常用放大电路.pdf

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1、第八章第八章电子信息系统中常用放大电路电子信息系统中常用放大电路引言引言在电子信息系统中，常常需要将通过传感器或其它途径所采集的小信号进行放大才能进行运算、滤波等处理，往往也需要将信号进行转换或进一步放大或功率放大。本章将介绍几种常用的预处理放大电路、信号转换电路、功率放大电路、集成功率放大电路及锁相环在信号转换电路中的应用。8.18.1预处理放大电路预处理放大电路8.1.18.1.1仪表用放大器仪表用放大器集成仪表用放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。一、仪表用放大器的特点一、仪表用放大器的特点在测量系统中，通常都用传感获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此

2、，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言，信号源内阻Rs是变量，根据电压放大倍数的表达式AusRi AuRs Ri可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻Ri RS，Ri愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。综上所述，仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。二、基本电路二

3、、基本电路集成仪表用放大器的具体电路多种多样，但是很多电路都是在图8.1.1 所示电路的基uA u11，uB u12，础上演变而来。根据运算电路的基本分析方法，在图 8.1.1 所示电路中，因而常用放大电路uI1uI2R2(uO1uO2)2R1 R22R1)(uI1uI2)R2uO1uO2(1所以输出电压uO 设u1d(u11u12)，则RfR2R(uO1uO2)f(11)(uI1uI2)(8.1.1)RRR2uO 当Rf2R(11)uId(8.1.2)RR2uI1uI2 uIc，由于uAuBuIc，R2中 电 流 为 零，输出电压uO 0。可见，uO1uO2uIc，电路放大差模信号，抑制共模

4、信号。差模放大倍数数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。三、集成仪表用放大器三、集成仪表用放大器1反向14输入2103100410001000倍5增益设定7设定增益增益6测定15同相输入+R14.44kR2404_A116输入级失调调节5pFR420k40.04R35pF5pFR520k_+A220k_+20kA320k11输出1020k5pF129公共端+VCC-VCC图 8.1.2型号为INA102的集成仪表用放大器308模拟电子技术教程图 8.1.2 所示为型号用 INA102（AD8221）的集成仪表用放大器，图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由A1和

5、A2组成，与图 8.1.1 所示电路中的A1和A2对应，电阻R1、R2和R3与图 8.1.1 中的R2对应，R4、R5与图 8.1.1 中的R1对应，第二级电路的电压放大倍数为 1。INA102 的电源和输入级失调调整引脚接法如图 8.1.3 所示，两个1F电容为去耦电容。改变其它管脚的外部接线可以改变第一级电路的增益，分为 1、10、100 和 1000 四种情况，接法如表 8.1.1 所示。INA102 的输入电阻可达104M，共模抑制比为 100dB，输出电阻为0.1，小信号带宽为300kHz；当电源电压15V 时，最大共模输入电压为12.5V。表表 8.1.18.1.1INA102IN

6、A102 集成仪表用放大器增益的设定集成仪表用放大器增益的设定增益110引脚连接6 和 72 和 6 和 7增益1001000u11u1215+14 _-VCC1F-VCC输入级失调调整1A9101612+VCC1FuO图 8.1.3INA102的外接电源和输入级失调调整引脚连接3 和 6 和 74 和 7，5 和 6四、应用举例四、应用举例图 8.1.4 所地为采用 PN 结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为50 150oC分辨率为 0.1oC。电路由三部分组成，如图中所标注。图中R1、R2、D和RW1构成测量电桥，D 为温度测试元件，即温度传感器。电桥的输出信号接到集成信表放大器 I

7、NA102 的输入端进行放大。A2构成的电压跟随器，起隔离作用。电压比较器驱动电压表，实现数字化显示。+VCC_R1R2_A1+DRW1R4R5uO1RW2A2+uO2测量电桥仪表放大电路及电压跟随器数字电压表图 8.1.4数字式温度计电路常用放大电路设放大后电路的灵敏度为10mV/oC,则在温度从50oC时，输出电压的变化范围为2V，即从-0.5+1.5V。当INA102 的电源电压为18V 时，可将INA102 的引脚、连接在一起，设定仪表放大器的电压放在倍数为 10，因而仪表放器的输出电压范围为-5+15V。根据运算电路的分析方法，可以求出A1、A2输出电压的表达式为uO1 10(uDu

