项目3-常用放大器及其应用.ppt

电子技术基础与技能 陈振源主编 电子演示文稿 放大电路在各类电子产品中有着非常广泛的应用 由于其应用场合和性能要求的不同 放大电路的类型有许多 本项目重点介绍几种较为常用的放大器的功能 电路组成和基本工作原理 3 1集成运算放大器 3 3低频功率放大器 3 2放大电路中的负反馈 3 4谐振放大器 3 1 1集成运放介绍1 集成运放的结构框图集成运放的常见封装外形有双列直插式和圆壳式等 集成运放的内部电路组成如图所示 包括输入级 中间级 输出级和偏置电路等部分 集成运放的常见封装外形集成运放的组成框图 3 1集成运算放大器 2 集成运放内部的差分放大电路差分放大电路由于它在解决零点漂移方面有突出的优点 因而成为集成运放的主要单元 基本差分放大电路是由两个完全对称的单管放大器组成的 图中两个三极管的特性及左右相对应的电阻参数完全一致 基本差分放大电路 1 零点漂移与抑制所谓的零点漂移是指将直流放大器输入端对地短路 使之处于静态状态时 在输出仍然会出现不规则变化的电压 造成零漂的原因是电源电压的波动和三极管参数随温度的变化 其中温度变化是产生零漂的最主要原因 零点漂移的检测输出电压漂移曲线 差分放大电路因左右两个放大电路完全对称 因此具有零输入时零输出的特点 当温度变化时 两管的输出变化 即每管的零漂 相同 从而有效地抑制了零点漂移 2 差模输人输入信号vI被Rl R2分压为大小相等 极性相反的一对输入信号分别输入到两管的基极 称为差模信号 差分放大器的差模放大倍数为上式表明 基本差分放大器的AVD和单个管放大电路的放大倍数AV是相等的 用多一倍的元件的代价换来了对零点漂移的抑制能力 3 共模输入在两个输入端加上一对大小相等 极性相同的信号vI1 vI2 vI 称为共模信号 这种输入方式称为共模输入 对于完全对称的差分放大器 输出电压vO vO1 vO2 0 共模电压放大倍数为 共模放大倍数AVC愈小 则表明抑制零漂能力愈强 差分放大器常用共模抑制比KCMR来衡量放大器对有用信号的放大能力及对无用漂移信号的抑制能力 其定义是 3 集成运放符号与引脚功能 集成运放是目前最通用的模拟集成器件 可以将它看成是一个高电压放大倍数 低零漂的双端输入单端输出式差分放大器 其符号如左下图所示 CF741集成运放的引脚功能见右下图 集成运放的电路符号 CF741引脚功能 4 集成运放的主要参数 1 开环电压放大倍数AVD指集成运放无外加反馈回路时 输出信号电压与输入差模电压之比 它体现运放器件的放大能力 一般在103 107之间 2 差模输入电阻rid是指集成运放的两个输入端之间的交流电阻 一般在几十千欧至几十兆欧范围 rid大的集成运放性能好 3 开环输出电阻rod指集成运放无外加反馈回路时的输出电阻 4 共模抑制比KCMR用来综合衡量集成运放的放大和抗零漂 抗共模干扰的能力 5 输入失调电压VIO在输入信号为零时 为使输出电压也为零 在输入端所加的补偿电压值 它反映差分放大部分参数的不对称程度 VIO越小越好 一般为毫伏级 6 输出峰一峰电压VOPP指放大器在空载情况下 最大不失真输出电压的峰一峰值 7 静态功耗PD集成运放在输入端短路 输出端开路时所消耗的功率 8 开环带宽BW与放大器的幅频特性的频带宽度相类似 指下限频率与上限频率之间的频率范围 一般在几千赫至几百千赫 1 集成运放的理想特性开环电压放大倍数AVD 输入电阻rid 输出电阻rod 0 频带宽度BW 2 理想运放等效电路 1 同相输入端的电位等于反相输入端的电位 即vI vI 当有一个输入端接地时 另一个输入端非常接近地电位 称为 虚地 2 输入电流等于零 理想集成运放的输入电阻rid 因此输入端不取用电流 即iI iI 0 3 1 2集成运的运用 理想运放等效电路 3 集成运算放大器的三种输入形式 1 反相放大器输入信号vI从运算放大器的反相输入端加入 就构成反相放大器 R1为输入耦合电阻 Rf为反馈电阻 R2为平衡电阻 取值R2 Rl Rf 反相电路的放大倍数为反相电路的输出电压为 反相放大器 2 