第4章集成运算放大电路ppt课件.ppt
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1、第4章 集成运算放大电路,4.1 电流源电路 4.2 功率放大电路 4.3 集成运算放大电路,4.1 电 流 源 电 路,4.1.1 基本电流源电路 1. 镜像电流源(Current Mirror) 由三极管组成的镜像电流源如图4-1(a)所示。图中V1管和V2管的参数完全相同,两管基-射之间的电压相等,UBE1=UBE2,故IB1=IB2=IB, IC1=IC2=IC。 在图4-1(a)中,电源UCC通过电阻R和V1管产生一个基准电流IREF,,将V2管集电极电流IC2作为输出电流Io,则,当满足条件2时,上式简化为,(4-1),图 4-1 镜像电流源 (a) 三极管构成的镜像电流源;(b)
2、 增强型MOS管构成的镜像电流源,2. 改进型的镜像电流源 由式(4-1)可见,当三极管的电流放大系数较小时, 基极电流就不能忽略,这样IoIREF,因此为了减小因小而造成的误差,在镜像电流源V1管的集电极与基极之间加一个缓冲管V3,利用V3管的电流放大作用减小IB对IREF的分流作用,从而提高输出电流Io的精度。改进后的电路如图3-17所示,图中V1、 V2、V3管特性完全相同。,图 4-2 改进型镜像电流源,已知,1=2=3=, IB1=IB2=IB,UBE1=UBE2,因此输出电流,整理后得,若=10,代入上式可得Io0.982IREF,说明即使很小,输出电流Io也与基准电流IREF保持
3、良好的镜像关系,即IoIREF。,3. 比例电流源,图 4-3 比例电流源,由图可得,UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2 UBE1-UBE2+IE1R1=IE2R2 当UBE1-UBE2IE1R1,则 IE1R1IE2R2 若忽略两管的基极电流,可得 IREFR1IoR2 于是,由于V1、V2管的UBE同方向变化,因此比例电流源还具有较高的温度稳定性。,4. 微电流源 在集成运算放大电路中,为了提高电路的输入电阻,减小输入电流, 常常使第一级管子工作在小电流情况, 这就要求微安级的电流源。 在镜像电流源的基础上, 在V -2管的发射极接入电阻R2,就构成了微电流源,如图4-4所示。 微
4、电流源电路是利用UBE1与UBE2的微小差值来控制电流Io的。 由图4-4可得,由于UBE1-UBE2差值很小,因此用不大的R2,就可获得微弱的电流Io,故称微电流源。 根据PN结电压与电流的近似关系,则,设IS1IS2, 可得,(3-39),式(3-39)说明,当IC1和IC2已知时,可求出R2。,图 3-19 微电流源,5. 威尔逊电流源 威尔逊电流源如图3-20所示, 图中V1、V2、V3管特性完全相同。电路中V3管的作用与稳定静态工作点电路中的射极电阻Re相同,使IC高度稳定。这种电流源的输出电流基本上等于参考电流,对值不是很敏感。 由图3-20可得,图 3-20 威尔逊电流源,3.3
5、.2 多路电流源电路 具有多路输出的电流源如图3-21所示,V1管称为偏置管, 它同时给V2、V3、V4管提供偏置电流。V0为缓冲管,它提高了基准电流IREF的精度。 由图3-21可得,图 3-21 多路电流源,由于各管的b-e间电压UBE数值近似相等,所以,所以,【例3-3】图3-22所示电路为串级电流源,已知UBE=0.6 V, 试求输出电流Io。 解 由图3-22可得,3.3.3 以电流源为有源负载的放大电路 利用镜像电流源作为有源负载可以使单端输出的差分放大电路的差模电压放大倍数提高到接近于双端输出的情况,其电路如图3-23所示。图中V1、V2管组成射耦对;V3、V4管组成镜像电流源作
6、为有源负载。显然,镜像电流源的参考电流为IC1, 输出电流为IC4,而且IC4IC1。 静态时,V1管和V2管的发射极电流IE1=IE2=I/2, IC1=IC2I/2,若2,由镜像电流源得IC4IC1=I/2,所以输出电流io=IC4-IC2=0。 ,图 3-23 有源负载的差分放大电路,动态时,加入差模信号uid,根据差分放大电路的特点, V1管的集电极电流在静态电流IC1的基础上增加了iC1,V2管的集电极电流在静态电流IC2的基础上减小了iC2,iC1=-iC2。 由于iC4和iC1是镜像关系,iC4=iC1,因此io=iC4-iC2=iC1-(-iC1)=2iC1。 可见这个电流值是