8、RW1)uO2 10R5(uDuRW1)(8.1.3)RW2改变RW2滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。8.1.28.1.2 电荷放大器电荷放大器某些传感器属于电容性传感器，如压电式加速度传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如图8.1.5 所示。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势ut与一个输出电容Ct串联，如图中虚线框内所示。ut、Ct和电容上的电量 q 之间的关系为utq(8.1.4)CtRfCfAC+u

9、O传感器_A+uO电容性传感器Ct+ut-_Cf图 8.1.5电荷放大器Cf上并联电阻 R图 8.1.6f电荷放大器在理想运放条件下，根据“虚短”和“虚断”的概念，uP uN 0为虚地。将传感器对地的杂散电容 C 短路，消除因 C 而产生的误差。集成过放A 的输出电压1CjCfuO tut1CfjCt将式（8.1.4）代入，可得310模拟电子技术教程uOq（8.1.5）Cf为了防止因Cf长时间充电导致集成运放饱和，常在Cf并联电阻Rf，如图 8.1.6 所示。并联Rf后，为了使11 Rf，传感器输出信号频率不能过低，f 应大于。2 RfCfCf在实用电路中，为了减少传感器输出电缆的电容对放大电

10、路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管；如图 8.1.6 所示。8.1.38.1.3隔离放大器隔离放大器在远距离信号传输的过程中，常因强干扰的引入使放大电路的输出有着很强的干扰背景，甚至将有用信号淹没，造成系统无法正常工作。将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器。它既可切断输入侧和输出侧电路间的直接联系，避免干扰混入输出信号，又可使有用信号畅通无阻。目前集成隔离放大器有变压器耦合式、光电耦合式和电容耦合式三种。这里仅就前两种电路简单加以介绍。一、变压器耦合式一、变压器耦合式变压器耦合放大电路不能放大

11、变化缓慢的直流信号和频率很低的交流信号。在隔离放大器中，在变压器的输入侧，将输入电压与一个具有较高固定频率的信号混合（称为调制）；经变压器耦合，在输出侧，再将调制信号还原成原信号（称为解调），然后输出；从而达到传递直流信号和低频信号的目的。可见，变压器耦合隔亢放大器通过调制和解调的方法传递信号。调制和解调技术广泛用于无线电广播、电视发送和接收以及其它通信系统之中。图 8.1.7 所示为型号是 AD210 的变压器耦合隔离放大器，其引脚及其功能如表8.1.2所示，为了阅读方便，表中引脚号与图8.1.7 所示对应。图中A1为输入放大电路，可以同相输入，也可以反相输入，分别构成同相比例运算电路或反相

12、比例运算电路，从而设定整个电路的增益，增益数值为1100。A1的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合，然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路还原，最后通过A2构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，经电源电路变换为直流电，为A1和调制电路供电；振荡器的输常用放大电路AD210FBINININCOM161719181415输入侧电源振荡电路_A1+调制电路解调电路_+A2123OUTOUTCOM输出侧电源+VOSS-VOSSPWRPWRCOM42930+VISS-VISS出通过变压器耦合输出侧，经电源电路变换为直流电，为A2和解调电路供电；而振荡器由

13、外部供电。表表 8.1.28.1.2AD210AD210 变压器耦合隔离放大器的引脚及其功能变压器耦合隔离放大器的引脚及其功能引脚号161719181415功能输入放大电路的输出端用于接入反馈反相输入端同相输入端输入侧公共端输入侧正电源输入侧负电源引脚号12342930功能电路输出端输出侧公共端输出侧正电源输出侧负电源外接的电源电压外接电源的公共端图 8.1.7AD210变压器耦合隔离放大器由此可见，输入侧、输出侧和持荡器的供电电源相互隔离，并各自有公共端。这类隔离放大器称为三端口隔离电路，其额定隔离电压高达2500V。此外，还有二端口电路，这类电路的输出侧电源和振荡器电源之间有直流通路，而它

