項(xiàng)目常用放大器及其應(yīng)用

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能（陳振源主編） 電子演示文稿1 放大電路在各類電子產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用，由于其應(yīng)用場(chǎng)合和性能要求的不同，放大電路的類型有許多，本項(xiàng)目重點(diǎn)介紹幾種較為常用的放大器的功能、電路組成和基本工作原理。 3.1 集成運(yùn)算放大器 3.3 低頻功率放大器 3.2 放大電路中的負(fù)反饋 3.4 諧振放大器23.1.1 集成運(yùn)放介紹1.集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)放的常見封裝外形有雙列直插式和圓殼式等，集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成如圖所示，包括輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等部分。 集成運(yùn)放的常見封裝外形 集成運(yùn)放的組成框圖 3.1 集成運(yùn)算放大器 32集成運(yùn)放內(nèi)部的差分放大電路差分放大電路由于它在

2、解決零點(diǎn)漂移方面有突出的優(yōu)點(diǎn)，因而成為集成運(yùn)放的主要單元?；静罘址糯箅娐肥怯蓛蓚€(gè)完全對(duì)稱的單管放大器組成的。圖中兩個(gè)三極管的特性及左右相對(duì)應(yīng)的電阻參數(shù)完全一致。基本差分放大電路4（1）零點(diǎn)漂移與抑制 所謂的零點(diǎn)漂移是指將直流放大器輸入端對(duì)地短路，使之處于靜態(tài)狀態(tài)時(shí)，在輸出仍然會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則變化的電壓。造成零漂的原因是電源電壓的波動(dòng)和三極管參數(shù)隨溫度的變化，其中溫度變化是產(chǎn)生零漂的最主要原因。 零點(diǎn)漂移的檢測(cè) 輸出電壓漂移曲線 差分放大電路因左右兩個(gè)放大電路完全對(duì)稱，因此具有零輸入時(shí)零輸出的特點(diǎn)。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩管的輸出變化(即每管的零漂)相同，從而有效地抑制了零點(diǎn)漂移。 5（2）差模輸人 輸入

3、信號(hào)vI被Rl、R2分壓為大小相等、極性相反的一對(duì)輸入信號(hào)分別輸入到兩管的基極，稱為差模信號(hào)。差分放大器的差模放大倍數(shù)為上式表明：基本差分放大器的AVD和單個(gè)管放大電路的放大倍數(shù)AV是相等的，用多一倍的元件的代價(jià)換來(lái)了對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制能力。6（3）共模輸入 在兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、極性相同的信號(hào)vI1= vI2=vI，稱為共模信號(hào)，這種輸入方式稱為共模輸入。對(duì)于完全對(duì)稱的差分放大器，輸出電壓vO=vO1-vO2=0，共模電壓放大倍數(shù)為：共模放大倍數(shù)AVC愈小，則表明抑制零漂能力愈強(qiáng)。差分放大器常用共模抑制比KCMR來(lái)衡量放大器對(duì)有用信號(hào)的放大能力及對(duì)無(wú)用漂移信號(hào)的抑制能力，其定義是：7

4、3集成運(yùn)放符號(hào)與引腳功能 集成運(yùn)放是目前最通用的模擬集成器件，可以將它看成是一個(gè)高電壓放大倍數(shù)、低 零漂的雙端輸入單端輸出式差分放大器，其符號(hào)如左下圖所示。CF741集成運(yùn)放的引腳功能見右下圖。 集成運(yùn)放的電路符號(hào) CF741引腳功能 8 4集成運(yùn)放的主要參數(shù) （1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)AVD 指集成運(yùn)放無(wú)外加反饋回路時(shí)，輸出信號(hào)電壓與輸入差模電壓之比，它體現(xiàn)運(yùn)放器件的放大能力，一般在103107之間。（2）差模輸入電阻rid 是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間的交流電阻，一般在幾十千歐至幾十兆歐范圍，rid大的集成運(yùn)放性能好。（3）開環(huán)輸出電阻rod 指集成運(yùn)放無(wú)外加反饋回路時(shí)的輸出電阻。（4）共模抑

