集成运算放大器与功率放大器.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,集成运算放大器与功率放大器ppt,第9章集成运算放大器与功率放大器,9.1差分放大器,9.2集成运算放大器简介,9.3集成运算放大器的应用,9.4功率放大器,9.1差分放大器,1.零点漂移,2.基本差分放大器的电路组成及工作原理,(1)电路组成图9-1所示为基本差分放大器，由两个特性相同的单管共发射极放大电路组成，有两个电源供电，且,U,CC,=-,U,EE,。,图9-1基本差分放大器,9.1差分放大器,(2)工作原理,1)静态分析。,2)动态分析:,共模信号与差模信号。共模信号是指无用的干扰或噪声信号。在两输入端加入相同的输入信号，使两只晶体管产生相同的变化，通常把这种大小相等、极性相同的输入信号称为“共模信号”。,对共模信号的抑制作用。在差分放大器中，无论是温度变化，还是电源电压波动，都会引起两管集电极电流及相应集电极电压产生相同的变化，其效果相当于在两个输入端加了共模信号。,9.1差分放大器,对差模信号的放大作用。图9-1中的输入信号,U,i,被两个分压电阻,R,1,和,R,2,分为大小相等、方向相反的差模信号,U,i1,和,U,i2,，分别加到,VT,1,和,VT,2,基极。在差模信号作用下，两管的集电极产生等值而相反的电流变化，它们共同流过,R,E,时相互抵消，因而对差模信号而言，,R,E,不会产生影响，可视为短路。,(3)共模抑制比共模抑制比的定义是，差模放大倍数,A,d,与共模放大倍数,A,c,之比，用,K,CMR,表示，即,例9-1在图9-1所示的差分放大器中，若已知两管各自的单管放大器的放大倍数,A,d1,=,A,d2,=-50，差分放大器的共模放大倍数,A,c,=0.02，试求(1)该差动放大器的差模放大倍数,A,d,；(2)共模抑制比,K,CMR,。,解：(1)A,d,=,A,d1,=,A,d2,=-50,(2),K,CMR,=2500,9.1差分放大器,差分放大器输入端可采用双端输入和单端输入两种方式。,1.双端输入-双端输出接法,2.双端输入-单端输出接法,图9-2双端输入-双端输出差分放大器,9.1差分放大器,图9-3双端输入-单端输出差分放大器,3.单端输入-双端输出接法,9.1差分放大器,4.单端输入-单端输出接法,图9-4单端输入-双端输出差分放大器,9.1差分放大器,图9-5单端输入-单端输出差分放大器,9.2集成运算放大器简介,集成运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大器，作为一种多功能的通用放大器件，它的应用已超出早期的数学运算范畴，广泛应用于电子技术的各个领域，在许多情况下已经取代了分立元器件放大器。,1.组成框图,图9-6集成运算放大器的组成框图,9.2集成运算放大器简介,1)输入级：采用具有较高输入电阻和一定放大倍数的双输入端差分放大器，利用它可以使集成运算放大器获得尽可能高的共模抑制比。,2)中间级：中间级的主要作用是电压放大，使集成运算放大器具有足够的放大倍数，通常由多级共发射极放大器构成。,3)输出级：输出级的作用是使电路有较大的功率输出和较强的带负载能力，并具有一定的保护功能。,4)偏置电路：偏置电路的作用是为各级提供所需的稳定静态工作电流。,2.封装,9.2集成运算放大器简介,图9-7集成运算放大器的封装,9.2集成运算放大器简介,图9-8LM741集成运算放大器,9.2集成运算放大器简介,表9-1LM741集成运算放大器各引脚的作用,3.电路符号,9.2集成运算放大器简介,图9-9集成运算放大器的电路符号,4.分类,为了表征集成运算放大器的性能，生产厂家制定了很多参数。,1)最大输出电压,U,oPP,：指在额定的电源下，集成运算放大器的最大不失真输出电压的峰-峰值。,9.2集成运算放大器简介,2)开环电压放大倍数,A,u,d,:指没有外加反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。,3)输入失调电压,U,IO,:当理想运算放大器的输入电压为零时，为使输出电压也为零，需要在其输入端施加的一个补偿电压。,4)输入失调电流,I,IO,：指输入信号为零时，两个输入端静态电流之差。,5)最大差模输入电压,U,idm,。,6)最大共模输入电压,U,icm,。,7)差模输入电阻,R,id,。,8)输出电阻,R,o,。,9)共模抑制比,K,CMR,。,9.2集成运算放大器简介,1.理想集成运算放大器的概念,1)开环差模电压放大倍数,A,u,d,。,2)开环差模输入电阻,R,id,。,3)开环差模输出电阻,R,od,0。,4)共模抑制比,K,CMR,。,5)没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。,2.