14、们与输入侧电源相互隔离。在变压器隔离放大器中，变压器的制作，应采用尽量降低匝电容、使绕组严格对称、在初、次级间加屏蔽等工艺手段来减小外界磁场的影响，增强隔离效果。二、光电耦合式二、光电耦合式图 8.1.8 所示为型号是 ISO100 的光耦合放大器，由两个运放A1和A2、两个恒流源IREF1和IREF2以及一个光电耦合器组成。光电耦合器由一个发光二极管LED 和两个光电二极管D1和D2组成，起隔离作用，使输入侧和输出侧没有电通路。两侧电路的电源与地也相独立。ISL100的基本接法如图8.1.9所示R和Rf为外接电阻，调整它们可以改变增益。若D1和D2所受光照相同，则可以证明312模拟电子技术教

15、程uORfuIR161517_A1+13147ISO100856ININ_+A2D1D2LED+u1-9OUTCOM42-VCC2+VCC21210-VCC1+VCC118INCOMA1的电源A2的电源图 8.1.8ISO100光电耦合放大器8.1.48.1.4放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施在微弱信号放大时，干扰和噪声的影响不容忽视。因此，常用抗干扰能力和信号噪声比作为性能指标来衡量放大电路这方面的能力。一、干扰的来源及抑制措施一、干扰的来源及抑制措施较强的干扰常常来源于高压电网、电焊机、无线电发射装置（如电台、电视台等）以及雷电等，它们所产生的电磁波或尖

16、峰脉冲通过电源线、磁耦合或传输线间的电容进入放大电路。因此，为了减小干扰对电路的影响，在可能的情况应远离干扰源，必要时加金属屏蔽罩；并且在电源接入电路之处加滤波环节，通常将一个10 30F的钽电容和一个0.01 0.1F独石电容并连接在电源接入处；同时，在已知干扰的频率范围的情况下，还可在电路中加一个合适的有源滤波电路。二、噪声的来源及抑制措施二、噪声的来源及抑制措施在电子电路中，因电子无序的热运动而产生的噪声，称为热噪声；因单位时间内通过 PN 结的载流子数目的随机变化而产生的噪声，称为散弹噪声；上述两种噪声的功率频谱均为均匀的。此外，还有一种频谱集中的低频段且与频率成反比的噪声，称为闪烁噪

17、声或 1/f 噪声。晶体三极管和场效应管中存在上述三种噪声，而电阻中仅存在热噪声和1/f噪声。若设放大器的输入和输出信号的功率分别为Psi和Pso，输入和输出的噪声功率为Pni3OUTR151716783+9uO-RfISO10018IBEF1BAL(平衡)IBEF2BAL(平衡)图 8.1.9ISO100的基本接法常用放大电路和Pno，则噪声系数定义为NFPsi/Pni或NF(dB)100lgNF(8.1.6)Pso/Pno因为P U2/R，故可以将式（8.1.6）改写为NF(dB)100lgUsi/Uni(8.1.7)Uso/Uno在放大电路中，为了减小电阻产生的噪声，可选用金属膜电阻，且

18、避免使用大阻值电阻；为了减小放大电路的噪声，可选用低噪集成运放；当已知信号频率范围时，可加有源滤波电路；此外，在数据采集系统中，可提高放大电路输出量的取样频率，剔除异常数据取平均值的方法，减小噪声影响。8.28.2信号转换电路信号转换电路8.2.18.2.1电压电压-电流转换电路电流转换电路在控制系统中,为了驱动执行机构，如记录仪、继电器等，常需要将电压转换成电流；而在监测系统中，为了数字化显示，又常将电流转换成电压，再接数字电压表。在放大电路中引入合适的反馈，就可实现上述转换。一、电压一、电压-电流转换电路电流转换电路图 8.2.1 所示为实现电压-电流转换的基本原理电路。由于电路引入了负反

19、馈，uNuP 0,负载电流iLiIuI（8.2.1）RiL与uI成线性关系。由于图 8.2.1 所示电路中的负载没有接地点，因而不适用于某些应用场合。图 8.2.2 所示为实用的电压-电流转换电路。由于电路引入了负反馈，A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。图中R1 R2 R3 R4 R，因此uO2 uP2uP1R4R3uIuP2 0.5uI 0.5uP2（8.2.2）R3 R4R3 R4R2uO1 1uP1 2uP1R1314模拟电子技术教程将式（8.2.2）代入上式，uO1 uP2uI，Ro上的电压uRo uO1uP2 uI所以iOuI（8.2.3）RoR2iLiI_R1R3uIR

