集成运算放大电路.ppt

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1、集成运算放大电路集成运算放大电路6.1 多级放大电路多级放大电路 一、多级放大电路的级间耦合方式：1、阻容耦合：l优点：级间无直流的相互干扰，易于设计。l缺点：电容不易集成，对低频信号的损失大，整个放大器的低频特性差，更不能放大缓变信号。2、直接耦合：l优点：易于集成，频率响应特性好，可放大缓变信号。l符号：级间直流相互影响，不易设计。3、变压器耦合：利用变压器实现信号的输入/输出l优点：级间无直流的相互干扰，易于设计。l缺点：不易集成，体积大，低频响应也差（信号取自于变压器副边两端）。4、光电耦合：利用半导体对光的敏感性，制成光电发射/接收管光电耦合器。l优点：级间相互电隔离，只与光有关，故

2、抗电干扰能力强，级间可不共“地”；易于集成。l缺点：成本稍高。二、多级放大器的动态响应：1、电压放大倍数：l若用增益表示，则：l多级放大器的总增益等于各单级放大器的增益之和。2、输入/输出电阻：l整个放大器的输入电阻等于第一级的输入电阻；l整个放大器的输出电阻等于最后一级的输出电阻。三、多级放大器的频率响应：因：故：根据上/下限频率的定义，可知：l多级放大器电压放大倍数增大，但下限频率高于单级放大器、上限频率低于单级放大器，因此，多级放大器的通频带比单级放大器窄；l相移累加。6.2 差分放大电路差分放大电路一、直接耦合多级放大电路中的零点漂移现象：l在采用直接耦合的多级放大电路中，由于各级静态

3、工作点相互关联，当温度、元器件参数、电源电压变化时，会引起电路各处电压电流的微小变化，此变化会被逐级放大，最后，即使无输入信号，在多级放大器的输出端仍有输入电压，当此输出电压足够大时，有可能淹没有效信号。此现象称为零点漂移现象，简称为零漂。l在引起零漂的各条件中，温度是不可控的，其它参数在集成环境下可控，故往往称零漂为温漂。二、基本差分放大器电路：1、电路组成与静态分析：（1）电路结构：电路结构完全对称、电路参数完全对称、共用发射极电阻、采用两组电源、两个输入端（可分开/可单独）、一个输出端（可单端/可双端）。（2）静态分析：l可见，该电路与前相似，静态工作点稳定与温度基本无关。l实际上，其稳

4、定静态工作点的过程与前述电路亦相同通过发射极电阻的“负反馈”实现。2、在共模信号作用下的动态分析：（1）共模信号：指两个输入端输入信号大小相等、方向相同（同一信号）。（2）共模放大倍数Ac：l理想情况下：由于两个放大器输入信号相同，故两个集电极电位的大小、相位变化均相同，输出：l非理想情况下：由于电路参数存在一定的差异，故：此值越小，说明电路的对称性越好电路的共模抑制性越好。l温度变化可看作一种共模信号，所引起的输出亦为0。3、在差模信号作用下的动态分析：（1）差模信号：l指两信输入信号大小相等，相位相反。l信号源直接连接在两个输入端（未接地），但可等效看作信号源中点接地，以大小相等（1/2）

5、、相位相反的两个信号分别作用于两个输入端。（2）差模放大倍数Ad：l在差模信号的作用下，流过Re的交流电流大小相等、方向相反，故在交流状态下，Re上交流压降为0，可视为短路，发射极E点具有地电位；l负载RL的中点亦具有地电位（可将其拆分为两个RL/2）据此可得其交流等效电路。l输入电阻：l输出电阻：（3）共模抑制比：l理想情况下，l非理想情况下，此值越大，表明电路性能越好。三、具有恒流源的差分放大电路：1、差分放大器中发射极电阻的作用：l此电阻起负反馈作用，起到抵消共模信号的作用，此电阻阻值越大，负反馈越强，效果越好；l但此值不能无限增大，否则，VEE会很大，对管子的耐压要求很高。2、具有恒流

