接耦合多级放大电路的输入信号为零时，温度的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生微小变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢的变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点上下漂动，这种现象称为零点漂移。

这种缓慢变化的漂移电压在直接耦合的多级放大电路中，放大电路级数越多，放大倍数越大，零点漂移现象就越严重。

零点漂移现象如果不能有效抑制，

严重时甚至会把有用信号淹没。

3.2.2差动放大电路的组成

1.电路组成：

如图示。

基本特点如下。

（1）电路中的两个三极管VT1和VT2特性参数完全相同，对称位置上的电阻元件参数也相同。

（2）电路采用正、负两个电源供电。

VT1和VT2的发射极经同一反馈电阻Re接至负电源−VEE，即电路是由两个完全对称的共射放大电路组合而成的。

2.差模信号：

差放电路中两个晶体管的基极信号电压ui1、ui2是一对大小相等、相位相反的信号，称为差模信号，用uid表示，数值上：

uid=ui1−ui2

显然，差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号。

3.共模信号：

漂移电压就是共模信号，共模信号对放大电路是一种有害的干扰信号，因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。

差动放大电路正是利用了自身电路的对称性，可以有效地抑制有害的“共模信号”。

2.3差动放大电路的工作原理

由于电路对称，因此。

当温度变化时，两管集电极电压漂移量完全相同，所以双端输出电压始终为0。

也就是说，电路的完全对称性使两管的零点漂移在输出端相互抵消，因此，零点漂移得到了有效地抑制。

1.静态分析

两个单边电路完全对称，静态工作点只按单边求解即可。

集电极电流：

基极电流：

集射极电压：

2.动态分析

首先画出电路的交流通道，因为电路对称，只画出单边微变等效电路即可对电路进行求解。

动态指标为：

显然，整个差动放大电路的电压增益与半边电路相同。

但是，整个差动放大电路的输入电阻和输出电阻均应为半边电路的2倍，即：

，

注意：

对差模信号而言，RE上交流电压分量为0，相当于交流短路。

3.2.4差动放大电路的类型

差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出4种应用形式。

3.2.5恒流源式差动放大电路

工作原理：

由于恒流源上电流恒定，当差模信号输入时，对称的两管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以RW上的中点交流电位为0，交流通路和微变等效电路如图示。

对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当提高Re的数值。

但集成电路中不易制作大阻值的电阻，因为静态工作点不变时，加大Re的数值，势必增加其直流压降，提高电源VEE的数值，采用过高数值的VEE显然是不可取的。

采用恒流源代替电阻Re，不但可以大大提高电路的共模抑制比，还可减小其直流压降，进一步提高电路的稳定性；而且作为有源负载，能够明显提高电路的电压增益。

恒流源不仅在差动放大电路中使用，而且在模拟集成电路中常用作偏置电路和有源负载。

3.3复合管放大电路

在集成运放中，通常采用复合管的共发射极电路作为中间级电路。

把两个三极管按一定方式组合起来可构成复合管。

组成复合管的原则是使复合起来的三极管都处于放大状态，即满足发射结正偏、集电结反偏，各电极的电流能合理地流动。

采用复合管的主要目的是进一步提高电路的电压增益，因为复合管的β=β1β2。

3.4功率放大电路

3.4.1功率放大器的特点及主要技术指标

1．功率放大器的特点

功放电路是在大信号情况下工作，具有动态工作范围大的特点，通常只能采用图解法进行分析，而分析的主要性能指标是输出功率和效率。

2．功率放大器的主要技术要求

（1）效率尽可能高

（2）具有足够大的输出功率

（3）非线性失真尽可能小

由于功率管工作在极限运用状态，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上，从而造成功放管结温和管壳的温度升高。

所以管子的散热问题及过载保护问题也应充分重视，并采取适当措施，使功放管能有效地散热。

3.4.2功率放大电路中的交越失真

功放电路通常是利用两个晶体管进行推挽输出，

如图示。

晶体管都存在正向死区。

因此，在输入信号正、负半周的交替过程中，两个功放管都处于截止状态，由此造成输出信号的波形不跟随输入信号的波形变化，在波形的正、负交界处出现了输出不随输入的轨迹变化，把这种出现在过零处的失真现象称为交越失真。