20、4uON1_P1RLA1+RouO1iOuIR+ARRL_uO2A2+N2P2图 8.2.1 电压-电流转换的基本原理电路图 8.2.2 实用的电压-电流转换电路二、电流二、电流-电压转换电路电压转换电路iF图 8.2.3 所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻Ri 0，因而iF iS，故输出电压_iSRsRRiRfuO iSRf（8.2.4）应当指出，因为实际电路的Ri不可能为零，所以A+RLuORs比Ri大得愈多，转换精度愈高。8.2.28.2.2 精密整流电路精密整流电路将交流电转换为直流电，称为整流。精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出保留输

21、入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。当输入电压为正弦波时，半波整流电路的输出电压波形如图 8.2.4 中uO1（或-uO1）OuO2（或-uO2）OOuI图 8.2.3 电流-电压转换电路tuO1所示，全波整流电路的输出电压波形如图8.2.4 中uO2所示。在图 8.2.5(a)所示的一般半波整流电路中，由于二极管的伏安特性如图(b)所示，当输入电压uI幅值小于二极管的开启电压Uon时，二极管tt图 8.2.4整流电路的波形常用放大电路在信号的整个周期均处于截止状态，输出电压始终为零。即使uI幅值足够大，输出电压也只反映uI大于Uon的那部分电压的大小。因此，该电路不能对微弱信号整流。iD

22、+uIOR+uOOUonu-(a)-t(b)图 8.2.5一般半波整流电路（a）半波整流电路（b）二极管的伏安特性 0，图 8.2.6(a)所示为半波精密整流电路。当uI 0时，必然使集成运放的输出uO从而导致二极管D2导通，D1截止，电路实现反相比例运算，输出电压uO RfuI（8.2.5）R 0，从而导致二极管D1导通，D2截止，Rf当uI 0时，必然使集成运放的输出uO中电流为零，因此输出电压uO 0。uI和uO的波形如图(b)所示。RfuI_D1OuOOtuIR+ARuOD2uOt(a)(b)图8.2.6 半波精密整流电路及其波形（a）电路（b）波形分析如果设二极管的导通电压为0.7V

23、，集成运放的开环差模放大倍数为50 万倍，那么为使二极管D1导通，集成运放的净输入电压uPuN0.7-5V 0.1410 V 1.4V5105同理可估算出为使D2导通集成运放所需的净输入电压，也是同数量级。可见，只要输入电压uI使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化，就可以改变D1和D2工作状316模拟电子技术教程态，从而达到精密整流的目的。图 8.2.6(b)所示波形说明当uI 0时uO KuI(K 0)，当uI 0时uO 0。可以想象，若利用反相求和电路将 KuI与uI负半周波形相加，就可实现全波整流，电路如图8.2.7(a)所示。分析由A2所组成的反相求和运算电路可知，输出电压uO u

24、O1uI当uI 0时，uO1 2uI，uO 2uIuIuI；当uI 0时，uO10，uO uI；所以uO|uI|（8.2.6）故图 8.2.7(a)所示电路也称为绝对值电路。当输入电压为正弦波和三角波时，电路输出波形分别如图(b)和(c)所示。2RD1_RD2RuO1+_uIR+A1R1RA2R2uOuI(a)uIOtOtuOuOO(b)tO(c)t图8.2.7 全波精密整流电路及其波形（a）电路（b）输入正弦波时的输出波形（c）输入三角波时的输出波形【例例 8.2.18.2.1】分析图 8.2.8 所示电路输出电压与输入电压间的关系，并说电路功能。uO1 0，解解：当uI 0时，二极管D截止