理想集成运算放大器的电压传输特性,图9-10理想运算放大器符号,9.2集成运算放大器简介,图9-11集成运算放大器的电压传输特性,3.理想集成运算放大器工作在线性区的特点,9.2集成运算放大器简介,(1)虚短两输入端电位相等,(2)虚断理想运算放大器的输入电流等于零,4.理想集成运算放大器工作在非线性区的特点,(1)输出电压,u,o,具有两值性其值或等于运算放大器的正向最大输出电压+,U,om,，或等于运算放大器的负向最大输出电压-,U,om,。,(2)理想运算放大器的输入电流等于零在非线性区内，虽然运算放大器两个输入端的电位不等，但因为理想运算放大器的输入电阻,R,i,，故仍可认为理想运算放大器的输入电流等于零，即,i,+,=,i,-,=0。,9.3集成运算放大器的应用,将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。,图9-12反相比例运算电路,图9-40题9-10图,图9-16减法运算电路,解：(1)Ad=Ad1=Ad2=-50(2)KCMR=2500,(2)理想运算放大器的输入电流等于零在非线性区内，虽然运算放大器两个输入端的电位不等，但因为理想运算放大器的输入电阻Ri，故仍可认为理想运算放大器的输入电流等于零，即i+=i-=0。,2集成运算放大器简介,双端输入-单端输出接法,4V，适应TTL数字电路要求(LM311型电压范围较宽，以便与CMOS电路匹配)。,图9-20过零比较器,将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。,3集成运算放大器的应用,4)共模抑制比KCMR。,单端输入-单端输出接法,图9-16减法运算电路,(2)uo=ui(Rf=50k)；,3集成运算放大器的应用9.,9.3集成运算放大器的应用,1.反相比例运算电路,2.同相比例运算电路,图9-13同相比例运算电路,9.3集成运算放大器的应用,加法运算电路是实现若干个输入信号求和功能的电路。,图9-14反相加法运算电路,解：分析得知输入信号为加法关系，因此第一级采用加法电路，输入信号与输出信号要求同相位，所以再加一级反相器。,2集成运算放大器简介,3集成运算放大器的应用9.,02，试求(1)该差动放大器的差模放大倍数Ad；,图9-32交越失真,3集成运算放大器的应用,例9-2一个测量系统的输出电压和某些非电量(经传感器变换为电量)的关系为uo=4ui1+2ui2+0.,(3)共模抑制比共模抑制比的定义是，差模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac之比，用KCMR表示，即例9-1在图9-1所示的差分放大器中，若已知两管各自的单管放大器的放大倍数Ad1=Ad2=-50，差分放大器的共模放大倍数Ac=0.,双端输入-双端输出接法2.,图9-21双门限电压比较器,双端输入-单端输出接法,(2)工作原理静态时，两管均无直流偏置而截止，故IB=0，IC=0，因此放大器工作在乙类状态。,3集成运算放大器的应用,2集成运算放大器简介,按功率放大器输出端特点不同分类1.,9.3集成运算放大器的应用,例9-2一个测量系统的输出电压和某些非电量(经传感器变换为电量)的关系为,u,o,=4,u,i1,+2,u,i2,+0.5,u,i3,，试用集成运算放大器构成信号处理电路，若取,R,f,=100k，求各电阻值。,解：分析得知输入信号为加法关系，因此第一级采用加法电路，输入信号与输出信号要求同相位，所以再加一级反相器。电路构成如图9-15所示。,图9-15例9-2图,9.3集成运算放大器的应用,如果两个输入端都有信号输入，则为差动输入。,图9-16减法运算电路,9.3集成运算放大器的应用,与反相比例运算电路比较，用电容C代替,R,f,作为反馈元件，就成为积分运算电路，如图917a所示。,图9-17积分运算电路,9.3集成运算放大器的应用,微分是积分的逆运算，输出电压与输入电压呈微分关系，其电路如图918a所示。,图9-18微分运算电路,9.3集成运算放大器的应用,电压比较器是将输入电压与一个参考电压进行大小比较，并将结果以高低电平的形式输出。,1.单门限电压比较器,图9-19单门限电压比较器,9.3集成运算放大器的应用,图9-20过零比较器,2.双门限电压比较器,9.3集成运算放大器的应用,图9-21双门限电压比较器,9.3集成运算放大器的应用,图9-22双门限电压比较器的抗干扰作用,3.集成电压比较器简介,9.3集成运算放大器的应用,1)输出高电平,U,OH,=3.3,V,，输出低电平,U,OL,=-0.4,V,，适应,TTL,数字电路要求(,LM,311型电压范围较宽，以便与CMOS电路匹配)。,2)有较大的上升速率,S,R,，以适应开关电路对响应速度的要求。,3)适应非线性工作状态，所以没有相位补偿(校正)引出脚。,1.消振,图9-23消振电路,9.3集成运算放大器的应用,2.电路的调零,图9-24外接调零电位器的调零电路,4)输入失调电流IIO：指输入信号为零时，两个输入端静态电流之差。