3.4.3功率放大器的分类

1.甲类放大器：

其工作方式具有最佳的线性，电路中的晶体管能够放大信号全波，完全不存在交越失真。

即使甲类功放电路不使用负反馈，其开环路失真度仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。

甲类电路的特点是：

高保真、效率低，通常不会超过50%。

2．乙类放大器：

乙类功放具有交越失真的严重缺点，特别是在输入信号非常低时，交越失真越发严重，可使音频信号变得粗糙和难听，这也是纯乙类功放使用较少的主要原因。

乙类功放特点：

效率高，理想情况下效率可高达78.5%，平均效率约为78%，但存在交越失真。

3．甲乙类放大器

甲乙类功放是在乙类功放的基础上进行的改造。

目的是消除乙类功放存在的交越失真问题。

典型的甲乙类互补对称功放电路有OCL和OTL两种。

（1）OCL电路

OCL电路的特点是双电源供电方式,且无输出电容。

典型电路如右图所示。

OCL中的VT1和VT2是两个导电类型互补且性能参数完全相同的功放管，接成射极输出电路以增强带负载能力。

为减小交越失真改善输出波形，OCL电路中的晶体管设置在静态时有一个较小的基极电流，以避免两个晶体管同时截止，从而克服功率放大管的死区电压。

为此，在两个晶体管的基极之间接入两个二极管VD1和VD2，使得在ui=0时，在两个晶体管的基极之间产生一个微小的偏压Ub1b2（二极管的管压降）。

由此可基本上消除交越失真。

OCL电路负载上的交流输出功率可根据电阻元件R的功率计算式P=U2/R求得，即：

或者写作：

若输入正弦波信号足够大，UCEm可达到最大值VCC－UCES。

若管子的饱和压降UCES也能忽略，则RL上最大输出电压幅度UCEm≈VCC。

在此理想条件下，最大输出功率：

OCL电路由±VCC两组电源轮流供电，具有很好的对称性，所以直流电源总功率是一组电源功率的2倍。

在UCEm≈VCC的理想条件下，电路中的最大效率

。

电路的最大管耗约为0.4Pom，即单管的最大管耗为0.2Pom。

（2）OTL电路

OCL电路具有线路简单、效率高等特点，但要采用双电源供电，这给使用和维修带来一定不便。

为了克服这一缺点，人们研制出了采用单电源供电的互补对称的甲乙类OTL功放电路。

图示的甲乙类互补对称功率放大器因无输出变压器而得名OTL。

电路中的VT1和VT2晶体管的发射极通过一个大电容C接到负载电阻RL上，两个二极管VD1和VD2及电阻R用来消除交越失真，向VT2和VT3提供偏置电压，使其工作在甲乙类状态。

①工作原理

A．静态时，调整电路使功率管VT2和VT3的参数对称，使输出端发射极结点电位为电源电压的一半，即VK=VCC/2，耦合电容CL两端的电压UCL=VCC/2，负载电阻RL两端的电压uo=0。