6、源的实际电路：l选取合适的参数，使I1、I2IB，则：l若UBE3不变，则IC3几乎为常量。l若温度变化引起UBE3变化，则：l若选取合适参数，使：则电流也基本与温度无关。四、差分放大电路的四种接法 1、单端输入/双端输出：（1）电路结构：输入信号仅作用于单端，另一端接地；输出信号取自于两个集电极。（2）静态分析：（3）动态分析：l将信号源进行分解，在有信号输入的一侧，看作是两个同相的ui/2串联，在接地一侧，看作是两个反相的ui/2串联；l可知两端各有ui/2的差模信号输入相当于该电路具有+ui差模信号输入，亦有+ui/2的共模信号输入；l再根据叠加定理，在理想情况下，共模放大倍数Ac=0，

7、只对差模信号放大，根据前面的推导，l输入电阻与输出电阻同前：2、双端输入/单端输出：（1）电路结构：输入信号作用于两个输入端；输出信号取自于一个集电极；另一个集电极因无需放大电压，故省略Rc。（2）静态分析：（3）动态分析：参照电路在差模信号输入时的分析方法，流过恒流源的交流相互抵消，故发射极可视为地，T2的集电极也连接至地，由此可得其交流等效电路。l若负载连接到T2集电极输出（T1无Rc），则：输出与输入同相。l输入电阻：l输出电阻：3、四种接法的比较：（1）参数比较：静态情况：四种接法中两只管子的IB、IC、IE均相等，若为双端输出，则UCE也相等；若四种接法参数相同，则各电流亦对应相等。

8、（单端输出时UCE不等）动态情况：l差模放大器倍数：双端输出时的差模放大倍数是单端输出时的一倍：双端输出：单端输出：l共模放大倍数：在具有恒流源的电路中，若电路非理想，且不具有恒流源，则l输入电阻/输出电阻：四种接法输入电阻均相等：输出电阻与输出方式有关：双端输出：单端输出：单端输入时，除引入差模信号外，还会引入共模信号；双端输入时，无共模信号引入。（2）相关结论：各种接法静态参数相同（单端输出例外），输入电阻相同；电路的输出方式影响差模放大倍数、输出电阻，这些参数与输入方式无关；电路的输入方式影响共模放大倍数。6.3 功率放大电路功率放大电路一、功率放大器概述1、功率放大器的概念：l为负载提

9、供满足要求的功率的电路称为功率放大器；l为达到要求，其输出级应向负载提供尽可能大的电压与电流；2、功率放大器的主要指标：（1）最大不失真输出功率Pom：指功率放大器在输入正弦波信号、且在输出基本不失真时，负载上的最大功率。（2）效率：指功率放大器的最大输出功率与直流电源向电路所提供的平均功率之比：3、功率放大器的特点、功放管的选择：l根据能量守恒定律，直流电源提供给电路的功率等于负载上得到的功率+电路本身消耗的功率（主要是管子），故要求功率放大器应具有高的能量转换效率，并使管子消耗的功率尽可能小，因此，从提高能量转换效率的角度，在确定放大电路的静态工作点时，应尽可能向截止区靠近，甚至于工作于截

10、止区。l功率放大器工作于大信号状态，故容易产生失真，再加上管子本身工作点位置低，易产生截止失真，应在电路上采取各种措施，尽可能减小各类失真。l功放管的选择主要依据其极限参数：4、功率放大器的分类：（1）按功放管导通时间分：l甲类：功放管在整个信号期间均处于导通状态。有关资料证明：输入/输出均采用变压器耦合的甲类功率放大器，其最高效率50%，其它类型的甲类功率放大器的效率均低于此值。但此类功率失真小，动态大，适用于高保真音频功放。l乙类：每个功放管只在信号的半周期内导通，采用“推挽”的方式（PNP/NPN），用两只功放管交替导通，在负载上得到完整的放大后的全周期信号。可以证明：采用变压器耦合的乙