5、制比KCMR 用來(lái)綜合衡量集成運(yùn)放的放大和抗零漂、抗共模干擾的能力。 （5）輸入失調(diào)電壓VIO 在輸入信號(hào)為零時(shí)，為使輸出電壓也為零，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓值。它反映差分放大部分參數(shù)的不對(duì)稱程度，VIO越小越好，一般為毫伏級(jí)。（6）輸出峰一峰電壓VOPP 指放大器在空載情況下，最大不失真輸出電壓的峰一峰值。（7）靜態(tài)功耗PD 集成運(yùn)放在輸入端短路、輸出端開路時(shí)所消耗的功率。（8）開環(huán)帶寬BW 與放大器的幅頻特性的頻帶寬度相類似，指下限頻率與上限頻率之間的頻率范圍，一般在幾千赫至幾百千赫。91集成運(yùn)放的理想特性開環(huán)電壓放大倍數(shù)AVD=； 輸入電阻rid=；輸出電阻rod=0； 頻帶寬度BW=。

6、2.理想運(yùn)放等效電路（1）同相輸入端的電位等于反相輸入端的電位，即 vI+=vI-當(dāng)有一個(gè)輸入端接地時(shí)，另一個(gè)輸入端非常接近地電位，稱為“虛地”。（2）輸入電流等于零。理想集成運(yùn)放的輸入電阻rid=，因此輸入端不取用電流，即 iI+=iI- =0 3.1.2 集成運(yùn)的運(yùn)用 理想運(yùn)放等效電路 10 3集成運(yùn)算放大器的三種輸入形式（1）反相放大器 輸入信號(hào)vI從運(yùn)算放大器的反相輸入端加入，就構(gòu)成反相放大器。R1為輸入耦合電阻。Rf為反饋電阻。R2為平衡電阻，取值R2=RlRf。反相電路的放大倍數(shù)為反相電路的輸出電壓為反相放大器 11（2）同相放大器 輸入信號(hào)vI從運(yùn)算放大器的同相輸入端加入，就構(gòu)成

7、同相放人器。輸入電壓vI通過(guò)電阻R2接到同相輸入端，在輸出端與反相輸入端之間接有反饋電阻R，為使輸入端保持平衡，R2=R1Rf。同相放大器的電壓放大倍數(shù)為 同相放大器的輸出電壓為 同相放大器12（3）差分放大器 輸入信號(hào)vI1通過(guò)R1加到反相輸入端，另一輸入信vI2則通過(guò)R2加到同相輸入端，Rf為反饋電阻，R3為平衡電阻。 當(dāng)R1=R2，且Rf=R3時(shí)，同相放大器的電壓放大倍數(shù)為 ： 同相放大器的輸出電壓為 ：差分放大器1314 3信號(hào)運(yùn)算電路 （1）加法運(yùn)算電路 通常又稱為加法器，其電路實(shí)際上是在反相放大器的基礎(chǔ)上增加幾路輸入信號(hào)源，圖中的R1、R2、R3為輸入耦合電阻，R4為平衡電阻，R4

8、=R1R2R3R f。加法運(yùn)算電路根據(jù)集成運(yùn)放的理想特性有iI=0，所以 集成運(yùn)放的反相輸入端為虛地點(diǎn)，故有 當(dāng)R1=R2=R3=Rf時(shí)，有 輸出電壓vo為各輸入信號(hào)電壓之和，式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。15（2）減法運(yùn)算電路 又稱為減法器，電路構(gòu)成與差分放大器相同。 減法運(yùn)算電路當(dāng)R1=R2= R3=Rf時(shí)，由公式 得： 上式表明，該差分放大器的輸出電壓為輸入電壓vI2與vI1差，由此實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。1617181920反饋是指將放大電路的輸出信號(hào)的一部分或全部返回到輸入端，并與輸入信號(hào)疊加的過(guò)程。在放大電路中引入負(fù)反饋可以大大改善放大器的性能，因此得到廣泛的應(yīng)用。3.2.1 反

