第三章 常用放大器.doc

电子技术基础与技能配套多媒体CAI课件 电子教案第三章 常用放大器教学重点1掌握集成运放的符号及器件的引脚功能、集成运放的主要参数和理想集成运放的特点。2能识读由理想集成运放构成的常用电路（反相输入、同相输入、差分输入运放电路和加法、减法运算电路），会估算输出电压值。3了解集成运放的使用常识，会根据要求正确选用元器件，安装和调试集成运放组成的应用电路。4能识读OTL、OCL功率放大器的电路图。5了解典型功放集成电路的引脚功能，能按工艺要求装接典型功放电路。教学难点1差分放大电路分析。2理解功放电路与小功率放大电路的区别。3读图能力综合训练。学时分配序号内 容学 时13.1集成运算放大器823.2低频功率放大器63技能实训音频功放电路的安装与调试84*3.3场效晶体管放大器25本章总学时243.1集成运算放大器3.1.1放大电路中的负反馈反馈是指将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部，按一定方式反方向送回到输入端，并与输入信号叠加的过程。放大电路A反馈电路F输入净输入输出取样比较反馈XiXoXf如图所示，由基本放大电路A和反馈电路F构成一个闭环放大器。反馈系数 开环放大倍数 闭环放大倍数 其中1+AF称为反馈深度。1反馈类型若将直流量反馈到输入端，称为直流反馈。多用于稳定静态工作点。若将交流量反馈到输入端，称为交流反馈。多用于改善放大器的动态性能。引入反馈后使净输入量增加的反馈，称为正反馈。多用于振荡电路和脉冲电路。引入反馈后使净输入量减小的反馈，称为负反馈。多用于改善放大器的性能。引入交流负反馈后的放大电路，称为负反馈放大电路。若反馈深度1+AF1，则称为深度负反馈，那么2负反馈放大电路的四种组态电压反馈 反馈量取自输出电压的反馈。可以减小输出电阻，稳定输出电压电流反馈 反馈量取自输出电流的反馈。可以增大输出电阻，稳定输出电流串联反馈 反馈量与输入量以电压方式相叠加的反馈。提高输入电阻并联反馈 反馈量与输入量以电流方式相叠加的反馈。减小输入电阻这样，交流负反馈放大电路有四种组态，即电压串联 电流串联电压并联 电流并联电路评价：负反馈放大电路是以减小放大倍数为代价，获得放大电路增益的稳定性；减小非线性失真；扩展频带宽度；改变输入、输出电阻，从而改善放大电路的性能。3.1.2集成运放符号、引脚功能集成运放电路图形符号如图所示。+wuiuoui+- “w”表示运算放大器，“”表示开环增益极高。集成运放有两个输入端，一个输出端uo。其中“+”为同相输入端ui+，“”为反相输入端ui。通过实物认识集成运放的外形与封装以A741为例介绍引脚排列： 65784321OA1NCININVOUTGNDOA2 （a）A741实物图 （b）A741引脚排列3.1.3 集成运放组成和主要参数1集成运放的组成集成运放的内部由输入级、中间级、输出级以及偏置电路四部分组成，如图所示：输入级中间级输出级偏置电路ui+ui（1）输入级 运放输入级都采用差分放大电路，解决直接耦合放大电路中零点漂移问题。（2）中间级 中间级的作用是提供高的放大倍数，通常由一或两级有源负载放大电路构成。（3）输出级 集成运放的输出级一般由互补对称电路或准互补对称电路构成，以提高运放的输出功率和带负载能力。（4）偏置电路 为各级提供稳定的静态工作电流，确保静态工作点的稳定。2差分放大电路差分放大电路不但能有效地放大信号，而且还能有效的抑制零点漂移。如图是差分放大电路的基本形式，由于电路只有当两个输入端之间有差别时，输出电压才有变动，所以该电路也称为差分放大电路。VT1Rb1Rc1VBBui1+Re1+Rb2Rc2VBBui2Re2VT2+VCC+ uo 由于差分放大电路电路完全对称，当ui=0时，Uo=UC1UC2=0。（1）差模信号ui1与ui2所加信号为大小相等、极性相反的输入信号（即放大信号）。这时，iC1=iC2，uC1=uC2，uo=（UC1 +uC1）（UC2uC2）=2uC1，从而实现电压放大。（2）共模信号以大小相等、极性相同的一对信号加在两管的输入端（由温度变化等因素引起的两管输出漂移电压，相当于有害信号）。