11、类功率放大器，其最高效率约为78.5%。但此类功放存在因两只管子的发射结的开启电压带来的“交越失真”。（1）按功放管导通时间分：l甲乙类：为解决乙类功放的“交越失真”，在乙类功放的基础上，为两只管子设置较低的静态工作点，以克服其开启电压，此时的状态称为甲乙类，但效率比乙类功放有所降低，约为70%。l丙类、丁类：使管子完全工作于截止区，以提高功放的整体效率。但因管子只能在信号的较少时间内导通，失真很大，还须配合其它电路（如选频或滤波电路），使负载上得到特定频率的放大信号。故此类功放不适合用于宽频带信号的放大，只能用于窄频信号的放大。（2）按信号输出方式分：l变压器输出：采用变压器向负载输出大功率

12、信号，变压器原边连接放大器，副边连接负载；优点：结构简单，效率高；缺点：笨重、电磁干扰、高频响应差（由变压器决定）。l无输出变压器：（OTLOutput Transformer less）通过电容连接负载优点：结构简单，无电磁干扰；缺点：低频响应差。（2）按信号输出方式分：l无输出电容（OCLOutput Capacitor less）负载直接连接在放大器的输出端；具有OTL的优点且频率响应宽；双电源的设计使电路对电源要求稍高。l桥式推挽（BTLBridger Transformer less）采用四只管子组成为“桥式”结构，负载连接在桥的中间双端输入、双端输出；优点：单电源、无输出电容频率响

13、应好；缺点：电路结构稍复杂，成本稍高，效率稍低。二、OCL电路1、电路结构（输出级）：l采用两只参数对称、极性相反的晶体管互补、推挽；l负载直接连接在两只管子的中点与地之间。2、工作原理：l当ui为正并大于开启电压时，作用于T1的发射结、负载之间，使T1导通、T2截止；T1导通后，随着ui的变化，ic1发生大变化，此大变化的电流流过负载时，形成大电压，故负载上得到对应于输入信号正半周的大功率。l当ui为负且其绝对值大于开启电压时，作用于T2的发射结、负载之间，使T2导通、T1截止；T2导通后，随着ui的变化，ic2发生大变化，此大变化的电流流过负载时，形成与前半周期方向相反的大电压，故负载上得

14、到对应于输入信号负半周的大功率。l若输入信号绝对值小于开启电压，则三极管不能导通，对应于此段输入信号，输出端无电流，亦无功率输出，从完整的输出信号看，在两只管子的交接处产生了失真交越失真。3、交越失真的消除方法：l方法一利用二极管的导通电压克服三极管的开启电压：在两只管子的两个基极间加两只二极管，并通过偏置电阻使两只二极管始终导通，这样，在三极管的两个基极间始终存在b1为正、b2为负的电压，值约为1.4V，因此，两只三极管的发射结始终处于临界导通状态。当ui为正时，由于D1始终导通，且二极管导通后的动态电阻很小，故b1电位随着ui的变化而变化，且总比ui高0.7V：T1对输入信号前半周的所有部

15、分全部放大同时，因D2始终导通，b2电位总比ui低0.7V：故T2的发射结电压不随输入信号而变化，输出仅与T1有关。当ui为负时，同理，T2对输入信号后半周的所有部分全部放大，T1的发射结电压不随输入信号而变化，输出仅与T2有关。l方法二利用三极管构成UBE倍增电路取代二极管：上式的意义：相当于将b1、b2间的静态电压变为了UBE的倍数，选取合适的R3、R4值，可使UB1B2大于两只三极管的开启电压。4、提供更大输出电流的方法复合管：（1）两只同极性管复合为一只同极性管：l方法：两只管子的集电极互连，第一只管子的发射极连接至第二只管子的基极。l等效的三极管电流方向与参与复合的管子电流方向相同，

16、故等效为同极性管子。l电流放大倍数：通常：（2）两只异性管复合为与第一只管极性相同的管子：l方法：第一只管的集电极接第二只管的基极；第一只管的发射极接第二只管的集电极。lPNP(1)+NPN(2)：按各电流的流向，等效管为与第一只管极性相同的PNP（含电极）；lNPN(1)+PNP(2)：按各电流的流向，等效管为与第一只管极性相同的NPN（含电极）。l推导与结论同上：5、复合管构成的互补与准互补电路：（1）复合管构成的互补电路：l输出级用复合管，两只等效的NPN、PNP互补；l三极管T2构成UBE倍增电路；l恒流源用于设置两级放大器合适的静态工作点，且作为第一级的大负载，使第一级具有较高的输出