9、饋的基本概念1反饋放大器的組成反饋放大電路的結(jié)構(gòu)方框如下圖所示。圖中A代表無(wú)反饋的放大電路，也稱基本放大電路，F(xiàn)代表反饋電路。 反饋放大器方框圖 3.2 放大電路中的負(fù)反饋開心一刻：“反饋” 212反饋的判別（1）有無(wú)反饋的判別觀察放大電路有無(wú)反饋元件判斷電壓和電流反饋的方法判別串聯(lián)和并聯(lián)反饋的方法 判別反饋極性找到聯(lián)系放大器輸出與輸入回路之間的元件，這是判斷反饋存在與否的依據(jù)。 根據(jù)反饋信號(hào)在輸出端取樣方式來(lái)判斷根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端的接入方式來(lái)判斷 采用瞬時(shí)極性法來(lái)判別 22 （2）發(fā)壓反饋、電流反饋的判別 電壓反饋：反饋信號(hào)取自放大電路的輸出電壓vo，反饋信號(hào)是與輸出電壓成正比。 電流反饋

10、：反饋信號(hào)取自放大電路的輸出電流io，反饋信號(hào)是與輸出電流成正比。 電壓反饋示意圖 電流反饋示意圖23（3）串聯(lián)反饋、并聯(lián)反饋判別 串聯(lián)反饋：在放大電路的輸入回路中，反饋信號(hào)vf與外輸入電壓vi串聯(lián)后加至放大器件的輸入端。串聯(lián)反饋信號(hào)在輸入端以電壓形式出現(xiàn)。并聯(lián)反饋：在放大電路的輸入回路中，反饋信號(hào)if與輸入電流ii并聯(lián)后加至放大器的輸入端。并聯(lián)反饋信號(hào)在輸入端以電流形式出現(xiàn)。 串聯(lián)反饋示意圖 并聯(lián)反饋示意圖24（4）正反饋、負(fù)反饋的判別 通常采用瞬時(shí)極性法來(lái)判別正反饋與負(fù)反饋，具體方法是：a先假定輸入信號(hào)的瞬時(shí)極性，然后根據(jù)放大電路輸入與輸出信號(hào)的相位關(guān)系確定輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性。b

11、根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的連接情況，確定反饋極性。如圖3-276（a）所示，先假定vi輸入端的瞬時(shí)極性為“+”，若反饋信號(hào)返回到vi輸入端為“+”，則為正反饋。反之，反饋信號(hào)返回vi輸入端為“-”，則為負(fù)反饋。25 （5）交流反饋、直流反饋的判別 在放大電路中存在著直流分量和交流分量，若反饋回來(lái)的信號(hào)是交流量，則稱之為交流反饋，交流負(fù)反饋能改善放大電路的交流性能；若反饋回來(lái)的信號(hào)是直流量，則稱之為直流反饋，直流負(fù)反饋主要用于穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。263.2.2 負(fù)反饋放大器的四種組態(tài) 按反饋信號(hào)的取樣方式及接至放大器輸入端的連接方式不同，可組合成四種不同類型的負(fù)反饋。 271.負(fù)反饋使放大倍數(shù)

12、下降2. 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 3.負(fù)反饋使非線性失真減小 5 .負(fù)反饋可展寬通頻帶4 .負(fù)反饋可改變輸入電阻和輸出電阻的大小3.2. 3 負(fù)反饋放大器性能的影響28 多級(jí)放大電路末級(jí)的輸出信號(hào)往往都是送到負(fù)載，驅(qū)動(dòng)其正常工作。負(fù)載裝置常見的有揚(yáng)聲器、伺服電機(jī)、記錄儀表、繼電器、電視機(jī)的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。這類主要用于向負(fù)載提供低頻信號(hào)功率的放大電路稱為低頻功率放大電路。3.3.1 功率放大電路的基本要求1有足夠大的輸出功率2效率要高3非線性失真要小4功放管散熱要好 3.3 低頻功率放大器 家用立體聲功率放大器29 3.3.2 功率放大器的分類1按靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置分類：甲類 、乙類 、甲乙類 2按耦