25、，故uP1uN2uI，使iR1iR2 0，因而uOuI。当uI 0时，uO2 0，D 导通，uP1uN2uP2 0为虚地，故uO 此R2uI uI。因R1uO|uI|电路的功能是实现精密全波整流，或者说构成|绝对值电路。常用放大电路通过精密整流电路的分析可知，当分析含有二极管(或三极管、场效应管)的电路时，一般应首先判断管子的工作状态，然后求解输出与输入间的函数关系。而管子的工作状态通常决定于输入电压(如整流电路)或输出电压(如压控振荡电路)的极性。uIR3N2_P2R4+R2N1_R1P1+DA2uO2A1uO8.2.38.2.3电压电压-频率转换电路频率转换电路电压-频率转换电路(VFC)

26、的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路(VCO)，简称压图 8.2.8例8.2.1电路图控振荡电路。通常，它能够输出矩形波。可以想象，如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，经预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么都可以得到该物理量的数字式测量仪表，如图 8.2.9 所示。因此，可以认为电压-频率转换电路是一种模拟量到数字量的转换电路，即模-数转换电路。电压-频率转换电路广泛应用于模拟-数字信号的转换、调频、遥控遥测等各种设备之中。其电路形式很多

27、，这里仅对基本电路加以介绍。预处理电路直流电压压控振荡器计数显示传感器图 8.2.9数字式测量仪器一、由集成运放构成的电压一、由集成运放构成的电压-频率转换电路频率转换电路1.电荷平衡式电路图 8.2.10 所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图，它由积分器和滞回比较器组成，S 为电子开关，受输出电压uO的控制。设uI 0，|I|iI|；uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL；当uOUOH时 S 闭合，当uOUOL时 S 断开。若初态uOUOL，S 断开，积分器对输入电流iI积分，且iIuI/R，uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，uO从UOL跃变为UOH，使 S 闭合，积分器

28、对恒流源电流 I 与iI的差值积分，且 I 与iI的差值近似为 I，uO1随时间下降；因为|I|iI|，所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL，回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图(b)所示。由于TlT2，可以认318模拟电子技术教程UT2iIuI(uI0)R+_uO1AIRuO1滞回比较器uOUT1UOHuOSUOLT1T(a)(b)T2图 8.2.10电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图及波形分析（a）原理图（b）波形分析为振荡周期T Tl。而且，uI数值愈大，Tl愈小，振荡频率 f 愈高，因此实现了电压-频率转换，或者说实现

29、了压控振荡。以上分析说明，电流源 I 对电容 C 在很短时间内放电(或称反向充电)的电荷量等于iI在较长时间内充电(或称正向充电)的电荷量，故称这类电路为电荷平衡式电路。CR1uI(uI0)R+_tUREFuOAuO1UREF(UREF0)A1+R3uO1UREFR4+_A2R9uODZUZR2-VCCR6R7R8图 8.2.14复位式电压-频率转换电路二、集成电压二、集成电压-频率转换电路频率转换电路集成电压-频率转换电路分为电荷平衡式(如 AD650、VFC101)和多谐振荡器式(如AD654)两类，它们的性能比较见表8.2.1。表表 8.2.18.2.1集成电压集成电压-频率转换电路的主

30、要性能指标频率转换电路的主要性能指标指标参数满刻度频率非线性电压输入范围输入阻抗电源电压范围电源电流最大值单位MHz%VkVmAAD65010.005-1002509188AD6540.50.060（VS-4）（单电源供电）-VS（VS-4）（双电源供电）250103单电源供电：4.53.6双电源供电：5183常用放大电路表中参数表明，电荷平衡式电路的满刻度输出频率高，线性误差小，但其输入阻抗低，必须正、负双电源供电，且功耗大。多谐振荡器式电路功耗低，输入阻抗高，而且内部电路结构简单，输出为方波，价格便宜，但不如前者精度高。很多集成电压-频率转换电路均可方便地实现频率-电压转换，如型号为 AD

31、650 和AD654 的集成电路，这里不再详细介绍。8.38.3功率放大电路功率放大电路8.3.18.3.1变压器耦合功率放大电路变压器耦合功率放大电路传统的功率放大电路为变压器耦合式电路。如图 8.3.1 所示。由于采用了两只晶体管，在信号的正、负半周交替导通工作，因此也叫变压器耦合乙类推挽功率放大电路。在图 8.3.1 所示电路中，设晶体管 b-e 间的开启电压可忽略不计，T1和T2管的特性完全相同，输入电压为正弦波。当输入电压为零时，由于T1和T2的发射结电压为零，均处于截止状态，因而电源提供的功率为零，负载上电压也为零，两只管子的管压降均为VCC。当输入信号使变压器副边电压极性为上“+