17、电压。（2）复合管构成的准互补电路：因集成工艺的原因，难于使最后的大电流输出级的NPN与PNP的特性完全对称，故对T2，用PNP与NPN的复合代替，使最后输出级为相同极性的NPN管。6、互补电路的输出功率与效率：（1）最大不失真输出功率（有效值）Pom：忽略三极管的静态电流，则负载上得到的电压峰值为：其有效值为：最大输出功率为：（2）效率：l忽略三极管的基极电流，在半周期内的平均值为：l在输出最大功率时，集电极电流最大，电源提供的电流最大：l故：l两个电源提供的总平均功率为：l效率：若忽略UCES，则：若考虑UCES，则：7、功放管的选择：（1）最大集电极电流ICM：若忽略UCES，则：故：（

18、2）最高反向击穿电压U(BR)CEO：当T1导通时，T2截止，若忽略UCES，则T2所承受的最高反向电压值为：故：（3）最大允许耗散功率PCM：每只管子在一周期内的管耗：根据函数求极值的方法，令：可求出极值处所对应的变量值：若忽略管压降管耗UCES，最大管耗为：因：故：每只管子的最大管耗为：三、OTL电路 1、电路结构：lOCL电路低频响应好，但需双电源，不方便，改为单电源；l仍采用互补（推挽）结构；l输出端串接一只大电容；l电路上电后，因两只管子完全对称，故发射极电位为VCC/2；若认为三极管的开启电压为0，则基极电位亦为VCC/2，故应在输入信号端外加VCC/2的直流电压。l在电路进入稳定

19、状态后，电容上的电压亦被充电为VCC/2，且因其容量很大，在输入交流信号的过程中，其上电压基本不变。2、工作原理：l在输入信号大于VCC/2+ui时，T1导通、T2截止，因电容很大，对交流近似短路，电流由VCC经T1的C-E，再经C流过RL，负载上电压随输入信号正半周变化，此过程对C充电；l在输入信号小于VCC/2-ui时，T2导通、T1截止，C通过T2的C-E，再经RL放电，负载上电压随输入信号负半周变化。3、交越失真的解决：类似于OCL电路，但若输出级采用了复合管，则还须在两只二极管处串接一只较小的微调电阻，以使所有复合管都能克服开启电压。4、各种参数计算：（1）最大不失真输出功率：负载上

20、得到的电压峰值为：其有效值为：最大输出功率为：（2）效率：半周期内Iv的平均值为：在输出最大功率时，集电极电流最大，电源提供的电流最大：故：电源在整个周期提供的平均功率为：（3）最大管耗：每只管子在一周期内的管耗：同理：若忽略管压降管耗UCES，最大管耗为：因：故：（4）最大集电极电流：故：（5）击穿电压：四、BTL电路1、电路结构：l采用四只三极管两只NPN、两只PNP桥式结构；l单电源供电；l负载连接于四只管子的中点（无接地点）；l信号从四只管子的基极间输入（无接地点）。2、工作原理：l当输入信号为左正右负时，若忽略三极管的开启电压，则T1、T4导通，T2、T3截止，VCC经C-E1、RL

21、、C-E4到地，在负载上形成前半周的大电流与大电压，方向为左正右负；l当输入信号为左负右正时，若忽略三极管的开启电压，则T2、T3导通，T1、T4截止，VCC经C-E2、RL、C-E3到地，在负载上形成后半周的大电流与大电压，方向为左负右正。3、有关参数：（1）最大输出功率：负载上得到的电压峰值为：其有效值为：最大输出功率为：（2）效率：半周期内Iv的平均值为：在输出最大功率时，集电极电流最大，电源提供的电流最大：故：电源在整个周期提供的平均功率为：（3）最大管耗：每只管子在一周期内的管耗：同理：若忽略管压降管耗UCES，最大管耗为：因：故：（4）最大集电极电流：（5）击穿电压：在在VCC、UCES相同的情况下，相同的情况下，三种功率放大器的比较三种功率放大器的比较 在在VCC、UCES相同的情况下，相同的情况下，三种功率放大器的比较三种功率放大器的比较