電路與電子技術-第6章--集成運算放大器及其應用2演示文檔

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.,6.2.3 中間級——采用有源負載的共射放大電路,中間級的主要任務是提供足夠大的電壓放大倍數，要求中間級本身具有較高的電壓增益，同時為了減少對前級的影響，還應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，而且，為了提高電壓放大倍數，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的同時必須提高電源電壓，當電源電壓增大到一定程度時，電路的設計就變得不合理了。,三極管工作在放大區(qū)（也稱恒流區(qū)）時，c-e之間的等效電阻rce的值很大。因此，在集成運放中，常采用由三極管構成的電流源取代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，對于交流信號，又可得到很大的等效的Rc。這樣的電路稱之為有源負載。,另外，中間級的放大管有時采用復合管的結構形式，這樣可以有很高的電流放大系數β，以便提高本級的電壓放大倍數，而且能夠大大提高本級的輸入電阻，特別是在前級采用有源負載時，其效果是提高了集成運放總的電壓放大倍數。,.,復合管的幾種接法,1. 復合管的接法及其β和rbe,復合管可由兩個或兩個以上三極管組合而成。復合管的接法有多種，它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成為NPN型或同為PNP型。,.,.,綜合上圖所示的幾種復合管，可以得出以下結論：,復合管的復合原則：,一是在前后兩個三極管的連接關系上，應保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實際方向一致，以便形成適當的電流通路，否則電路不能形成通路，復合管無法正常工作。,二是為了實現電流放大，應將前級管的集電極電流或發(fā)射極電流作為后級管的基極電流，外加電壓的極性應保證前后兩個三極管均為發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，使兩管都工作在放大區(qū)。,1）由兩個相同類型的三極管組成的復合管，其類型與原來相同。復合管的β≈β1β2，復合管的rbe = rbe1 +（1 +β1）rbe2 。,2）由兩個不同類型的三極管組成的復合管，其類型與前級三極管相同。復合管的β=β1（1 + β2）≈β1β2，復合管的rbe = rbe1 。,.,其中三極管T1和T2組成的NPN型復合管是放大管，是T3管的有源負載。,,根據基準電流IREF，即可確定放大管的集電極靜態(tài)電流ICQ。當β＞＞2時，ICQ≈IREF。,2. 由復合管構成的有源負載共射放大電路,集成運放的輸出級應有較低的輸出電阻，以提高電路的帶負載能力。同時，也希望有較高的輸入電阻，以免影響中間級共射電路的電壓放大倍數。,復合管構成的有源負載 共射放大電路,T3與T4組成鏡像電流源，作為偏置電路，負責為放大管提供合適的集電極直流偏置電流ICQ。,由圖可得，基準電流IREF由VCC、T4和R支路產生，其表達式為：,.,,,例： 擴音系統(tǒng),功率放大器的作用： 用作放大電路的輸出級，以驅動執(zhí)行機構。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉等。,6.2.4 輸出級——功率放大電路,集成運放的輸出級是向負載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采用互補對稱的功率放大電路。,.,（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，使輸出信號容易產生非線性失真，這就需要根據負載要求規(guī)定允許的失真度范圍。,1. 功率放大電路的特點,（1）射極輸出器的輸出電流較大，輸出電阻小，帶負載能力強，通常采用射極輸出器作為基本的功率放大電路。實用的功率放大電路中大多采用雙管的互補對稱電路形式。,（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的失真，互補對稱電路可消除其非線性失真。,.,低頻功率輸出級按功放管的工作狀態(tài)，可分為甲類、乙類、甲乙類三種。它們各有特點。,甲類放大電路的工作點設置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點是在輸入信號的整個周期內三極管都處于導通狀態(tài)，輸出信號失真?。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),缺點是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ，這時管耗PC大，而且甲類放大時，不管有無輸入信號，電源供給的功率是不變的。甲類放大電路的效率最高也只有50%，那些對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。,甲類功率放大電路的工作狀態(tài)如左圖所示,,.,如果在甲類的基礎上，把靜態(tài)工作點Q向下移動，使靜態(tài)電流ICQ等于零，這樣就能改變甲類放大時效率低的狀況，這種工作方式下的電路稱為乙類放大電路。