集成运算放大器第3版.ppt

第16章差分放大功率放大集成运算放大器,16.1差分放大电路16.2功率放大16.3集成运算放大器,概述,集成运放是一种具有很高的电压放大倍数，性能优越，集成化的多级放大器。,类型：通用型、专用型,集成运放的基本组成框图,输入级,中间级,输出级,偏置电路,多级放大器的耦合方式：,阻容耦合,直接耦合,变压器耦合,16.1差分放大电路16.1.1简单的直接耦合存的问题,直接耦合：可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,2.零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢、无规则变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,1.输入为零输出有直流,零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，,一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效漂移电压,输出端漂移电压,电压放大倍数,只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,16.1.2差动放大电路工作原理与分析,差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,图16.1.2,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,电路特点：对称；双湍输入，双湍输出。,1.静态分析,uo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0,当温度升高（或降低）时ICVC（两管变化量相等）,对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,抑制零点漂移,(温度变化引起的漂移温漂),求静态工作点,差模信号和共模信号,大小相同，对地极性相反。,大小相同，对地极性相同。,公式16.1.7,比较输入,ui1、ui2大小和极性是任意的。,例1:ui1=10mV,ui2=6mV,ui2=8mV2mV,例2:ui1=20mV,ui2=16mV,可分解成:ui1=18mV+2mV,ui2=18mV2mV,可分解成:ui1=8mV+2mV,共模信号,差模信号,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,2.动态分析,差模电压放大倍数,差模信号,大小相同，极性相反。,分别与,大小相同，方向相反；,大小相同，极性相反。,有输出电压，具有放大作用。,记差模放大倍数为,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,uo=(VC1VC1)(VC2+VC)=2VC1,即对差模信号有放大能力。,放大器只放大两个输入信号的差值信号差动放大电路。,看图16.1.3,共模电压放大倍数,共模信号,大小和极性均相同。,理想情况电路完全对称,无放大作用,实际电路，,但很小。,记共模放大倍数为,公式16.1.5,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,共模抑制比,（CommonModeRejectionRatio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。,共模抑制比,双端输入，双端输出；双端输入，单端输出；单端输入，双端输出；单端输入，单端输出。,差分放大电路的输入输出方式：,16.1.3差动放大电路的输入输出方式,带恒流源的差分电路,16.1.4性能改善的差动放大电路,16.2互补对称功率放大电路,功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。,概述,对功放电路的要求：,（1）输出功率尽可能大，即输出电流和输出电压都要尽可能大，因此功率管通常工作在近于极限状态；,（2）非线性失真尽可能小，通常用负反馈等措施来实现；,（3）效率要高。,集电极功耗要尽可能小,晶体管的工作状态,（a)甲类：波形好，但管耗大，效率低。,（b)乙类：IC为零，因此管耗小，但波形严重失真。,（c)甲乙类：介于甲、乙类之间，可消除交越失真，功放电路常用的工作状态。,16.2.1直接耦合射极输出电路,1.简单直接耦合射极输出电路存在的问题,2.互补对称射极输出电路,静态时，,动态时，在,正半周，导通，,电流回路：,正半周,在负半周，,电流回路：,负半周,ic1,ic2,静态时：,ui=0V,iC10，iC20uo=0V。,动态时：,ui0V,T1导通，T2截止,特点：双电源供电、输出无电容器。,uo,(2)交越失真,当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。,交越失真产生的原因由于晶体管特性存在非线性，ui死区电压晶体管导通不好。,采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。,克服交越失真的措施,动态时，设ui加入正弦信号。正半周T2截止，T1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。