7、单端输出电流的两倍, 即等于差分放大电路双端输出时的电流值。因此,用电流源作为差分放大电路的有源负载,可将双端输出信号“无损失”地转换成单端输出信号。,若电路接有负载RL,且考虑V2、V4管的输出电阻rce2、rce4, 则电压放大倍数为,若RL(rce1rce2), 则,3.4 功率放大电路,3.4.1 功率放大电路概述 1. 功率放大电路的特点 功率放大电路(Power Amplifier)主要有以下三个特点: 1) 根据负载要求,提供尽可能大的输出功率功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。当输入正弦信号时, 在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下,放大电路最大输出电压和最大
8、输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom,即,Pom=UoIo,2) 具有较高的效率 从前面的分析可知,所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时,为了向负载提供尽可能大的功率,就必须减小损耗,因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。 功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比,用表示,即 式中, PV为直流电源所提供的功率。,3) 尽量减小非线性失真 在功率放大电路中,为了使输出功率尽可能大,三极管一般都工作在极限状态,瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区, 输
9、出信号不可避免地会有非线性失真,而且输出功率越大,非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择, 要保证管子的最大耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最大管压降U(BR)CEO不超过限定范围,使管子工作在安全工作区。 由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态, 因此在进行分析时,一般不采用小信号等效电路法,而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。,2. 功率放大电路提高效率的主要途径 功率放大电路的形式很多,按放大电路不同的工作状态, 可分为甲类放大、 乙类放大、甲乙类放大。 在前面所讨论的电压放大电路中,输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件,这种工作方式称为甲类放大, 其
10、工作状态如图3-24(a)所示,由图可见iC0。 在甲类放大电路中,直流电源所提供的功率在没有信号输入时, 全部消耗在管子和电阻上;当有信号输入时,一部分转化为有用的输出功率,另一部分消耗在器件上。可以证明, 即使在理想情况下,甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。,怎样才能使电源所提供的功率尽可能多地转化为有用的信号输出功率呢?要想提高放大电路的效率,只有减小损耗。从甲类放大电路可知,静态电流是造成管耗的主要因素。如果把静态工作点向下移动,使信号等于零时,电源的输出功率也等于零(或很小), 信号增大时电源供给的功率也随之增大, 这样电源所提供的功率和管耗都会随着输出功率的大小而变化。 利用
11、图3-24(b)和(c)所示工作情况,可以实现上述设想。 在图3-24(b)中,有半个周期以上iC0,称为甲乙类放大;图3-24(c)中,一个周期内只有半个周期iC0,称为乙类放大。,甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗,提高了效率, 但是由于工作点偏下,会出现严重的波形失真,因此,既要保持静态时管耗小,又要使波形不产生严重失真, 就必须改进电路结构。,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响 (a) 甲类放大; (b) 甲乙类放大; (c) 乙类放大,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响 (a) 甲类放大; (b) 甲乙类放大; (c) 乙类放大,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响 (a)