这时，产生的iC1=iC2，uC1=uC2，uo=（UC1 +uC1）（UC2+uC2）=0，共模输出为零。（3）共模抑制比它是反映差分放大器放大有用的差模信号和抑制有害的共模信号的能力的一个综合指标，其中， Aud是差模放大倍数，Auc是共模放大倍数。显然，KCMR越大，电路对共模信号的抑制能力越强。理想情况下，Auc=0，KCMR。3集成运放主要参数（1）开环差模增益Aod 指集成运放无外加反馈回路的差模增益。一般在104107之间。Aod越大，电路越稳定，运算精度也越高。（2）开环共模增益Aoc 指集成运放无外加反馈回路的共模增益。它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aoc应接近于零。（3）共模抑制比KCMR 用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。3.1.4集成运放的理想特性 在分析运放的各种实用电路时，为了简化问题的分析，通常将运放看成为理想运放。1理想运放条件（1）开环差模放大倍数趋于无穷大。（2）两输入端之间的输入电阻趋于无穷大。（3）输出电阻为零。（4）共模抑制比趋于无穷大。（5）漂移为零。2理想运放特点理想运放工作区域有两个，即线性工作区和非线性工作区。工作在线性放大状态的理想运放具有两个重要特点：（1）虚短：两输入端电位相等，即ui+=ui相当于两输入端短路，但又不是真正的短路，如图（b）所示，故称为“虚短”。（2）虚断：净输入端电流等于零，即ii=0相当于两输入端断开，但又不是真正的断开，如图（b）所示，故称为“虚断”。uiuoui+-ii+ii+wriduiuoui+-ii+ii+wrid虚断（a）运放电压和电流示意 （b）“虚短”、“虚断”示意3.1.5集成运放的基本运用当理想集成运算放大器在线性工作条件下，根据两个输入端的不同连接，运放有反相、同相和差分输入三种输入方式。1反相输入放大器反相输入放大器如图所示， +wuiuoR1RfR2i1iiifui+-ui-利用理想运放“虚断”（ii=0）的概念，则ui+=0，又由于“虚短”（ui=ui+）的概念，所以ui=ui+=0，和则，输出电压为：反相输入放大器的电压放大倍数为：式中负号表示输出电压uo和输入电压ui反相。例：加法运算电路+wui1uoRfR1RR2ui2当ui1单独作用时，电路为反相输入放大器， 。同样，当ui2单独作用时，。则ui1、ui2共同作用下电路输出电压为：当R1=R2=Rf时，则uo=-（ui1+ui2），实现加法运算，负号表示输出电压与输入电压相位相反。2同相输入放大器同相输入放大器如图所示。+wuouiR1RfR2uiui+-i1iiif利用理想运放“虚断”（ii=0）的概念，则ui+= ui，又利用“虚短”（ui=ui+）的概念，那么， ui=ui+= ui 由于ii=0，则，即输出电压为：同相输入放大器的电压放大倍数为：表明输出电压uo和输入电压ui同相，且uo大于ui，即电压放大倍数Au1。例：电压跟随器+wuouiRfR2由于R1，Au=1，uo=ui，因此该电路称为电压跟随器。因为电路具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，电压跟随器在电子电路中应用极为广泛，常作为阻抗变换器或缓冲器。3差分输入放大电路差分输入放大电路如图所示。i1iiifui+-ui-+wR3ui1uoR1RfR2ui2当ui1单独作用时，ui2=0，电路为反相输入方式，输出电压为当ui2单独作用时，ui1=0，电路为同相输入方式，根据理想运放虚断的概念，ii=0，则那么， ui1和ui2共同作用时，输出电压则为如果在电路应用中，选择R1=R2，R3=Rf，则差分输入放大器可以实现减法运算。当图中R1=R2=R3=Rf时，输出电压为uo=ui2ui1。例：减法器图示电路由第一级的反相器和第二级的反相加法运算电路级联而成。uo1=ui2当R1=R2 =Rf时，输出电压为uo=ui2ui1，实现了减法运算。+wuo1ui2RRRP1uoRfR1RP2R2ui1+w3.1.6集成运放的使用常识1集成运放的调零集成运放调零的作用是保证运放实现零输入时零输出。