同相放大器输入信号vI从运算放大器的同相输入端加入 就构成同相放人器 输入电压vI通过电阻R2接到同相输入端 在输出端与反相输入端之间接有反馈电阻R 为使输入端保持平衡 R2 R1 Rf 同相放大器的电压放大倍数为同相放大器的输出电压为 同相放大器 3 差分放大器输入信号vI1通过R1加到反相输入端 另一输入信vI2则通过R2加到同相输入端 Rf为反馈电阻 R3为平衡电阻 当R1 R2 且Rf R3时 同相放大器的电压放大倍数为 同相放大器的输出电压为 差分放大器 3 信号运算电路 1 加法运算电路通常又称为加法器 其电路实际上是在反相放大器的基础上增加几路输入信号源 图中的R1 R2 R3为输入耦合电阻 R4为平衡电阻 R4 R1 R2 R3 Rf 加法运算电路 根据集成运放的理想特性有iI 0 所以集成运放的反相输入端为虚地点 故有当R1 R2 R3 Rf时 有 输出电压vo为各输入信号电压之和 式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反 2 减法运算电路又称为减法器 电路构成与差分放大器相同 减法运算电路 当R1 R2 R3 Rf时 由公式得 上式表明 该差分放大器的输出电压为输入电压vI2与vI1差 由此实现减法运算 反馈是指将放大电路的输出信号的一部分或全部返回到输入端 并与输入信号叠加的过程 在放大电路中引入负反馈可以大大改善放大器的性能 因此得到广泛的应用 3 2 1反馈的基本概念1 反馈放大器的组成反馈放大电路的结构方框如下图所示 图中A代表无反馈的放大电路 也称基本放大电路 F代表反馈电路 反馈放大器方框图 3 2放大电路中的负反馈 开心一刻 反馈 2 反馈的判别 1 有无反馈的判别 观察放大电路有无反馈元件 判断电压和电流反馈的方法 判别串联和并联反馈的方法 判别反馈极性 找到联系放大器输出与输入回路之间的元件 这是判断反馈存在与否的依据 根据反馈信号在输出端取样方式来判断 根据反馈信号在输入端的接入方式来判断 采用瞬时极性法来判别 2 发压反馈 电流反馈的判别电压反馈 反馈信号取自放大电路的输出电压vo 反馈信号是与输出电压成正比 电流反馈 反馈信号取自放大电路的输出电流io 反馈信号是与输出电流成正比 电压反馈示意图电流反馈示意图 3 串联反馈 并联反馈判别串联反馈 在放大电路的输入回路中 反馈信号vf与外输入电压vi串联后加至放大器件的输入端 串联反馈信号在输入端以电压形式出现 并联反馈 在放大电路的输入回路中 反馈信号if与输入电流ii并联后加至放大器的输入端 并联反馈信号在输入端以电流形式出现 串联反馈示意图并联反馈示意图 4 正反馈 负反馈的判别通常采用瞬时极性法来判别正反馈与负反馈 具体方法是 a 先假定输入信号的瞬时极性 然后根据放大电路输入与输出信号的相位关系确定输出信号和反馈信号的瞬时极性 b 根据反馈信号与输入信号的连接情况 确定反馈极性 如图3 276 a 所示 先假定vi输入端的瞬时极性为 若反馈信号返回到vi输入端为 则为正反馈 反之 反馈信号返回vi输入端为 则为负反馈 5 交流反馈 直流反馈的判别在放大电路中存在着直流分量和交流分量 若反馈回来的信号是交流量 则称之为交流反馈 交流负反馈能改善放大电路的交流性能 若反馈回来的信号是直流量 则称之为直流反馈 直流负反馈主要用于稳定放大器的静态工作点 3 2 2负反馈放大器的四种组态 按反馈信号的取样方式及接至放大器输入端的连接方式不同 可组合成四种不同类型的负反馈 1 负反馈使放大倍数下降2 提高放大倍数的稳定性 3 负反馈使非线性失真减小 5 负反馈可展宽通频带 4 负反馈可改变输入电阻和输出电阻的大小 3 2 3负反馈放大器性能的影响 多级放大电路末级的输出信号往往都是送到负载 驱动其正常工作 负载装置常见的有扬声器 伺服电机 记录仪表 继电器 电视机的扫描偏转线圈等 这类主要用于向负载提供低频信号功率的放大电路称为低频功率放大电路 3 3 1功率放大电路的基本要求1 有足够大的输出功率2 效率要高3 非线性失真要小4 功放管散热要好 3 3低频功率放大器 