电子线路基础第五章详解

刘开华2019/8/6电子线路基础2第五章、集成运算放大器原理5.1概述5.2功率放大器简介5.3差分放大器5.4集成运算放大器典型电路介绍5.5集成运算放大器的性能参数和模型51435.1概述一.集成电路（IntegratedCircuit简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。二.摩尔定律未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）5154三.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。5.1概述51652.两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。5.1概述4585.2功率放大器简介5.2.1功率放大器的主要指标5.2.2功率放大器的分类5.2.3保护电路4595.2.1功率放大器的主要指标功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点就是工作在大信号状态下。1.预备知识电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。460效率η：放大器的输出信号功率与直流电源供给功率之比。2.主要指标%100UoPP%100UoCPPoP功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。a.工作在线性区；op（1）输出功率注意：b.提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。UP：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。UP晶体管集电极效率：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率之比。UPc（2）功率放大器的效率η和晶体管集电极效率c4612.主要指标cUoPPP直流电源供给功率一部分变成了有用的输出信号，剩余的部分主要变成了晶体管的管耗，即：（3）非线性失真由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。结论：功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。UPcP4625.2.2功率放大器的分类180导通角90导通角功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。（1）甲类（A类）工作状态在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。（2）乙类（B类）工作状态在输入信号的半个周期内晶体管导通。4635.2.2功率放大器的分类18090（3）甲乙类（AB类）工作状态是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于半个周期，但小于一个周期。（4）丙类（C类）工作状态晶体管导通的时间小于半个周期。904645.2.2功率放大器的分类CESCEUu（5）丁类（D类）工作状态此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：五类功放的效率满足下式：丁丙乙甲乙甲4665.2.3互补推挽功率放大器1乙类推挽功率放大器的工作原理2乙类推挽功率放大器的非线性失真467采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内导通，因此晶体管的集电极静态电流，所以一个周期内晶体管的平均功耗小。1.乙类推挽功率放大器的工作原理显然，集电极电流产生了严重的非线性失真选用两只特性完全相同的异型晶体管，轮流工作在乙类状态。如何解决非线性失真和高效率的矛盾？从而在负载上获得完整的输出波形。0CQI4681).电路结构（1）和是一对对称的异型晶体管；（2）和分别与负载组成射极跟随器；（3）采用两组电源供电。两管交替工作，一只在输入信号正半周导通，另一只在负半周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的波形。1VT2VT1VT2VTLRCCU4692).工作原理注：以下的分析中不考虑门限电压。iuCCUouCCU2VT1VT电路0iu两管基极的静态电位为零两管均截止0II2CQ1CQCC2CEQ1CEQUUU4702).工作原理iuCCUouCCU2VT1VT电路0iu导通，截止与组成射极跟随器在上得到上半周波形iu1Ei输入信号在正半周的情况1VT2VTLR1VTLR4712).工作原理电路0iu导通，截止与组成射极跟随器在上得到下半周波形iuCCUouCCU2VT1VTiu2Ei输入信号在负半周的情况1VT2VTLR2VTLR4722).工作原理21EELiiiiuCCUouCCU2VT1VT1Ei2Ei4773).集电极效率cUopp4时，效率最高＝当1%5.784maxc222LCCoRUPLCCURUP22ηcmax称为理论极限效率。可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数ξ成正比。4784).对晶体管的要求（1）集电极功耗Pc：每管的集电极损耗。222LCCoRUP通过管耗的表达式可以画出和ξ的关系曲线)(21oUcPPP2224LCCLCCRURU能否认为输入信号越大越大），管耗就越大呢？(LCCURUP22上式均是对两管而言的，而集电极功耗是对每一管子而言的。管耗也与ξ有关。在选管时，为了保证晶体管安全工作，可以以此作为选管依据。