13、合方式分類：阻容耦合 、變壓器耦合 、直接耦合 甲類功率放大器工作狀態(tài)乙類功率放大器工作狀態(tài)甲乙類功率放大器工作狀態(tài)303.3.3 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路（OCL電路）1電路基本結(jié)構(gòu)由+ VCC、Vl和RL組成NPN型管射極輸出電路，由-VCC、V2和RL組成PNP型管的射極輸出電路。Vl與V2管的基極連接在一起作為信號(hào)輸入端，兩管的發(fā)射極也連接在一起作為信號(hào)的輸出端，直接與負(fù)載相連接。 OCL原理電路31 當(dāng)輸入信號(hào)vi為正半周時(shí)，V2管發(fā)射結(jié)反偏而截止，V1管發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，產(chǎn)生電流iC1流經(jīng)負(fù)載RL形成輸出電壓vo的正半周。當(dāng)輸入信號(hào)vi為負(fù)半周時(shí)，V1管的發(fā)射結(jié)反偏而截止，V2管的發(fā)射結(jié)

14、正偏而導(dǎo)通，產(chǎn)生電流iC2流經(jīng)負(fù)載RL形成輸出電壓vo的負(fù)半周。綜上所述，V1管與V2管交替導(dǎo)通，分別放大信號(hào)的正、負(fù)半周，于是在負(fù)載獲得完整的輸出信號(hào)。2工作原理OCL放大電路工作波形323輸出功率和效率OCL電路中，負(fù)載RL上輸出的電壓和電流的最大值 時(shí):OCL電路的理想效率為 : 334交越失真及其消除方法 OCL電路在沒有直流偏置的情況下，當(dāng)輸入電壓vi低于死區(qū)電壓時(shí)，V1和V2管會(huì)產(chǎn)生截止，即在正、負(fù)半周的交替處出現(xiàn)一段死區(qū)，這種現(xiàn)象稱為交越失真。 交越失真波形 消除交越失真的OCL電路 消除交越失真的方法是在兩個(gè)功放管基極間串入二極管V4和V5，利用二極管的壓降為三極管V2、V3的

15、發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，使管子處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即工作于甲乙類狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載RL上輸出信號(hào)波形就不會(huì)出現(xiàn)交越失真。341.OTL基本電路OTL功率放大電路的V1管與V2管是一對(duì)導(dǎo)電類型不同，特性對(duì)稱的配對(duì)管。從電路連接方式上看兩管均接成射極輸出電路，工作于乙類狀態(tài)。OTL與OCL電路不同之處有兩點(diǎn)：第一，由雙電源供電改為單電源供電；第二，輸出端與負(fù)載RL的連接由直接耦合改為電容耦合。 3.3.4 單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路（OTL電路） OTL功率放大電路實(shí)物圖 OTL功率放大電路圖 352.工作原理靜態(tài)時(shí)， V1、 V1雙管都截止。輸入交流信號(hào)vi為正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，電源VCC過(guò)V1向耦合