乙類放大電路的工作點設置在截止區(qū)。乙類放大電路提高了能量的轉換效率，在理想情況下效率可達78.5%，但此時卻出現了嚴重的波形失真，在輸入信號的整個周期，僅在半個周期內三極管導通，有電流流過，只能對半個周期的輸入信號進行放大。,乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示,,.,,如果將工作點Q設在放大區(qū)但接近截止區(qū)，使三極管的導通時間大于信號的半個周期，且小于一個周期，這類工作方式下的電路稱為甲乙類放大電路。目前常用的音頻功率放大電路中，功放管多數是工作在甲乙類放大狀態(tài)。這種電路的效率略低于乙類放大，但它克服了乙類放大電路的失真問題，目前使用較廣泛。,甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)如圖所示,.,3. 雙電源互補對稱電路 (OCL:output Capacitorless電路),1）電路圖,T1、T2管交替工作, 流過RL的電流為一完整的正弦波信號, 波形如上圖所示。由于該電路中兩個管子導電特性互為補充, 電路對稱, 因此該電路稱為互補對稱功率放大電路。稱為無輸出電容的功率放大電路，即OCL（Output Capacitorless）,.,2 指標計算,雙電源互補對稱電路的圖解分析,.,（1）最大輸出功率：當輸入信號足夠大時，可使負載獲得最大輸出功率。負載電壓為正弦波形，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OCL互補對稱功率放大電路的主要工作指標如下：,.,（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，在一個周期里兩個電源提供的平均功率為：,,,因此, 直流電源UCC供給的功率為,負載電流幅值為：,這是在輸入信號足夠大時得到的電源功率。,.,,,當輸入信號足夠大，并忽略管子的飽和壓降UCES時，其效率為：,這是理想狀態(tài)的效率，實際效率要比這個數值小。,（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?？汕蟮卯?,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均與信號的幅值有關，故PT也隨之變化。,為了求出何時管耗最大，令,上式對K的導數為0時，PT將為最大值,,.,每個管子的管耗約為0.2POmax，當輸出功率最大(K=1)時，總管耗約為0.27POmax,將 代入PT式中得,.,交越失真：乙類電路由于靜態(tài)電流為零，因此效率較高；但是它會產生嚴重的波形失真，這是因為當輸入電壓ui小于管子的死區(qū)電壓時，兩個管子均是截止的，這段范圍里的輸出電壓uo = 0，從而在輸出電壓的交越處產生不連續(xù)的間斷點，這種失真稱為交越失真，如圖所示。,交越失真是由于管子工作在乙類狀態(tài)引起的，為了克服這個缺點，實用電路都采用甲乙類互補對稱電路。,3） 存在問題,消除交越失真的辦法,.,為克服乙類電路產生的交越失真，實際工作時采用圖所示的甲乙類OCL互補對稱功率放大電路。圖中通過電阻R1和R2及兩個二極管為三極管T1和T2建立了較小的靜態(tài)基極電流，使其在靜態(tài)時已處于微導通狀態(tài)，這種偏置方式稱為甲乙類電路。由于三極管已導通，當加入輸入信號ui后，輸出電流流過負載時，在負載上得到輸出電壓，在正負交替處比較平滑，因此輸出波形將是較為理想的正弦波。,（2）甲乙類OCL電路,在甲乙類電路中為減小靜態(tài)損耗，提高效率，通常工作點選得很低。甲乙類電路的工作狀況和乙類基本相似，各項技術指標可按乙類電路方式估算。,.,圖所示電路中，由于靜態(tài)時T1、T2兩管的發(fā)射極電位為零，故負載可直接連接到發(fā)射極，不采用耦合電容，因此稱為OCL電路。其優(yōu)點是低頻效應好，便于集成。缺點是需兩個獨立電源，使用很不方便。為簡化電路，采用單電源供電的互補對稱功率放大電路，如圖所示。兩圖相比省去了一個負電源（-VCC），在兩管的發(fā)射極與負載之間增加了電容C，這種電路通常稱為無輸出變壓器的功率放大電路，即OTL（Output Transformless）功率放大電路。,4. OTL互補對稱功率放大電路,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導電支路，使靜態(tài)時存在一個較小的電流從+VCC流經RC、R、D1、D2、R2到-VCC，在T1和T2的基極之間產生一個電位差，故靜態(tài)時兩只三極管已有較小的基極電流，因而兩管也各有一個較小的集電極電流。當輸入正弦電壓uI時，在正、負半周兩管分別導電的過程中，將有一段短暫的時間T1、T2同時導電，避免了兩管同時截止，因此交替過程比較平滑，減小了交越失真。,無輸出變壓器的功率放大電路OTL（Output Transformless）,OTL互補功放電路,.,互補對稱功率放大電路,如集成運放輸出端的負載電流比較大，必須要求互補對稱管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，因此就需要中間級輸出大的推動電流提供給輸出級。在集成運放電路中，中間級一般是電壓放大，很難輸出大的電流。,5. 