0ddPCmaxmax2max2.022oocPPP时，PPCM20.cPUP21oP214794).对晶体管的要求CCCEOBRUU2)(处于截止状态的晶体管的c极和e极之间承受的反压21CECCcemuUU)(CESCCCCuUUCCU2（3）集电极最大允许电流指功放管导通时，流过管子的最大电流。LCCLcemCMRURUI//CEO)BR(U（2）反向击穿电压结论：为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为OCL（OutputCapacitorLess)电路。时当0iu，导通，截止，情况一样。2VT1VT0iu，导通，截止，1VT2VT当4832.乙类推挽功率放大器的非线性失真tUuimicos设)cos()2cos(2)cos(21101ncmncmEtnItIcmtIIi)cos()22cos(2)cos(21102ncmncmEntnItIcmtIIi1).推挽电路对偶次谐波的抑制推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、电流波形也完全对称。21EELiii)3cos(2)cos(23311tItIcmcm可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。4842).交越失真及消除方法CESCESPCESNuuu理想传输特性（不考虑门限电压）（1）传输特性在实际传输特性中，必须考虑三极管发射结的门限电压值。可以看出，当输入信号的绝对值小于0.7V时，没有输出，因此输出信号会出现明显的失真。是NPN管的集电极饱和电压CESNU传输特性的斜率为什么为1？4852).交越失真及消除方法Vuo/Vuo/Vui/CESCCUUCESCCUU交越失真实际传输特性及输出电压波形如图所示：（2）交越失真交越失真是指发生在信号穿越过零点时产生的失真。4862).交越失真及消除方法由图看出，交越失真是由晶体管发射结门限电压引起的，因此，若能给两个晶体管发射结加入适当的正向偏置电压,使每个管子导通时间略超过T/2，以克服两管发射结死区电压的影响，就可以消除交越失真。原理电路（3）消除交越失真的方法a.改为甲乙类工作状态交越失真该图是原理电路，实际上，在集成电路中，正向偏置不会直接采用电压源的方式，可以用电阻、二极管和三极管等元器件来提供。图中，给两个晶体管加入了同样的正偏电压，由于此时晶体管的导通时间已大于半个周期，因此此时的工作状态是甲乙类工作状态。但由于其工作状态十分接近于乙类，故仍可按乙类的功放进行分析。2BBU4872).交越失真及消除方法1131CEBBEIRUU21132CEBBEIRUU实际电路1：实际电路2：显然，在该电路中，正向偏压是由和的正向电压提供。1VD2VD电容是保证在交流时，加在和基极的输入信号是相同的。1C2VT3VT在该电路中，是放大级，和构成互补推挽功放，正向偏压是利用流过的直流电流在上产生的压降提供的。1VT2VT3VT1R1CI1R4882).交越失真及消除方法212RUIBER)1(211RRUUBEBB32EBBEBBUUU令2211RIRIURRBB且)(212RRIURBB实际电路3：恰当选择电阻R1、R2，使IB1可以忽略不计，则调整R1、R2比值，即可获得某一倍数UBE的UBB，因此该电路又称为UBE倍增电路。在该电路中，是放大级，和、组成恒压源电路，为和提供正向偏压，以消除交越失真。1VT2VT3VT1R4VT2R4892).交越失真及消除方法LCESCCLomfeBERUURURhu11)(CESCCLfeUURhR)(.1701b.使用负反馈电路在功率放大器前引入一级电压放大器（在本图中引入了集成运放），并构成电压串联负反馈。设死区电压为±0.7V，则引入负反馈后，死区电压为±0.7V/A0。A0为集成运放开环增益。R1是用来限制放大器A的输出电流，但同时RL又是靠R1上的电流来驱动的。490小结乙类工作状态的矛盾互补推挽功放电路结构工作原理电流波形图组合特性曲线性能指标非线性失真工作原理性能指标计算极限参数选择交越失真消除方法5115.2.3保护电路是附加的限流二极管。43VDVD、；、不起作用正常时，43VDVD限制管耗即可以有效地保护功放管，因此只要限制流过集电极地电流，就可以限制管耗。（1）二极管保护电路最大输出电流为：制了输出电流。部分基极电流，因此限去了一由截止转变为导通，分VD上的压降增大正向电流过大，R3e22e3Domax/RUI5125.2.3保护电路极管。三是附加的限流、54VTVT；不起作用、正常时，54TVTV（2）三极管保护电路制了输出电流。部分基极电流，因此限去了一由截止转变为导通，分VT上的压降增大正向电流过大，R4e25135.3差分放大器5.3.1差分放大器的分析5.3.2差分放大器大信号输入时的传输特性5.3.3举例5.3.3差分放大器的失调和温漂517345.3差分放大器引子：为什么引入差分放大器？1.直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为直流信号。直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。直流信号不同于直流电。51835引子：为什么引入差分放大器？2.直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。直流放大器常常采用直接耦合方式。两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移51936引子：为什么引入差分放大器？1）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。1bR、1CQI1CEQU2BI、2CQI2CEQU52037引子：为什么引入差分放大器？现象：输入电压为零，输出端电压表指针偏离零点或起始值，出现忽大忽小的不规则摆