16、電容C1充電，并在負(fù)載RL上輸出正半周波形。輸入交流信號(hào)vi為負(fù)半周時(shí)，V1管截止，V2管導(dǎo)通，耦合電容C1放電向V2管提供電源，并在負(fù)載RL上輸出負(fù)半周波形。、綜上所述可知，V1管放大信號(hào)的正半周，V2管放大信號(hào)的負(fù)半周，兩管工作性能對(duì)稱，在負(fù)載上獲得正，負(fù)半周完整的輸出波形。3輸出功率和效率最大輸出功率為 ： OTL電路的理想效率：364典型電路分析典型OTL功率放大電路的見下圖，它由激勵(lì)放大級(jí)和輸出放大級(jí)所組成。 OTL實(shí)物連接圖 OTL原理電路圖 375采用復(fù)合管的OTL電路把兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管的電極適當(dāng)?shù)剡B接起來(lái)，等效一個(gè)管子使用，即為復(fù)合管。它有四種連接方式，圖（a）、（b）由

17、兩只同類型管子構(gòu)成復(fù)合管，圖（e）、（d）則由不同類型的兩只管子構(gòu)成復(fù)合管。 四種常見復(fù)合管形式 38 超聲波壓焊機(jī)中的功率放大電路如下圖所示，三極管V1組成激勵(lì)放大級(jí)，V2與V4管組成NPN型復(fù)合管，V3與V5管組成PNP型復(fù)合管，兩只復(fù)合管作為電路的輸出配對(duì)管，由于大功率管V4和V5都是NPN型管，因此可選用同型號(hào)、性能接近的管子。 超聲波壓焊機(jī)的功率放大電路 應(yīng)用實(shí)例 393.3.5 集成功率放大器4100功放集成電路屬于直接耦合的多級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，主要由差分輸入級(jí)、中間放大級(jí)和OTL輸出級(jí)所組成。4100集成電路的14腳為雙排直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)，該集成電路帶有散熱片 。 4100功放集

18、成框圖 4100功放集成電路引腳排列 40用LA4100功放集成電路組成的互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大器的原理電路和印刷電路板裝配圖。 應(yīng)用實(shí)例 （a）原理電路 (b)印刷電路板裝配圖 411.按圖3-44安裝音頻功放電路，電路安裝完畢，經(jīng)檢查無(wú)誤后，接入+ 9V直流穩(wěn)壓電源，從C22輸入音樂信號(hào)，試聽音頻功放電路的音效。42 2.檢查音頻功放電路是否存在無(wú)聲、聲音小、嘯叫或聲音失真現(xiàn)象，檢測(cè)并排除故障。 3.用萬(wàn)用表測(cè)量LA4100各引腳對(duì)地的直流電壓。檢查輸出端電壓是否符合正常要求，將測(cè)量結(jié)果填入表3-5中。 4. 測(cè)量最大不失真功率Pomax 在放大器的輸入端接入頻率為400Hz的正弦信號(hào)。在放大

19、器的輸出端接上示波器，先將vi置最小，再逐漸加大vi，使示波器顯示出最大不失真波形，用示波器測(cè)出輸出電壓幅值Vom，則最大不失真功率為： 。 43 采用具有諧振性質(zhì)的元件作負(fù)載的放大器稱為諧振放大器，又稱調(diào)諧放大器。諧振放大器具有選頻放大作用，即選擇有用信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì)通頻帶以外的各種頻率信號(hào)基本不放大，在無(wú)線接收系統(tǒng)中常用作高頻、中頻放大器。 3.4.1 單諧振放大器 輸入信號(hào)經(jīng)變壓器T1加在三極管的b、e之間進(jìn)行放大，三極管集電極所接的電感L與電容C組成并聯(lián)諧振回路，當(dāng)諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率時(shí)，在并聯(lián)諧振回路獲得最大的諧振電壓，這個(gè)電壓經(jīng)變壓器T2耦合到負(fù)載阻抗RL上，從而使負(fù)載得到