12、 甲类放大; (b) 甲乙类放大; (c) 乙类放大,1) 变压器耦合功率放大电路,图 3-25 变压器耦合乙类推挽功率放大电路,图中Tr1为输入变压器,Tr2为输出变压器,三极管V1、V2特性完全相同,且接成对称射极输出器形式。当输入电压ui为零时,由于V1、V2管的发射极电压为零,均处于截止状态, 因此电源所提供的功率为零,负载上的电压也为零,两只管子的管压降均为UCC。当输入电压ui为正半周时,V1管导通,V2管截止,电流iC1如图中实线所示;当输入电压ui为负半周时, V1管截止,V2管导通,电流iC2如图中虚线所示。这种V1和V2管在电路中轮流导通的方式称为“推挽”工作方式。虽然两个
13、三极管的集电极电流iC1和iC2均只有半个正弦波,但是经变压器耦合后,负载RL上的电流iL和输出电压uo的波形是整个正弦波。,图 3-26 OTL电路,2) 无输出变压器的功率放大电路 变压器耦合的功率放大电路优点是可以实现阻抗变换,但是其体积庞大、 笨重, 消耗有色金属,高频和低频特性差, 因此目前广泛应用的是无输出变压器的功率放大电路(Output TransfomerLess),简称OTL电路, 如图3-26所示。OTL电路用一个大电容取代了变压器,采用特性对称、类型不同的两个三极管V1和V2,其中一个为NPN型,另一个为PNP型。,静态时,前级电路应使基极电压为UCC/2,所以两管的发
14、射极电压也为UCC/2,则电容上的电压也等于UCC/2,极性如图3-26所示。 设电容容量足够大,对交流信号视为短路,三极管b-e间的开启电压忽略不计。在ui的正半周,V1管导通,V2管截止,电流iC1从UCC流出,经V1管和电容C后流过负载RL到公共端,方向如图中实线所示。由于V1管和负载RL组成的电路为射极输出形式, 故输出电压uoui;在ui的负半周,V1管截止,V2管导通,电流iC2由电容C的正极流出,经V2管和负载RL回到电容C的负极, 方向如图中虚线所示。V2管也以射极输出形式将负半周信号传送给RL,即uoui。这样负载RL上得到一个完整的信号波形。,通常情况下功率放大电路的负载电
15、流很大,电容容量常选为几千微法,且是电解电容。 由于大容量的电容不适于集成电路, 所以通常采用无输出电容的功率放大电路(Output CapacitorLess),简称OCL电路。下面以OCL电路为例, 介绍功率放大电路的最大输出功率、效率及管耗的分析与计算。,3.4.2 互补功率放大电路 1. OCL电路的组成及工作原理,基本OCL电路如图3-27所示。电路采用绝对值相等的双电源供电,V1管和V2管特性对称,且一个为NPN型,一个为PNP型。两管发射极连接在一起作为输出端,基极连在一起作为输入端,所以两管都是共集电极接法, 故又称互补射极输出器。,图 3-27 OCL电路 (a) 电路图;
16、(b) 波形图,当输入信号ui=0时,电路处于静态,两管都不导通,静态电流为零,电源不消耗功率。在输入信号的正半周,即ui0时, V1管导通,V2管截止,正电源供电,电流iC1经V1管流过负载RL,方向如图3-27(a)中实线所示,输出电压uoui;在输入信号的负半周,即ui0时,V1管截止,V2管导通,负电源供电, 电流iC2流过负载RL,方向如图3-27(a)中虚线所示,输出电压uoui。这样在输入信号的一个周期内,V1、V2管交替工作, 管子工作在乙类放大状态,互相补充对方所缺少的半个周期, 从而使负载R上得到一个完整的信号波形。,2. 输出功率、效率和管耗的计算 由于输出波形是两管共同
17、作用的结果,为了便于分析,将V#-2管的输出特性曲线倒置在V1管的右下方,并令两者在Q点, 即uCE=UCC处重合,就得到了如图3-28所示的两管组合后的特性曲线。交流负载线为过Q点且斜率为-1/RL的直线,根据输入的正弦信号,Q点在交流负载线上移动,信号为正半周时,V1管导通, 可得到其集电极电流iC1和集-射之间的电压uCE1的半波波形;信号为负半周时,V2管导通,得到iC2和uCE2的半波波形,这样在负载RL上是完整的正弦电流、电压波形。显然,允许的iC的最大变化范围为2Icm,uCE的最大变化范围为2(UCC-UCES)=2Ucem。,图 3-28 用图解法分析OCL电路,1) 最大输
18、出功率Pom 由图3-28可得最大输出功率为,在理想情况下UCES0, 所以,2) 直流电源提供的功率PV 由于每个直流电源只提供半个周期的电流,iC=Icmsint,因此,两个直流电源所提供的总功率等于其电源电压与平均电流的乘积,即,3) 效率,理想情况下,忽略UCES, 则,4) 集电极管耗PT 集电极管耗是指每个三极管集电极上所损耗的功率, 用PT表示。通常情况下,功率放大电路中的损耗主要是三极管的集电极管耗。 由于上述电源所提供的功率和负载上获得的功率是对两个三极管而言的, 因此每个三极管的集电极管耗为,(3-51),对式(3-51)进行求导,令dPT/dUcem=0,得Ucem= U
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