32、”下“-”时，T1管导通，T2管截止，电流如图中实线所示；当输入信号使变压器副边电压图 8.3.1+uI-+N2-N2+T2T1N3VCCN3N4RLN1变压器耦合乙类推挽功率放大电路极性为上“-”下“+”时，T2管导通，T1管截止，电流如图中虚线所示。同类型管子(T1和T2)在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。8.3.28.3.2无输出变压器的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路变压器耦合功率放大电路的优点是可以实现阻抗变换，缺点是体积庞大、笨重、消耗有色金属，且效率较低，低频和高频特性均较差。无输出变压器的功率放大电路(简称为 OTL 电路)用一个大容量电容取代了变压器，如图 8

33、.3.2 所示。虽然图中T1为 NPN 型管，T2为 PNP 型管，但是它们的特性对称。静态时，前级电路应使基极电位为VCC/2，由于T1和T2特性对称，发射结电位也为VCC/2，故电容上的电压为VCC/2，极性如图 8.3.2 所标注。设电322模拟电子技术教程容容量足够大，对交流信号可视为短路；晶体管 b-e 间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波。当ui 0时，T1管导通，T2管截止，电流如图8.3.2 中实线所示，由T1和RL组成的电路为射极输出形式，uOui；当ui 0时，T2管导通，T1管截止，电流如图 8.3.2中虚线所示，由T2和RL组成的电路也为射极输出形式，uOui；故电

34、路输出电压跟随输入电压。由于一般情况下功率放大电路的负载电流很大，电容容量常选为几千微法，且为电解电容。电容容量愈大，电路低频特性将愈好。但是，当电容容量增大到一定程度时，由于两个极板面积很大，且卷制而成，电解电容不再是纯电容，而存在漏阻和电感效应，使得低频特性不会明显改善。8.3.38.3.3无输出电容的功率放大电路无输出电容的功率放大电路在集成运算放大电路一章中所介绍的互补输出级摒弃了输出电容，如图8.3.3 所示，称为无输出电容的功率放大电路，简称简称 OCLOCL 电路电路。在 OCL 电路中，T1和T2特性对称，采用了双电源供电。静态时，T1和T2均截止，输出电压为零。设晶体管b-e

35、 间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波。当ui 0时，T1管导通，T2管截止，正电源供电，电流如图 8.3.3 中实线所示，电路为射极输出形式，uOui；当ui 0时，T2管导通，T1管截止，负电源供电，电流如图 8.3.3 中虚线所示，电路也为射极输出形式，uOui；可见电路实现了“T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随”。不同类型的两只晶体管(T1和T2)交替工作、且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路，两只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。8.3.48.3.4桥式推挽功率放大电路桥式推挽功率放大电路在 OCL 电路中采用了双电源供电，虽然就功放而

36、言没有了变压器和大电容，但是在制作负电源时仍需用变压器或带铁芯的电感、大电容等，所以就整个电路系统而言未必是最佳方案。为了实现单电源供电，且不用变压器和大电容，可采用桥式推挽功率放大电路，简称 BTL 电路，如图 8.3.4 所示。图中四只管子特性对称，静态时均处于截止状态，负载上电压为零。设晶体管b-e间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波，假设正方向如图中所标注。当ui 0时，常用放大电路电流如图 8.3.4T1和T4管导通，T2和T3管截止，中实线所示，负载上获得正半周电压；当ui 0时，T2和T3管导通，T1和T4管截止，电流如图8.3.4 中虚线所示，负载上获得负半周电压，因而负载