20、較大的信號(hào)功率或電壓。 3.4 諧振放大器 單諧振放大電路 44 3.4.2 雙諧振放大器 為了提高諧振放大器選頻特性或改善通頻帶，可以采用具有兩個(gè)LC選頻回路的雙諧振放大器。雙諧振放大器一般有互感耦合和電容耦合兩種形式，圖（a）為互感耦合雙諧振放大器，圖（b）為電容耦合雙諧振放大器。 （a）互感耦合雙諧振放大電路 （b） 電容耦合雙諧振放大電路 雙諧振放大器具有較好的通頻帶和選擇性，雙諧振回路的諧振曲線如下圖所示。 松耦合 臨界耦合 緊耦合 453.4.3 集成諧振放大器 1電路組成集成諧振放大器的組成結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，一種是濾波器在寬帶放大器后面如左下圖所示，另一種是濾波器在寬帶放大器前

21、面如右下圖所示。 2陶瓷諧振放大器 陶瓷濾波器是由壓電陶瓷材料制成的具有選頻特性的二端或三端器件。（1）二端陶瓷濾波器 濾波器在寬帶放大器后面 濾波器在寬帶放大器前面 外型 電路圖 等效電路 諧振特性46（2）三端陶瓷濾波器 外型 電路圖 等效電路 諧振特性 （3）三端陶瓷濾波放大器 長(zhǎng)虹彩色電視機(jī)的伴音集成中頻放大電路 47 3.4.4 諧振放大器的主要性能指標(biāo)1. 諧振頻率放大器的調(diào)諧回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率f0稱為放大器的諧振頻率。2諧振電壓增益放大器的諧振增益是指放大器在諧振頻率上的電壓增益，記為Au0，其值可用分貝表示。 3通頻帶通頻是指放大器的電壓增益下降到諧振電壓增益的0.707倍

22、時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，一般用BW表示。4選擇性選擇性是指放大器從各種不同頻率的信號(hào)中選出有用信號(hào)并抑制不需要信號(hào)的能力。（1）抑制比 抑制比為諧振電壓增益與通頻帶以外某一特定頻率上的電壓增益之比值，用d表示。d值越大，放大器的選擇性越好。（2）矩形系數(shù) 放大器的諧振曲線越接近矩形，則放大器的選擇性越好。矩形系數(shù)表示放大器的電壓增益下降到諧振電壓增益的0.1倍的頻帶寬度BW0.1與下降至0.7倍的通頻帶BW的比值，用K表示，即：48本 章 小 結(jié) 1集成運(yùn)算放大器是一種高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合集成放大電路，內(nèi)部主要由差分式輸入級(jí)、中間級(jí)、互補(bǔ)對(duì)稱式輸出級(jí)及偏置電路所組成。差分放大器能有效抑制直

23、接耦合引起的零點(diǎn)漂移，因此廣泛應(yīng)用于集成運(yùn)放電路中。 2集成運(yùn)放按輸入信號(hào)的接入方式不同可組成反相放大器、同相放大器和差分放大器。集成運(yùn)放的應(yīng)用范圍極為廣泛，本章介紹了常用的信號(hào)運(yùn)算電路(加法器、減法器)的電路形式和信號(hào)運(yùn)算關(guān)系。 3在放大電路中，把輸出信號(hào)饋送到輸入回路的過(guò)程稱為反饋。反饋放大器主要由基本放大電路和反饋電路兩部分組成。負(fù)反饋放大電路主要有四種類型，即電壓并聯(lián)、電壓串聯(lián)、電流并聯(lián)、電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。 4負(fù)反饋對(duì)放大器的性能有廣泛的影響，可穩(wěn)定放大倍數(shù)、展寬通頻帶、減小非線性失真、增大或減小輸入和輸出電阻。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的要求引入不同的反饋方式，但負(fù)反饋是以損失放大倍數(shù)為代價(jià)，換取放大電路性能的改善。 495功率放大器的主要任務(wù)是不失真地放大信號(hào)功率。常用的功率放大器按靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不同，分為甲類、乙類和甲乙類。按耦合方式不同可分為阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合三種方式。 6目前廣泛應(yīng)用的功率放大器是互補(bǔ)對(duì)稱式功放電路，它有OCL和OTL兩種類型，它們都是由對(duì)稱的兩個(gè)射