第4章集成運(yùn)算放大電路.ppt課件

1、第4章 集成運(yùn)算放大電路 第第4 4章章 集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路 4.1 電流源電路電流源電路 4.2 功率放大電路功率放大電路 4.3 集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路 第4章 集成運(yùn)算放大電路 4.1 電電 流流 源源 電電 路路 4.1.1 根本電流源電路根本電流源電路 1. 鏡像電流源鏡像電流源Current Mirror 由三極管組成的鏡像電流源如圖由三極管組成的鏡像電流源如圖4-1a所示。圖中所示。圖中V1管管和和V2管的參數(shù)完全一樣，兩管基管的參數(shù)完全一樣，兩管基-射之間的電壓相等，射之間的電壓相等，UBE1=UBE2，故，故IB1=IB2=IB, IC1=IC2=IC

2、。 在圖在圖4-1a中，電源中，電源UCC經(jīng)過(guò)電阻經(jīng)過(guò)電阻R和和V1管產(chǎn)生一個(gè)基管產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流準(zhǔn)電流IREF， RUUIBECCREF1第4章 集成運(yùn)算放大電路 將V2管集電極電流IC2作為輸出電流Io，那么 /211222212REFCoCREFBREFCCIIIIIIIII當(dāng)滿足條件2時(shí)，上式簡(jiǎn)化為 RUUIIIBECCREFCo124-1 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 4-1 鏡像電流源(a) 三極管構(gòu)成的鏡像電流源；(b) 加強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的鏡像電流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2RIREFV1ID1 UDDIoID2V2(a)(b)第4章 集成運(yùn)算放大

3、電路 2. 改良型的鏡像電流源 由式4-1可見(jiàn)，當(dāng)三極管的電流放大系數(shù)較小時(shí)， 基極電流就不能忽略，這樣IoIREF，因此為了減小因小而呵斥的誤差，在鏡像電流源V1管的集電極與基極之間加一個(gè)緩沖管V3，利用V3管的電流放大作用減小IB對(duì)IREF的分流作用，從而提高輸出電流Io的精度。改良后的電路如圖3-17所示，圖中V1、 V2、V3管特性完全一樣。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 4-2 改良型鏡像電流源 IB1IB2RIREFV1IC1 UCCIoIC2V2IB3V3IE3第4章 集成運(yùn)算放大電路 知，1=2=3=, IB1=IB2=IB，UBE1=UBE2，因此輸出電流 223312121

4、21CREFBREFEREFBREFCCoIIIIIIIIIII整理后得 REFREFCoIIII)1 (212假設(shè)=10，代入上式可得Io0.982IREF，闡明即使很小，輸出電流Io也與基準(zhǔn)電流IREF堅(jiān)持良好的鏡像關(guān)系，即IoIREF。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 3. 比例電流源比例電流源 圖 4-3 比例電流源 IE1V1IREF UCCV2IE2R1R2RIo第4章 集成運(yùn)算放大電路 由圖可得 UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2UBE1-UBE2+IE1R1=IE2R2當(dāng)UBE1-UBE22，由鏡像電流源得，由鏡像電流源得IC4IC1=I/2，所，所以輸出電流以輸出電流io=

5、IC4-IC2=0。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-23 有源負(fù)載的差分放大電路V1V2iC2iC1iC3 UCCV4V3iC4uidI UEEioRLuo第4章 集成運(yùn)算放大電路 動(dòng)態(tài)時(shí)，參與差模信號(hào)uid，根據(jù)差分放大電路的特點(diǎn)， V1管的集電極電流在靜態(tài)電流IC1的根底上添加了iC1，V2管的集電極電流在靜態(tài)電流IC2的根底上減小了iC2，iC1=-iC2。 由于iC4和iC1是鏡像關(guān)系，iC4=iC1，因此io=iC4-iC2=iC1-(-iC1)=2iC1。 可見(jiàn)這個(gè)電流值是單端輸出電流的兩倍， 即等于差分放大電路雙端輸出時(shí)的電流值。因此，用電流源作為差分放大電路的有源負(fù)載，可將