家用立体声功率放大器 3 3 2功率放大器的分类 1 按静态工作点设置分类 甲类 乙类 甲乙类2 按耦合方式分类 阻容耦合 变压器耦合 直接耦合 甲类功率放大器工作状态 乙类功率放大器工作状态 甲乙类功率放大器工作状态 3 3 3双电源互补对称电路 OCL电路 1 电路基本结构由 VCC Vl和RL组成NPN型管射极输出电路 由 VCC V2和RL组成PNP型管的射极输出电路 Vl与V2管的基极连接在一起作为信号输入端 两管的发射极也连接在一起作为信号的输出端 直接与负载相连接 OCL原理电路 当输入信号vi为正半周时 V2管发射结反偏而截止 V1管发射结正偏而导通 产生电流iC1流经负载RL形成输出电压vo的正半周 当输入信号vi为负半周时 V1管的发射结反偏而截止 V2管的发射结正偏而导通 产生电流iC2流经负载RL形成输出电压vo的负半周 综上所述 V1管与V2管交替导通 分别放大信号的正 负半周 于是在负载获得完整的输出信号 2 工作原理 OCL放大电路工作波形 3 输出功率和效率OCL电路中 负载RL上输出的电压和电流的最大值时 OCL电路的理想效率为 4 交越失真及其消除方法OCL电路在没有直流偏置的情况下 当输入电压vi低于死区电压时 V1和V2管会产生截止 即在正 负半周的交替处出现一段死区 这种现象称为交越失真 交越失真波形消除交越失真的OCL电路消除交越失真的方法是在两个功放管基极间串入二极管V4和V5 利用二极管的压降为三极管V2 V3的发射结提供正向偏置电压 使管子处于微导通状态 即工作于甲乙类状态 此时负载RL上输出信号波形就不会出现交越失真 1 OTL基本电路OTL功率放大电路的V1管与V2管是一对导电类型不同 特性对称的配对管 从电路连接方式上看两管均接成射极输出电路 工作于乙类状态 OTL与OCL电路不同之处有两点 第一 由双电源供电改为单电源供电 第二 输出端与负载RL的连接由直接耦合改为电容耦合 3 3 4单电源互补对称电路 OTL电路 OTL功率放大电路实物图OTL功率放大电路图 2 工作原理 静态时 V1 V1双管都截止 输入交流信号vi为正半周时 V1导通 V2截止 电源VCC过V1向耦合电容C1充电 并在负载RL上输出正半周波形 输入交流信号vi为负半周时 V1管截止 V2管导通 耦合电容C1放电向V2管提供电源 并在负载RL上输出负半周波形 综上所述可知 V1管放大信号的正半周 V2管放大信号的负半周 两管工作性能对称 在负载上获得正 负半周完整的输出波形 3 输出功率和效率最大输出功率为 OTL电路的理想效率 4 典型电路分析典型OTL功率放大电路的见下图 它由激励放大级和输出放大级所组成 OTL实物连接图OTL原理电路图 5 采用复合管的OTL电路把两个或两个以上的三极管的电极适当地连接起来 等效一个管子使用 即为复合管 它有四种连接方式 图 a b 由两只同类型管子构成复合管 图 e d 则由不同类型的两只管子构成复合管 四种常见复合管形式 超声波压焊机中的功率放大电路如下图所示 三极管V1组成激励放大级 V2与V4管组成NPN型复合管 V3与V5管组成PNP型复合管 两只复合管作为电路的输出配对管 由于大功率管V4和V5都是NPN型管 因此可选用同型号 性能接近的管子 超声波压焊机的功率放大电路 3 3 5集成功率放大器 4100功放集成电路属于直接耦合的多级放大电路结构 主要由差分输入级 中间放大级和OTL输出级所组成 4100集成电路的14脚为双排直插式塑料封装结构 该集成电路带有散热片 4100功放集成框图4100功放集成电路引脚排列 用LA4100功放集成电路组成的互补对称式功率放大器的原理电路和印刷电路板装配图 a 原理电路 b 印刷电路板装配图 1 按图3 44安装音频功放电路 电路安装完毕 经检查无误后 接入 9V直流稳压电源 从C22输入音乐信号 试听音频功放电路的音效 2 检查音频功放电路是否存在无声 声音小 啸叫或声音失真现象 检测并排除故障 3 用万用表测量LA4100各引脚对地的直流电压 检查输出端电压是否符合正常要求 将测量结果填入表3 