,2)中间级：中间级的主要作用是电压放大，使集成运算放大器具有足够的放大倍数，通常由多级共发射极放大器构成。,图9-20过零比较器,理想集成运算放大器的电压传输特性,双端输入-单端输出接法,差分放大器是抑制零点漂移最有效的电路形式，其特点是电路对称。,在差模信号作用下，两管的集电极产生等值而相反的电流变化，它们共同流过RE时相互抵消，因而对差模信号而言，RE不会产生影响，可视为短路。,2集成运算放大器简介,(3)共模抑制比共模抑制比的定义是，差模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac之比，用KCMR表示，即例9-1在图9-1所示的差分放大器中，若已知两管各自的单管放大器的放大倍数Ad1=Ad2=-50，差分放大器的共模放大倍数Ac=0.,将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。,2集成运算放大器简介,解：(1)Ad=Ad1=Ad2=-50(2)KCMR=2500,图9-29功放管外形图,图9-16减法运算电路,3集成运算放大器的应用,9.3集成运算放大器的应用,图9-25外加补偿电压的调零电路,3.电源极性错接保护,9.3集成运算放大器的应用,4.输入保护,5.输出保护,图9-26电源端的保护,9.3集成运算放大器的应用,图9-27输入端的保护,9.3集成运算放大器的应用,图9-28输出端的保护,9.4功率放大器,从能量转换观点来看，功率放大器和电压放大器没有本质区别，但是它们的工作任务是不同的。,1.有足够大的输出功率,2.效率要高,3.非线性失真要小,图9-29功放管外形图,9.4功率放大器,4.功放管的散热要好,1.按功放管静态工作点设置分类,图9-30功率放大器的三种工作状态,1)甲类功率放大器：静态工作点设在放大区的中部，功放管在整个信号周期内都有电流通过，输出波形是完整的正弦波。,2)乙类功率放大器：静态工作点设置在横轴上，功放管仅在信号的半个周期内有电流通过，其输出波形被削掉一半。,9.4功率放大器,3)甲乙类功率放大器：静态工作点设在甲类和乙类之间且靠近乙类处，功放管在半个多周期内有信号电流通过，输出波形被削掉一部分。,2.按功率放大器输出端特点不同分类,1.双电源互补对称功率放大器,(1)电路基本结构互补对称功率放大器的原理电路及波形图如图9-31所示。,图9-31互补对称功率放大器的原理电路及波形图,9.4功率放大器,(2)工作原理静态时，两管均无直流偏置而截止，故,I,B,=0，,I,C,=0，因此放大器工作在乙类状态。,(3)主要性能指标估算,1)输出功率,P,o,。,2)管耗,P,T,。,3)直流电源供给的功率,P,DC,。,4)效率,。,5)功放管的选择。,9.4功率放大器,(4)交越失真及其消除方法在乙类功率放大电路中，VT,1,、VT,2,两管发射结都没有设置偏置电压，当输入信号电压,u,i,小于死区电压时，两管均处于截止状态，故输出信号的波形在过零点附近的一个区域都将出现明显的失真，这种失真称为交越失真，如图9-32所示。,图9-32交越失真,9.4功率放大器,图9-33OCL甲乙类互补对称功率放大器,2.单电源互补对称功率放大器(OTL电路),9.4功率放大器,图9-34OTL电路,9.4功率放大器,1.LM386,图9-35LM386外形及引脚排列,9.4功率放大器,2.LM386应用电路,图9-36LM386的应用电路,9.4功率放大器,本 章 小 结,1.差分放大器是抑制零点漂移最有效的电路形式，其特点是电路对称。,2.集成运算放大器实际使用时，通常把它看成是一个理想器件，集成运算放大器的理想化条件是：开环差模电压放大倍数,A,u,d,、开环差模输入电阻,R,id,、开环差模输出电阻,R,od,0、共模抑制比,K,CMR,、没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。,3.集成运算放大器有线性和非线性应用两大类。,4.使用集成运算放大器应考虑散热、消振、电路的调零及设置电源极性错接保护、输入保护、输出保护电路等问题。,9.4功率放大器,5.功率放大器的任务是在允许的失真范围内安全、高效率地输出尽可能大的功率。,习题与思考题,图9-37题9-7图,9.4功率放大器,图9-38题9-8图,9.4功率放大器,图9-39题9-9图,(1),u,o,=-,u,i,(,R,f,=50,k,)；,(2),u,o,=,u,i,(,R,f,=50,k,)；,(3),u,o,=30,u,i,(,R,f,=20k)；,9.4功率放大器,(4),u,o,=-20(,u,i1,+,u,i2,+,u,i3,)(,R,f,=100k)。,图9-40题9-10图,9.4功率放大器,图9-41题9-12图,9.4功率放大器,图9-42题9-13图,9.4功率放大器,图9-43题9-14图,