6、雙端輸出信號(hào)“無(wú)損失地轉(zhuǎn)換成單端輸出信號(hào)。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 假設(shè)電路接有負(fù)載RL，且思索V2、V4管的輸出電阻rce2、rce4， 那么電壓放大倍數(shù)為 bececeLbeBceceLCiourrrRrirrRiuuA)/(2)/(24242假設(shè)RL0，稱(chēng)為甲乙類(lèi)放大；圖3-24c中，一個(gè)周期內(nèi)只需半個(gè)周期iC0，稱(chēng)為乙類(lèi)放大。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 甲乙類(lèi)和乙類(lèi)放大雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率， 但是由于任務(wù)點(diǎn)偏下，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的波形失真，因此，既要堅(jiān)持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使波形不產(chǎn)生嚴(yán)重失真， 就必需改良電路構(gòu)造。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對(duì)任務(wù)形狀的影響

7、(a) 甲類(lèi)放大； (b) 甲乙類(lèi)放大； (c) 乙類(lèi)放大 iCiCOtOICQQiB 常數(shù)uCE(a)第4章 集成運(yùn)算放大電路 iCiCOICQQiB 常數(shù)tuCE(b)O圖 3-24 Q點(diǎn)下移對(duì)任務(wù)形狀的影響(a) 甲類(lèi)放大； (b) 甲乙類(lèi)放大； (c) 乙類(lèi)放大 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對(duì)任務(wù)形狀的影響(a) 甲類(lèi)放大； (b) 甲乙類(lèi)放大； (c) 乙類(lèi)放大 tiCiCuCEOQiB 常數(shù)(c)O第4章 集成運(yùn)算放大電路 1 變壓器耦合功率放大電路 圖 3-25 變壓器耦合乙類(lèi)推挽功率放大電路 V1V2iC1UCCiLRLuiTr1Tr2iC2uo第4章 集成

8、運(yùn)算放大電路 圖中Tr1為輸入變壓器，Tr2為輸出變壓器，三極管V1、V2特性完全一樣，且接成對(duì)稱(chēng)射極輸出器方式。當(dāng)輸入電壓ui為零時(shí)，由于V1、V2管的發(fā)射極電壓為零，均處于截止形狀， 因此電源所提供的功率為零，負(fù)載上的電壓也為零，兩雖然子的管壓降均為UCC。當(dāng)輸入電壓ui為正半周時(shí)，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電流iC1如圖中實(shí)線所示；當(dāng)輸入電壓ui為負(fù)半周時(shí)， V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2如圖中虛線所示。這種V1和V2管在電路中輪番導(dǎo)通的方式稱(chēng)為“推挽任務(wù)方式。雖然兩個(gè)三極管的集電極電流iC1和iC2均只需半個(gè)正弦波，但是經(jīng)變壓器耦合后，負(fù)載RL上的電流iL和輸出電壓uo的波形是整個(gè)正

9、弦波。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-26 OTL電路 V1V2CiC2RLui UCCuoiC1UCC/2第4章 集成運(yùn)算放大電路 2 無(wú)輸出變壓器的功率放大電路 變壓器耦合的功率放大電路優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，但是其體積龐大、 笨重， 耗費(fèi)有色金屬，高頻和低頻特性差， 因此目前廣泛運(yùn)用的是無(wú)輸出變壓器的功率放大電路Output TransfomerLess，簡(jiǎn)稱(chēng)OTL電路， 如圖3-26所示。OTL電路用一個(gè)大電容取代了變壓器，采用特性對(duì)稱(chēng)、類(lèi)型不同的兩個(gè)三極管V1和V2，其中一個(gè)為NPN型，另一個(gè)為PNP型。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 靜態(tài)時(shí)，前級(jí)電路應(yīng)使基極電壓為UCC/2，所以?xún)?/p>

10、管的發(fā)射極電壓也為UCC/2，那么電容上的電壓也等于UCC/2，極性如圖3-26所示。 設(shè)電容容量足夠大，對(duì)交流信號(hào)視為短路，三極管b-e間的開(kāi)啟電壓忽略不計(jì)。在ui的正半周，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電流iC1從UCC流出，經(jīng)V1管和電容C后流過(guò)負(fù)載RL到公共端，方向如圖中實(shí)線所示。由于V1管和負(fù)載RL組成的電路為射極輸出方式， 故輸出電壓uoui；在ui的負(fù)半周，V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2由電容C的正極流出，經(jīng)V2管和負(fù)載RL回到電容C的負(fù)極， 方向如圖中虛線所示。V2管也以射極輸出方式將負(fù)半周信號(hào)傳送給RL，即uoui。這樣負(fù)載RL上得到一個(gè)完好的信號(hào)波形。 第4章 集成運(yùn)算放大電