5中 4 测量最大不失真功率Pomax在放大器的输入端接入频率为400Hz的正弦信号 在放大器的输出端接上示波器 先将vi置最小 再逐渐加大vi 使示波器显示出最大不失真波形 用示波器测出输出电压幅值Vom 则最大不失真功率为 采用具有谐振性质的元件作负载的放大器称为谐振放大器 又称调谐放大器 谐振放大器具有选频放大作用 即选择有用信号进行放大 而对通频带以外的各种频率信号基本不放大 在无线接收系统中常用作高频 中频放大器 3 4 1单谐振放大器输入信号经变压器T1加在三极管的b e之间进行放大 三极管集电极所接的电感L与电容C组成并联谐振回路 当谐振回路调谐在输入信号频率时 在并联谐振回路获得最大的谐振电压 这个电压经变压器T2耦合到负载阻抗RL上 从而使负载得到较大的信号功率或电压 3 4谐振放大器 单谐振放大电路 3 4 2双谐振放大器为了提高谐振放大器选频特性或改善通频带 可以采用具有两个LC选频回路的双谐振放大器 双谐振放大器一般有互感耦合和电容耦合两种形式 图 a 为互感耦合双谐振放大器 图 b 为电容耦合双谐振放大器 a 互感耦合双谐振放大电路 b 电容耦合双谐振放大电路双谐振放大器具有较好的通频带和选择性 双谐振回路的谐振曲线如下图所示 松耦合临界耦合紧耦合 3 4 3集成谐振放大器1 电路组成集成谐振放大器的组成结构主要有两种形式 一种是滤波器在宽带放大器后面如左下图所示 另一种是滤波器在宽带放大器前面如右下图所示 2 陶瓷谐振放大器陶瓷滤波器是由压电陶瓷材料制成的具有选频特性的二端或三端器件 1 二端陶瓷滤波器 滤波器在宽带放大器后面滤波器在宽带放大器前面 外型电路图等效电路谐振特性 2 三端陶瓷滤波器 外型电路图等效电路谐振特性 3 三端陶瓷滤波放大器 长虹彩色电视机的伴音集成中频放大电路 3 4 4谐振放大器的主要性能指标 1 谐振频率放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率 2 谐振电压增益放大器的谐振增益是指放大器在谐振频率上的电压增益 记为Au0 其值可用分贝表示 3 通频带通频是指放大器的电压增益下降到谐振电压增益的0 707倍时所对应的频率范围 一般用BW表示 4 选择性选择性是指放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号并抑制不需要信号的能力 1 抑制比抑制比为谐振电压增益与通频带以外某一特定频率上的电压增益之比值 用d表示 d值越大 放大器的选择性越好 2 矩形系数放大器的谐振曲线越接近矩形 则放大器的选择性越好 矩形系数表示放大器的电压增益下降到谐振电压增益的0 1倍的频带宽度BW0 1与下降至0 7倍的通频带BW的比值 用K表示 即 本章小结 1 集成运算放大器是一种高电压放大倍数的多级直接耦合集成放大电路 内部主要由差分式输入级 中间级 互补对称式输出级及偏置电路所组成 差分放大器能有效抑制直接耦合引起的零点漂移 因此广泛应用于集成运放电路中 2 集成运放按输入信号的接入方式不同可组成反相放大器 同相放大器和差分放大器 集成运放的应用范围极为广泛 本章介绍了常用的信号运算电路 加法器 减法器 的电路形式和信号运算关系 3 在放大电路中 把输出信号馈送到输入回路的过程称为反馈 反馈放大器主要由基本放大电路和反馈电路两部分组成 负反馈放大电路主要有四种类型 即电压并联 电压串联 电流并联 电流串联负反馈放大电路 4 负反馈对放大器的性能有广泛的影响 可稳定放大倍数 展宽通频带 减小非线性失真 增大或减小输入和输出电阻 实际应用中可根据不同的要求引入不同的反馈方式 但负反馈是以损失放大倍数为代价 换取放大电路性能的改善 5 功率放大器的主要任务是不失真地放大信号功率 常用的功率放大器按静态工作点的设置不同 分为甲类 乙类和甲乙类 按耦合方式不同可分为阻容耦合 变压器耦合和直接耦合三种方式 6 目前广泛应用的功率放大器是互补对称式功放电路 它有OCL和OTL两种类型 它们都是由对称的两个射极输出器组合而成 两只配对管导电极性相反