当选用的运放有调零端，应查阅集成电路手册，按接线图正确接上调零电位器进行调零。2集成运放的保护（1）输入保护 （2）输出保护（3）电源端反接保护做一做：反相输入放大器3.2低频功率放大器功率放大器是指供给最终负载较大信号功率的电路，以推动执行机构工作。如：让扬声器发出优质的声音，使显像管的偏转线圈扫描，令继电器动作等。3.2.1功率放大电路的要求与分类1功率放大器的基本要求0tiCIC(a)甲类tiC0(b) 乙类tiC0IC(c) 甲乙类（1）尽可能大的输出功率（2）尽可能高的效率（3）较小的非线性失真 （4）较好的散热装置2功率放大器的分类根据功放管静态工作点的不同，常用功率放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图所示。按功放输出端特点不同，又可分为变压器耦合功率放大器、无输出变压器功率放大器和无输出电容功率放大器等。3.2.2双电源互补对称功率放大器双电源互补对称功率放大器，又称无输出电容功率放大器，简称OCL电路。OCL基本电路结构如图所示。图中VT1、VT2是一对特性对称的PNP型管和NPN型管，电路工作在乙类状态，两三极管的基极相连后作为输入端，射极连在一起作为信号的输出端，集电极则是输入、输出的公共端，所以，两只三极管均连接为射极输出器形式，输出端与负载采用直接耦合方式连接。 iLt0iC1iC2iC2VT1VT2ARLuo+ui+VCCVCCiC1iL1静态分析ui=0时，由于电路结构对称，IB=0，UA=0，IRL=0。2动态分析设输入信号ui为正弦信号。在ui正半周内，VT1导通，VT2截止，VT1的集电极电流iC1由+VCCVT1自上而下流过负载电阻RL接地端。在ui负半周内，VT2导通，VT1截止，VT2的集电极电流iC2由接地端自下而上流载电阻RLVT2VCC。uitOuo1OtOtuo2Otuo交越失真由于VT1和VT2管型相反，特性对称，在ui整个周期，VT1、VT2交替工作，互相补充，向负载RL提供了完整的输出信号。故该电路称为互补对称功率放大器。3交越失真在OCL基本电路中，当输入电压小于三极管的开启电压时，VT1、VT2均截止，从而出现如图所示的交越失真现象。一旦音频功率放大器出现交越失真，会使声音质量明显下降。4加偏置的OCL电路通常OCL电路如图所示，在两个功放管的基极之间串联二极管和电阻，为三极管VT1、VT2的发射结提供正向偏置电压，从而减小交越失真。AVT2VT3RLuo+ui+VCCVCCVT1R1ReRcVD电路评价：由于OCL电路静态时两三极管的发射极是零电位，所以负载可直接接到发射极而不必采用输出耦合电容，故称为无输出电容的互补功放电路。该电路采用直接耦合，具有低频响应好，输出功率大，电路便于集成等优点，广泛应用于一些高级音响设备中。但OCL电路需要两个独立的电源，使用起来会感到不方便。3.2.3单电源互补对称功率放大器单电源互补对称功率放大器，又称无输出变压器功率放大器，简称OTL电路。如图所示为OTL电路。与OCL电路不同的是，电路由双电源改为单电源供电，输出端经大电容CL与负载RL耦合。+VT1VT2ARLCLuo+ui+VCCic2ic1iLt0iC1iC21静态分析 ui=0时，IB=0，由于两三极管特性对称， UA=，则CL上充有左正右负的静态电压，相当于一个电压为的直流电源。此外，在输出端耦合电容CL的隔直作用下，IRL=0。2动态分析 在ui正、负周期，电路与OCL电路相似，VT1、VT2交替工作，互相补充，通过CL的耦合，向负载RL提供完整的输出信号。+VT2VT3ARLC2uo+ui+VCCR4R1R2R3C1VT1VD1VD23加偏置的OTL电路如图说示是加偏置后的OTL电路。A点的电压经过R1、R2分压，为三极管VT1提供基极电压， VT2、VT3是OTL电路的一对互补三极管，为了克服交越失真，在两个互补三极管的基极之间串联二极管VD1、VD2，以提供输出三极管发射结所需的正向偏压。电路评价：OTL电路采用单电源供电，输出通过大容量的耦合电容与负载连接，称为无输出变压器的互补功放电路。