11、路 通常情況下功率放大電路的負(fù)載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且是電解電容。 由于大容量的電容不適于集成電路， 所以通常采用無(wú)輸出電容的功率放大電路Output CapacitorLess，簡(jiǎn)稱(chēng)OCL電路。下面以O(shè)CL電路為例， 引見(jiàn)功率放大電路的最大輸出功率、效率及管耗的分析與計(jì)算。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 3.4.2 互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功率放大電路 1. OCL電路的組成及任務(wù)原理電路的組成及任務(wù)原理 根本OCL電路如圖3-27所示。電路采用絕對(duì)值相等的雙電源供電，V1管和V2管特性對(duì)稱(chēng)，且一個(gè)為NPN型，一個(gè)為PNP型。兩管發(fā)射極銜接在一同作為輸出端，基極連在一同作為輸入端，所以

12、兩管都是共集電極接法， 故又稱(chēng)互補(bǔ)射極輸出器。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-27 OCL電路(a) 電路圖； (b) 波形圖 V1V2iC2RLui UCCuoiC1(a)uiOttOtOiC1iC2uoOt(b) UCC第4章 集成運(yùn)算放大電路 當(dāng)輸入信號(hào)ui=0時(shí)，電路處于靜態(tài)，兩管都不導(dǎo)通，靜態(tài)電流為零，電源不耗費(fèi)功率。在輸入信號(hào)的正半周，即ui0時(shí)， V1管導(dǎo)通，V2管截止，正電源供電，電流iC1經(jīng)V1管流過(guò)負(fù)載RL，方向如圖3-27a中實(shí)線所示，輸出電壓uoui；在輸入信號(hào)的負(fù)半周，即uiUCC/RL。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 3. 交越失真及其消除 在圖3-27所示的OCL

13、電路中，假設(shè)思索三極管b-e間的導(dǎo)通電壓Uon，那么當(dāng)輸入電壓的數(shù)值|ui|Uon時(shí)，V1、V2管均處于截止形狀，iC1和iC2同時(shí)為零，輸出電壓uo也為零。只需|ui|Uon時(shí)， V1或V2管才導(dǎo)通，使輸出電壓uo等于輸入電壓ui。因此在這種情況下，得到的波形是失真波形，如圖3-29所示。由于這種失真發(fā)生在兩管交替瞬間， 故稱(chēng)為交越失真。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-29 交越失真的波形 uiOttiC1OtiC2OtuoO交越失真第4章 集成運(yùn)算放大電路 為了消除交越失真，應(yīng)設(shè)置適宜的靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)，使兩只三極管均任務(wù)在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通形狀，通常采用如圖3-30所示電路。圖中R1、R2、

14、VD1、VD2、R3組成偏壓電路，利用R2、VD1、 VD2上的電壓降給V1、V2管的發(fā)射極提供一個(gè)小的正向偏壓， 這樣在ui=0時(shí)，兩個(gè)管子已處于微導(dǎo)通形狀，每個(gè)管子的基極各自存在一個(gè)較小的基極電流iB1和iB2，同樣，在兩管的集電極也存在著較小的集電極電流iC1和iC2，但是靜態(tài)時(shí)，iL=iC1-iC2=0， 所以輸出電壓uo為零。 第4章 集成運(yùn)算放大電路 圖 3-30 消除交越失真的OCL電路 R1R2VD1VD2R3V1V2iC1iLiC2RLui UCCuo UCC第4章 集成運(yùn)算放大電路 當(dāng)所接信號(hào)按正弦規(guī)律變化時(shí)，由于二極管VD1、VD2的動(dòng)態(tài)電阻很小，而且2的阻值也很小，因此可忽略VD1、VD2管及電阻R上的交流壓降，以為uB1uB2ui。當(dāng)ui0時(shí)，隨著ui的增大，V1管的電流逐漸增大，同時(shí)ui增大到一定值時(shí)，V2管截止，負(fù)載RL上得到正方向的電流；當(dāng)uiu-時(shí)，uo=U