由復合管組成的互補對稱功率放大電路,為解決此問題，一般輸出級采用由復合管構成的互補對稱電路。如下圖所示。這種互補對稱電路有一個缺點，大功率三極管T3是NPN型，而T4是PNP型，它們類型不同，很難做到特性互補對稱。,.,為了克服這個缺點，可使T3和T4采用同一類型甚至同一型號的三極管，例如二者均為NPN型，而T2則用另一類型的三極管，如PNP型，如圖所示。此時T2與T4組成的復合管為PNP型，可與T1、T3組成的NPN型復合管實現互補。這種電路稱為準互補對稱電路。圖中接入電阻R e1和R c2是為了調整功率管T3和T4的靜態(tài)工作點。,為解決類型不同，特性互補不對稱采用下面電路,,,.,6.3 集成運放的典型電路及性能指標,6.3.1 雙極型集成運放F007,F007屬于第二代通用型集成運放，目前應用比較廣泛。,F007的外形常見的為圓殼式，共有12個引腳，如圖（a）所示。各引腳與外電路的連接示意圖見圖（b）。,1) 引腳,.,2)原理圖：包括四部分：偏置電路、差分放大輸入級、中間級以及輸出級和過載保護電路。,,,.,雙端輸入、單端輸出差分放大電路,以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路,用準互補電路消除交越失真的準互補輸出級,三級放大電路,,,,,,,,,,簡化電路、分解電路,.,,,,1 、找出偏置電路,若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。,,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點的穩(wěn)定 T（℃）↑→ IC1↑IC2↑ → IC8↑ IC9與IC8為鏡像關系 → IC9↑ 因為IC10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,,,,,,,.,T7的作用：抑制共模信號 放大差模信號 T5、T6分別是T3、T4的有源負載，增大電壓放大倍數。 特點：輸入電阻大、差模放大倍數大、共模放大倍數小、輸入端耐壓高，并完成電平轉換（即對“地”輸出）。,作用？,,,,輸入級,輸入級的主要作用是減小零漂，提高共模抑制比,.,中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數。 F007的中間級是以復合管為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。,,中間級,,,3 、 中間級,中間級不僅能提供很高的電壓放大倍數，而且具有很高的輸入電阻,.,準互補輸出級 電路消除交越失真（R7、R8） D1和D2起過流保護作用 未過流時，兩只二極管均截止。 iO增大到一定程度，D1導通，為T14基極分流，從而保護了T14。 特點 輸出電阻小 最大不失真輸出電壓高,,輸出級,,,4 、 輸出級和過載保護,輸出級采用這種準互補對稱結構，主要是為了提高運放的輸出功率和帶負載能力。,.,判斷同相輸入端和反相輸入端,F007電路分析（同學自行分析）,T3和T4組成共基放大電路，共基電路是同相放大,.,⒈開環(huán)差模電壓增益AOd,開環(huán)差模電壓增益是指集成運放無外加反饋時輸出電壓與輸入差模電壓之比。,AOd的含義,AOd(dB)=20lgAOd,它是決定運放運算精度的重要因素。目前高增益的集成運放的AOd可達到107以上。,常以分貝(dB)表示：,6.3.2 集成運算放大器的技術指標,.,⒉輸入失調電壓UIO,為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。它表征了 輸入級差分對管UBE的失調程度，在一定程度上反映了溫漂的大小。高質量的產品UIO在1mV以下。,⒊輸入失調電壓的溫漂,它是指在規(guī)定工作范圍內UIO的溫度系數，是衡量電路溫漂的重要指標，這個指標往往比UIO更為重要，因為UIO可以通過調零的辦法來補償，而卻不能被補償。高質量的集成運放的＜0.5μV/℃。,⒋輸入偏置電流IIB,集成運放輸出為零時，兩個輸入端所需電流的平均值，稱為輸入偏置電流。一般集成運放的IIB為微安量級，高質量的為納安量級。,⒌輸入失調電流IIO,集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端的偏置電流之差，稱為輸入失調電流。IIO=IB1-IB2,.,⒍輸入失調電流的溫漂,dIIO/dT這是指在規(guī)定工作范圍內IIO的溫度系數。高質量的運放可為幾個皮安每度(PA/℃)。,⒎差模輸入電阻rid,rid是指運算放大器開環(huán)時，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輸入端看入的動態(tài)電阻。,⒏共模抑制比KCMR,高質量的集成運放的KCMR可達160dB以上。,其定義與差動放大電路中的相同，不同類型運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開環(huán)輸出電阻ro,運算放大器開環(huán)時的動態(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,運放的差模電壓放大倍數在高頻段下降3dB所定義的帶寬 f H 。,.,集成運算放大器的簡化等效電路,.,運放在電路中的符號如圖所示。,運放符號,