第9章 集成运算放大器与功率放大器

1、电工与电子技术 主编第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9.1.1基本差分放大器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UCC=-UEE。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

2、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Ui被两个分压电阻R1和R2分为大小相等、方向相反的差模信号Ui1和Ui2，分别加到VT1和VT2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。(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

3、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=0.02，试求(1)该差动放大器的差模放大倍数Ad；(2)共模抑制比KCMR。解：(1)Ad =Ad1=Ad2= -50(2)KCMR=25009.1差分放大器9.1.2差分放大器的几种接法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

4、-单端输出差分放大器9.2集成运算放大器简介9.2.1集成运算放大器的基本知识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

5、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9.2.2集成运算放大器的主要参数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UoPP：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Aud

6、: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UIO: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IIO：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Uidm。6)最大共模输入电压Uicm。7)差模输入电阻Rid。8)输出电阻Ro。9)共模抑制比KCMR。9.2.3集成运算放大器的分析方法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Aud。2)开环差模输入电阻Rid。3)开环差模输出电阻Rod0。4)共模抑制比KCMR。5)没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也

7、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uo具有两值性其值或等于运算放大器的正向最大输出电压+Uom，或等于运算放大器的负向最大输出电压-Uom。(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-

8、=0。9.3集成运算放大器的应用9.3.1比例运算电路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9.3.2加法运算电路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uo=4ui1+2ui2+0.5ui3，试用集成运算放大器构成信号处理电路，若取Rf=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

9、，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9.3.3减法运算电路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9.3.4积分运算电路与反相比例运算电路比较，用电容C代替Rf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9.3.5微分运算电路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9.3.6电压比较器电压比较器是将输入电压与一个参考电压进

10、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UOH=3.3V，输出低电平UOL=-0.4V，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)。2)有较大的上升速率SR，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。9.3.7集成运算放大器的使用

11、常识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9.4.1功率放大器的要求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9.4.2功率

12、放大器的分类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9.4.3互补对称功率放大器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

13、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IB=0，IC=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Po。2)管耗PT。3)直流电源供给的功率PDC。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，VT1、VT2两管发射结都没有设置偏置电压，当输入信号电压ui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

14、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9.4.4集成功率放大器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Aud、开环差模输入电阻Rid、开环差模输出电阻Rod0、共模抑制比KCMR、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