与OCL电路相比，该电路少用一个电源，故结构简单、使用方便。但OTL电路输出采用大电容耦合，所以其频率响应较差，不利于电路的集成化。3.2.4集成功率放大器集成功放使用应注意输出引脚外接电路的特征，如图所示是单声道集成功放输出引脚外电路特征示意。-VCCAC+SP+VCC输出经大容量耦合电容与扬声器相连输出端 A输出端SP+VCC输出经大容量耦合电容与扬声器相连OTL输出引脚外电路特征 OCL输出引脚外电路特征对于双声道功率放大器，左、右声道电路完全对称，即两个输出端,外电路结构、元器件参数完全一致。1LM386集成功放LM386是一种目前应用较多的小功率音频放大器，其内部电路为OTL电路。87561234增益 反相 同相 地输入 输入增益 旁路 电源 输出LM386通过实物认识LM386外形与引脚排列LM386电路功耗低、增益可调、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少，广泛应用于收录机、电视伴音等系统中，是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。例： LM386的典型应用电路。RP10kC110FuiLM38612345678旁路C20.1FR15.1 kC3220FVCC9VRL82 TDA2822集成功放TDA2822是小功率双通道功率放大器，内含两个独立的功放模块。通过实物认识TDA2822外形与引脚排列TDA2822具有使用电源范围宽（315V）、静态电流小、交叉失真小等特点，可组成双声道BTL电路。适用于便携式、微小型收录机、电脑音响中作功率放大。技能实训：音频功放电路的安装与调试作业任务书一、任务目标 1会根据原理图绘制装接图和布线图。2能说明电路中各元器件作用，并能检测元器件。3了解功放器件的安全使用知识。4会搭建和调试功放电路。5会判断和检修简单故障。ui23184 R14.7kR4100RP110kR210kR3220kRP210kCF358TPS9V25736418R510kR710R610C14.7FC210FC30.01FC40.1FC50.1FLPTDA2822C6100F图 3.1 带前置的功率放大电路二、器材与工具1通用印制电路板、直流稳压电源、万用表、示波器和毫伏表。2常用装联和焊接工具。3功放电路元器件套件和8/2W假负载。三、实训步骤绘制安装布线图 清点元器件 元器件检测 插装和焊接 通电前检查 通电测量 数据纪录。四、调试与测量检查元器件安装正确无误后，才可以接通电源。测量时，先连线后接电源（或开电源开关），拆线、改线或检修时一定要先关电源；电源线不能接错，否则将可能损坏元器件。1测量音频前置放大器的参数（1）电路连接。按图3.2示意图连接，并将电路中开关S断开。把函数信号发生器置于正弦波输出，输出探头接至电阻R1，作为前置放大输入电压ui，示波器接至测试点TP点。（2）信号输入。输入1kHz、20mV的正弦波信号。（3）参数测量。接上9V电压，用示波器观察TP端波形。调节电位器RP1，使波形为最大且不失真，并测出其幅度，用万用表测量CF358各引脚的电压，将测量结果填入表3.1中。函数信号发生器示波器Y29VC6ui23184R14.7kR4100 RP110kR210kR3220kRP210k CF358图 3.2 音频前置放大电路测量示意2音频功率放大电路测量（1）按图3.3所示电路接线，把函数信号发生器置于正弦波输出，输出探头接至电容C1作为功放输入电压ui，功放输出L、P端接8/2W的假负载，示波器接至假负载两端。（2）信号输入。输入1kHz、10mV的正弦波信号，将稳压电源的9V电压接入电路。（3）用示波器观测电路的输出波形uo，用示波器观察电路的输出波形，用万用表测量TDA1822各引脚的电压，将测量结果填入表3.1中。函数信号发生器示波器Y1Y2+ui假负载25736418R510kR710R610C14.7FC210FC30.01FC40.1FC50.1FLPTDA2822图 3.3 音频功放电路测量示意表 3.1 前置与功放电路的测试测试项目前置放大测量功率放大测量直流电压CF358引脚号TDA2822引脚号123481234578波形测量TP端输出L、P端输出时间挡位：幅度挡位：uo（P-P）：时间挡位：幅度挡位：uo（P-P）：3整机测量（1）电路连接。