37、上获得交流功率。BTL 电路所用管子数量最多，难于做到四只管子特性理想对称：且管子的总损耗大，必然使得转换效率降低；电路的输入和输出均无接地点，因此有些场合不适用。综上所述，OTL、OCL 和 BTL 电路中晶体图 8.3.4 BTL电路T3+T1+uO-RLT4+VCCT2-管均工作在乙类状态，它们各有优缺点，且均有集成电路，使用时应根据需要合理选择。8.3.58.3.5 输出电压与输出电流的扩展电路输出电压与输出电流的扩展电路集成运放选定后,其参数便确定,可以通过附加外部电路来提高它某方面的性能。一、提高输出电压一、提高输出电压为使输出电压幅值提高，势必要将运放的电源电压提高，然而集成运放

38、的电源电压是不能任意改变的，因而电源电压的提高有一定的限度。为此，常采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来提高输出电压幅值，图 8.3.5 所示就是这类电路。设 图 中 集 成 运 放 的 电 源 电 压 为1 5 V，R1T1uPuN+_e1b1R2uOe2T2R3b2R4+VCC(+30V)R1 R2 R3 R4 R。当 集 成 运 放 的 输 入 电 压uP uN 0时，其输出电压uO 0，因而b1和b2点的电位分别为uB1 15V、uB2 15V，b1和b2点的电位差uB1uB230V。若忽略T1与T2管的b-e间电压，则uE1 15V、uE2 15V，uE1uE2uB1

39、uB2，可见对运放 A 来说，其供电电压仍为15V。当有输入信号时，A-VCC(-30V)图 8.3.5提高输出电压的电路uB1uB21VCCuOuO1VCCuO2211VCCuOuOVCCuO22uB1uB2VCC 30V说明两路供电电源的差值与无信号时相同，但是，由于VCC 30V，使得输出电压的幅值变大了，可达二十几伏。324模拟电子技术教程值得注意的是，虽然运放供电电源电压总值(uB1uB2)没变，但实际上，当uO 15V时，运放的正电源电压uB1约为 22.5V，负电源电压uB2约为-7.5V，这将使运放的参数产生一些变化。二、增大输出电流二、增大输出电流为了使负载上获得更大的电流，

40、可在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级，如图 8.3.6 所示。+VCC+VCCR1T1+_+D1ARLT+uO-(a)_AD2T2uO-VCCR2-VCC(b)图 8.3.6增大输出电流的措施（a）加射极输出器（b）加互补输出器8.48.4集成功率放大电路集成功率放大电路OTL、OCL 和 BTL 电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。应当注意，在使用OTL 电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。本节以低频功放为例，讲述集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。8.4.18.4.1集成功率放大电路分析集

41、成功率放大电路分析LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。一、一、LM386LM386 内部电路内部电路LM386 内部电路原理图如图 8.4.1 所示，与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的常用放大电路接旁路电容7R415kR315kR5T18增益设置R61.35kT2I1R76T10电源15015kT4反相输入2R150kT3T5T6输入级同相D1输入D235输出R250kT7T8输出级T

42、94地中间级图 8.4.1 LM386内部电路原理图放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；信号从T3和T4管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。根据第三章关于镜像电流源作为差分放大电路有源负载的分析可知，它可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成 PNP 型管，与 NPN 型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。利用瞬时极性法可以判断出，引脚 2 为反相输入端，引脚 3 为同相输入端。电路由单

43、电源供电，故为 OTL 电路。输出端(引脚 5)应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。二、二、LM386LM386的电压放大倍数的电压放大倍数当引脚 1 和 8 之间开路时，由于在交流通路中T1管发射极近似为地，R5和R6上的动态电压为反馈电压，近似等于同相输入端的输入电压。即为二分之一差模输入电压，于是可写出表达式为UUfUR5UR6i2反馈系数UR5 R6UF fiUoR5 R6 R72Uo所以电路的电压放大倍数UR7Auo 21R R（8.4.1）Ui56326模

44、拟电子技术教程因为R7(R5 R6),所以Au2R7（8.4.2）R5 R6将R5、R6和R7的数据代入，可得Au 20。设引脚 1 和 8 之间外接电阻为 R，则Au2R7（8.4.3）R5 R6/R当引脚 1 和 8 之间对交流信号相当于短路时，Au2R7（8.4.4）R5将R5和R7的数据代入，Au 200。所以，当引脚 1 和 8 之间外接不同阻值的电阻时，Au的调节范围为20 200，因而增益20lg|Au|约为26 46dB。实际上，在引脚 1 和 5(即输出端)之间外接电阻也可改变电路的电压放大倍数。设引脚 1 和 5 之间外接电阻为R，则Au2R7/R（8.4.5）R5 R6应