负半周T1截止，T2基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,静态时T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。,(3)克服交越失真的电路,16.2.2互补对称功率放大电路,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。OTL电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源供电。,1.OCL电路,ic1,ic2,静态时：,ui=0V,iC10，iC20uo=0V。,动态时：,ui0V,T1导通，T2截止,特点：双电源供电、输出无电容器。,uo,OCL原理电路,(2)交越失真,当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。,交越失真产生的原因由于晶体管特性存在非线性，ui0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,18.2.2.有源高通滤波器,设输入为正弦波信号，则有,故：,可见，电路使频率大于0的信号通过，而小于0的信号被阻止，称为有源高通滤波器。,若频率为变量，则电路的传递函数,其模为,18.3电压比较器,1.反相输入比较器（下行）,开环状态集成运放工作在非线性区。,输入电压,参考电压,当,运放正饱和，,运放负饱和，,2.同相输入比较器（上行）,18.3.1单限比较器,3.输出加限幅电路的比较器,4.过零比较器（下行）,可将其它波形变换为矩形图。,如输入为正弦波，输出为方波。,18.3.2滞回比较器,集成运放同相输入端电压,闭环正反馈集成运放工作在非线性区,由输出电压,和参考电压,共同确定。,设加电源后集成运放正饱和，,并设,（正值）,加入,当,增大至,运放负饱和，,当,减小至,运放,正饱和，,当,时的电压传输特性如图。,主要参数,正向阈值电压,负向阈值电压,滞回电压（回差）,滞回电压,改变,值，可改变,改变,可使电压传输特性左、右移动。,当,如图：,（正值）,（负值）,（不变）,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,1.基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当u+u时，uo=+Uo(sat)u+UR，uo=+Uo(sat)ui1相位条件不变,2、振荡的建立与稳定,接通电源瞬间，由于瞬时的扰动、电路的噪声含有丰富的频谱成分。由选频电路选择某一频率的正弦信号，满足起振条件，此时为增幅振荡。,在增幅振荡过程中，若减小A，当|AF|1|AF|=1时，电路呈稳定的等幅振荡。,若要使振荡从小到大建立起来还应满足：,自激振荡的建立过程,Ui1,Uo1,Uf1=Ui2,Uo2,A,通过不断地放大正反馈再放大再反馈，使Uo不断增大，一直到达A点时，才稳定下来。,由上述分析可知：,正弦波振荡电路应包含以下四个环节,放大,反馈,选频,稳幅,ui,uo,R,R1,C,Rf,R,C,+,uf,Ao,电路组成,放大环节:Ao,R1,Rf,构成同相输入比例运算,反馈环节：Z1，Z2,选频且控制正反馈量,18.4.1正弦信号发生器,RC串并联网络的选频特性,习题2.3.12,当信号频率,放大特性,自激振荡条件,起振:,平衡：,稳幅,该电路采用负温度系数热敏电阻,UOTRfU-|A|AF|=1等幅振荡,用二极管稳幅的振荡电路,u,o,f2,C,C,f1,D2,D1,Ao,方波发生器。,1.电路的组成,Ro,DZ,R2,uC,uo,u+,u-,UZ,Ao,R1,R,C,RC引入了具有延迟特性的负反馈电路。u+为uo经R1和R2，在R1上的分压，并作为比较器的参考电压，u-即uC作为比较器的输入电压。,18.4.2非正弦信号发生器,不用外接输入信号，即有输出信号。,UZ,u+H,t,t0,t1,uO,0,-UZ,u+L,uO,uC,2.电路的工作过程,tott1时:,f=1/T,该电路是方波发生电路,4.矩形波发生器,功能：不需要外加输入信号就能输出矩形波电压。,组成：用集成运放构成的滞回比较器加上RC充放电回路。,充电；uO经RF向C充电，电容上的电压uC按指数规律增长。,放电：电容C放电并被反向充电，使uC下降。,周而复始，在输出端得到矩形波uO。,充电,放电,1方波发生器,1.电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC即是比较器的输入电压，,2.工作原理,设电源接通时，uo=+Uo(sat)，uC(0)=0。,电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。,uo通过RF对电容C充电，uC按指数规律增长。,充电,当uo=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，,电容放电，uC下降，,当uC=UR时，uo跳变成Uo(sat),当uC=UR时，uo跳变成+Uo(sat)，电容又重新充电。,放电,2.工作原理,3.工作波形,T=T1+T2,电容充放电过程，uC的响应规律为,4.周期与频率,在充电过程中,在放电过程中,矩形波的周期,矩形波的频率,充放电时间常数相同：=RC,矩形波常用于数字电路中作为信号源,A1：滞回比较器因u=0，所以当u+=0时，A1状态改变,2.三角波发生器,1.电路结构,A2：反相积分电路,2.工作原理,A1：