合上开关S，接入函数信号发生器和示波器，检查电路连接正确无误后接入9V电源。（2）输出功率测量。输入1kHz、10mV的正弦波信号，接入8假负载，用示波器监测负载两端的波形。分别调节RP1和RP2使输出波形为最大且不失真时，用电子毫伏表测出其输出电压，并计算电路的输出功率，填入表3.2中。表 3.2输出功率测量测试项目（用毫伏表测量）测试结果输入信号幅度/V输出信号幅度/V输出功率/W五、问题讨论1在检测元器件方面有哪些收获？2在图3.2中，改变电位器RP1、RP2对电路有什么影响？电路输出电压的大小与什么元件参数有关？3在电路的安装、调试过程中，遇到过什么问题，又是用什么方法解决的？4学会了哪些收集和整理资料的方法？*3.3场效应晶体管放大器场效晶体管是利用电压控制电流大小的放大器件，称为电压控制器件。从外形上来看与三极管非常相似，也有三个引脚：漏极（D）、源极（S）、栅极（G）。根据结构和工作原理的不同，场效晶体管分为结型和绝缘栅型两大类。3.3.1绝缘栅型场效晶体管绝缘栅型场效应晶体管的栅极和其他电极及硅片之间是绝缘，简称MOS场效应晶体管。绝缘栅型场效应晶体管分为增强型和耗尽型两类，各类又有P沟道和N沟道两种。1N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构和图形符号N沟道增强型 N沟道耗尽型漏-源之间用虚线表示增强型，实线则表示耗尽型；从衬底基片上引出的一个电极，称为衬底电极B（在分立元件中，常将B与源极S相连，而在集成电路中，B与S一般不相连），衬底B箭头指向管内表示衬底是P型半导体（箭头仍然表示P区到N区的电流方向），即N沟道型，反之，则为P沟道型。2 N沟道增强型场效晶体管特性曲线0UGS（th） iDuGS/V 0 iDuDS/VUGS（th）UGS=2V3V4VUGS=5V变阻区恒流区击穿区预夹断轨迹 （a）转移特性 （b）输出特性（1）转移特性曲线N沟道增强型场效晶体管转移特性曲线是指在UDS一定的情况下，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系。（2）输出特性曲线N沟道增强型场效晶体管输出特性曲线是指UGS一定的情况下，漏极电流iD与栅源电压uDS之间的关系。uDS使导电沟道变得不等宽，uGS改变了沟道的宽度，所以在一定的uDS的情况下，改变uGS的大小，就可控制iD的大小。3N沟道耗尽型场效晶体管特性曲线UGS（off）0 iDuGS/VIDSS变阻区恒流区击穿区预夹断轨迹0 iDuDS/V2VUGS=0V1V1VUGS=3V （a）转移特性 （b）输出特性由恒流区的转移特性曲线可知：在uGS=0时，iD=IDSS；当uGS= U GS(off)时，iD0；当uGS0时，iDIDSS。3.3.2结型场效晶体管结型场效晶体管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件，也可分为N沟道和P沟道两种。1N沟道结型场效晶体管结构和符号PNNPNSGDDSGDSG （a）N沟道结型场效晶体管路 b）N沟道图形符号 （c）P沟道图形符号图形符号中箭头方向表示栅结正偏时栅极电流方向2N沟道结型场效晶体管特性曲线（1）转移特性曲线如图所示是N沟道结型场效晶体管转移特性曲线当N沟道结型场效晶体管正常工作时，栅源极之间所加电压为负电压，即uGS0。uGS=0时的漏极电流为漏极饱和电流IDSS。iD=0时，所对应的uGS电压称为夹断电压UGS（off），这时，管子处于截止状态。（2）输出特性曲线如图是N沟道结型场效晶体管输出特性曲线，它也可分成变阻区、恒流区和击穿区，三个区域的含义与绝缘栅型场效晶体管相同。变阻区恒流区击穿区预夹断轨迹0 iDuDS/V1.5V0.5VUGS=0V1VUGS=2V0UGS（off） iDIDSSuGS（a）转移特性 （b）输出特性3用万用表检测结型场效