45、当指出，在引脚1 和 8(或者 1 和 5)外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容。三、三、LM386LM386 的引脚图的引脚图LM386 的外形和引脚的排列如图8.4.2 所示。引脚 2 为反相输入端，3 为同相输入端；引脚 5 为输出端；引脚 6 和4 分别为电源和地；引脚 1 和 8 为电压增益设定端；使用时在引脚 7 和地之间接旁路电容，通常取10F。增益旁路设定电容+VCC输出5876LM386123增益反相同相设定输入输入4地8.4.28.4.2集成功率放大电路的主要性能指标集成功率放大电路的主要性能指标图 8.4.2 LM386的外形和引脚的排

46、列集成功率放大电路的主要性能指标除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。LM386-1 和 LM386-3 的电源电压为 412V，LM386-4 的电源电压为 518V。因此，对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同；当然，对于同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也将不同。已知电源的静态电流(可查阅手册)常用放大电路和负载电流最大值(通过最大输出功率和负载可求出)，可求出电源的功耗，从而得到转换效率。几种典型产品的性能如表8.4.1 所示。表 8.4.1 中所示电压增益均在信号频率为 1kHz 条件下

47、测试所得。应当指出，表中所示均为典型数据，使用时应进一步查阅手册,以便获得更确切的数据。表表 8.4.18.4.1几种集成功放的主要参数几种集成功放的主要参数型号电路类型电源电压范围/V静态电源电流/mA输入阻抗/k输出功率/WLM3864OTL5.01845014.5LM2877OTL（双通道）6.0245TDA1514AOCL103056100048TDA1556BTL（双通道）6.0188012022(VCC16VRL 32)2646300（1，8 开路）0.2%(VCC 23V,RL 4)89（开环）30（闭环）0.0225(VCC14.4V,RL 4)26（闭环）0.0215电压增益

48、/dB频带宽/kHz增益频带宽积/kHz总谐波失真/%（或dB）70（开环）650.07%-90dB0.1%8.4.38.4.3集成功率放大电路的应用集成功率放大电路的应用一、集成一、集成 OTLOTL 电路的应用电路的应用图 8.4.3 所示为 LM386 的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，C1为输出电容。由于引脚1 和 8 开路，集成功放的电压增益为26dB，即电压放大倍数为20。利用Rw可调节扬声器的音量。R 和C2串联构成校正网络用来进行相位补偿。静态时输出电容上电压为VCC/2，LM386 的最大不失真输出电压的峰-峰值约为电源电压VCC。设负载电阻为RL，最大输出功率表达

49、式为2+VCCuiRW10k2 _65C2RLM3863+4C1250F+0.05F10?+uO-VCC/22VCC2（8.4.6）PomRL8RL此时的输入电压有效值的表达式为图 8.4.3 LM386 外接元件最少的用法328模拟电子技术教程VCC22（8.4.7）UimAu当VCC16V、RL32时，Pom1W，Uim 283mV。图 8.4.4 所示为 LM386 电压增益最大时的用法，C3使引脚 1 和 8 在交流通路中短路，使Au 200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当VCC16V、RL32时，与图 8.4.4 所示电路相同，Pom仍约为 1W；但是，输

50、入电压的有效值Uim却仅需 28.3mV。0.1F+VCC0.1FC5+uO-uiRW10k+VCCR2C3uiRW10kC3C510FC12 _61+250F85+LM3863+C2+7C440.05F10FR10C12 _6110k10F250F5+LM3863+7C2C440.05F10FR10+uO-图 8.4.4 LM386 电压增益最大的用法图 8.4.5 LM386 的一般用法图 8.4.5 所示为 LM386 的一般用法，凡改变了LM386 的电压增益，读者可自行分析其Au、Pom和Uim。这里不赘述。二、集成二、集成 OCLOCL电路的应用电路的应用图 8.4.6 所示为 T