B．在电路输入端加上信号后，通过VT2、VT3的电流得到放大，K点有交流电压信号输出，经过耦合电容CL，到达负载RL成为输出电压uo。

在输入信号正半周时，VT2管导通，VT3管截止。

VT2管以射极输出器的形式将正向信号传送给负载，同时对电容CL充电。

在输入信号负半周时，VT2管截止，VT3管导通。

电容CL放电，充当VT3管的直流工作电源，使VT3管也以射极输出器形式将输入信号传送给负载。

这样，负载上得到一个完整的信号波形。

LM386集成OTL功放广泛应用于收音机、对讲机、方波和正弦波发生器等电子电路中。

3.4.4采用复合管的互补对称功率放大电路

当输出功率较大时，输出级的推动级应该是一个功率放大器。

大功率管的β值一般都不大。

为了得到较高β值的功放管，往往采用复合管结构。

典型的复合管互补对称功率放大器电路如图所示。

集成运算放大器的功放输出级采用复合管的目的是提高管子的电流放大倍数。

两个复合管复合后等效为一个功放管，其特点如下。

（1）复合管电流放大倍数

。

（2）输入电阻

。

（3）复合管3个等效电极由前面的一个三极管VT1决定。

（4）组成复合管的各管各极电流应满足电流一致性原则，即串接点处电流方向一致，并保证接点处总电流为两管输出电流之和。

（5）VT1和VT2功率不同时，VT2为大功率管，使复合管成为大功率管。

由复合管组成的OTL实用电路如图示。

这种电路实际上就是准互补对称功率放大器。

电路中各元器件的作用如下。

VT1：

激励级，其基极偏压取决于中点电位VCC/2。

RP1和R1是VT1管的偏置电阻，其作用是引入交直流电压并联负反馈。

RP2、VD1、VD2为功放复合管提供偏压，其作用是克服交越失真和提供温度补偿。

R4、R5的作用是减小复合管穿透电流。

R7、R8为负反馈电阻，起稳定静态工作点Q的作用，以减小电路失真。

3.5放大电路的负反馈

反馈不仅是改善放大电路性能的重要手段，而且也是电子技术和自动控制原理中的基本概念。

通过反馈技术可以改善放大电路的工作性能，以达到预定的指标。

3.5.1反馈的基本概念

通过一定的电路形式，把放大电路输出信号的一部分或全部按一定的方式回送到放大电路的输入端，并对放大电路的输入信号产生影响的方式称为反馈。

如果反馈信号对输入产生的影响是使输入信号的净输入量增强时称为正反馈；当反馈信号对输入产生的影响是使输入信号的净输入量削弱，则反馈形式称为负反馈，利用负反馈可以提高基本放大电路的工作稳定性。

3.5.2负反馈的类型及其判别

放大电路的负反馈类型通常有四种：

电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。

如下图示。

判断负反馈类型的方法：

判断负反馈是电压反馈还是电流反馈，应从电路的输出端来看，若反馈信号取自于输出电压，则为电压反馈，反馈信号取自于输出电流，即为电流反馈。

还可以令输出电压为零，看电路还有没有反馈信号，若有则为电流反馈，如果没有肯定是电压反馈。

判断负反馈类型是串联负反馈还是并联负反馈，主要根据反馈信号、原输入信号和净输入信号在电路输入端的连接方式进行判断：

若反馈信号、输入信号、净输入信号三者在输入端以电压的形式相加减，可判断为串联负反馈；若反馈信号、输入信号和净输入信号三者在输入端是以电流的形式相加减，可判断为并联负反馈。

3.5.3负反馈对放大电路性能的影响

1．提高放大倍数的稳定性

2．展宽通频带

3．减小非线性失真

4．对输入电阻的影响：

串联负反馈具有提高输入电阻的作用；并联负反馈使输入电阻减小。

5.对输出电阻的影响：

电流负反馈具有增大输出电阻的作用；电压负反馈不但能减小输出电阻，还能起到稳定输出电压的作用。

3.6集成运算放大器及其理想电路模型

目前广泛应用的电压型集成运放是一种高放大倍数的直接耦合放大器，在集成电路的输入和输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路。

3.6.1集成运算放大器的分类

集成运算放大器的种类非常多，按照集成运算放大器的参数不同，可分为如下几类。

1.通用型运算放大器

2．高阻型运算放大器

3．低温漂型运算放大器

4．高速型运算放大器

5．低功耗型运算放大器

6．高压大功率型运算放大器

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十mA。

若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须加辅助电路。

高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。

3.6.2集成运放管脚功能及元器件特点

集成运算放大器的种类非常多，按照集成运放参数的不同，可分为：

1.通用型运算放大器

2．高阻型运算放大器

3．低温漂型运算放大器

4．高速型运算放大器

5．低功耗型运算放大器

6．高压大功率型运算放大器

集成运放各管脚的功能

上图所示为A741（F007C）集成运放的管脚排列图、

3.6.3集成运放的主要性能指标

略

3.6.4集成运放的理想化条件及传输特性

1．集成运算放大器的理想化条件

（1）开环电压放大倍数Auo=∞，实际上Auo≥80dB即可。

（2）差模输入电阻ri=∞，实际上ri比外电路的电阻大2～3个量级即可。

（3）输出电阻ro=0，实际上ro比输入端外电路的电阻小2～3个量级即可。

（4）共模抑制比足够大，理想条件下视为KCMR→∞。

在分析集成运放的一般原理性时，均可把运算放大器产品视为理想的。

这样，根据集成运放的上述理想特性，可以大大简化运放的分析过程。

2

．集成运算放大器的传输特性

图示为集成运放的电压传输特性：

表示开环时输出电压与输入电压之间的关系。

图中虚线表示实际集成运放的电压传输特性。

实线表示理想电压传输特性。

根据集成运放的理想化条件，可以在输入端导出以下两条重要结论。

（1）虚短：

理想情况下，Auo=∞，则U+−U－=0，即U+=U－，运放的两个输入端等电位，但又不是真正短路，称为虚短。

（2）虚断：

理想运放差模输入电阻ri=∞，因此可认为没有电流能流入理想运放，即i+=i-=0。

这种情况称为“虚断”。

运用“虚短”和“虚断”对线性区的应用电路分析时可简化分析过程。