武汉大学线性代数33

3.4集成运算放大器的中间放大级电路①能够提供足够高的电压增益;②进行直流电平的移动，保证在输入为零电平时输出也为零电平;③完成双端输入变成单端输出的功能。中间级必须承担三项基本的功能：恒流源IEE决定工作点电流差分输入、单端输出利用镜像电流源将双端差分输入的信号转换为单端输出,并可使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的效果。3.4.1双端变单端电路差模输入信号产生的输出电流:共模输入信号产生的输出电流:电路虽为单端输出，但具有双端输出的性能。与双端输出时共模电流为零是一致的3.4.2电平移动电路电平移动的作用就是要把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到当输入信号为零电平时，输出保持为零电平输出,并要求在直流电平移动的同时，交流信号不衰减。1)电阻分压式电平移动电路2)恒流源电平移动电路3)PNP管电平移动电路4)二极管电平移动电路常用的电平移动电路：2.恒流源电平移动电路恒流源的输出电流在电阻R1上产生恒压降IOR1输出直流电压比输入直流电压降低了IOR1例1:由于恒流源地交流电阻很大，输出交流电压v2≈v1，几乎不衰减。3.5集成运算放大器的输出级3.5.1功率放大器及集成运放输出级功率放大器:以输出较大功率为目的的放大电路从能量控制和转换的角度看，功率放大器和其他的放大器没有本质上的区别在电源电压一定的条件下，输出尽可能大的信号功率和提供尽可能大的转换效率。功率放大器的输出电压和输出电流的幅度较大，管子一般工作在接近极限运用的状态效率性能指标大信号（极限）状态安全问题:ICM、PCM、V(BR)CEO分析方法：大信号模型、图解法（求Vom）输出功率如何提高输出功率要求最佳负载电源功率PD一定时:PTPo（即效率提高）放大器的工作状态:根据在正弦信号整个周期内的三极管导通情况，可分为2、单管甲类功率放大器的分析Q应选在MN线段的中央，使iC、vCE在信号正峰点时摆动到M点，负峰点时摆动到N点输出功率和效率M、N点三极管集电极输出的交流电流和电压的幅度最大集电极的最大输出功率电源电压的功率功放的最高效率甲类功放中，忽略管子的饱和压降且输出负载合理的理想条件下，理论效率最大也只能达到50%。分析功放电路应注意的问题:(1)放大管应工作在安全区—电路参数不能超过极限值（ICM、PCM、V(BR)CEO）(2)提高电路效率η—静态时电源提供的功率被放大器转化为热能形式消耗掉；动态时电源提供的功率的一部分为有用功率。(3)工作点下移,减小静态电流产生的静态功耗电路工作时应具有—输入信号为零时→电源输出功率等于零或很小；输入信号增大时→电源输出功率也随之增大；3.5.2互补推挽输出级1.电路组成及工作原理由一对NPN、PNP特性相同的三极管组成。(1)互补(2)对称电路工作特点：工作时:T1和T2交替工作正、负电源交替供电输出与输入之间双向跟随。静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。2.分析计算(1)图解分析（求）omV(2)输出功率最大不失真输出功率(3)效率管耗PT：单个管子在半个周期内的管耗电源功率效率乙类互补对称电路存在的问题交越失真：在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。3.5.3准互补推挽输出级消除交越失真的电路vi=0时→给T1、T2提供静态电压消除交越失真思路：VB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态。VB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态。VB1、B2＝VD1＋VD2使用单电源供电的输出级：电容C替代了另一电源#在怎样的条件下，电容C才可充当负电源的角色？静态偏置：调整R1、R2阻值的大小可使CCK21VV电容上电压CCC21VV电路对静态工作点漂移的抑制作用动态工作：输出级在接近充分运用状态下工作时负载上得到最大的交流输出电压为单电源互补对称输出级电路与双电源互补对称输出级电路的功率计算公式基本相同，不同的是其中的直流电源VCC用1/2VCC代替)421(12omomCCLT1VVVRP)4(12omomCCL1TVVVRPL2omLomomooo222=RVRVVIVPCComDo4=VVPPCComVo214=VVPPL2omLomomooo222=RVRVVIVP双电源互补对称电路单电源互补对称电路CCCESCCommax=VVVVCCCESCCommax2121=VVVV求（1）负载电阻RL的值；（2）输出功率最大时电路的效率η；例3.3:电路中VCC=32V，设BJT的VCES=1V，ICEO=0，最大不失真输出功率P0max=7.03W。（3）BJTT1的最大管耗PT1及T1管耗最大时的输出功率P0和效率η（按静态电流近似为0进行计算）解:（1）负载电阻RL的值；%.PPηD6730（2）输出功率最大时电路的效率η（3）最大管耗PT1、输出功率P0和效率η（1）求负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少?例3.4:电路中VCC＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降VCES＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL＝4Ω解:（1）负载上的最大功率和效率因为V0≈Vi，（2）若输入电压最大有效值为8V时，负载上的最大功率最大输出功率所以V0m≈8V差模传输特性:输出差模电流随差模输入电压变化的特性3.2.3差分放大电路的传输特性(1)单端输出时(2)双端输出时差模特性曲线集成运放的电压传输特性即集成运放的工作区域线性区域：输出电压与两输入端的电压之间存在线性放大关系AVD:差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种情况+VOM或-VOM1、输入失调电压定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。差分放大器的失调:电路两边存在着不对称，使得零输入时(即静态时)输出电压V0不等于零。一般运放：VI0为1~10mV；高质量运放：VI0为1mV以下。输入失调电压：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。表征运放内部电路对称性的指标2、输入失调电流：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度两管的β不等输入端引入电流IIO定义:当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差IB运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。3、失调模型和调零电路加到差放两输入端间的总失调电压:调节调零RW，改变两端发射极电位或集电极电阻，使静态工作时双端输出的电压减小到零。实用调零电路发射极调零电路集电极调零电路3.6.2集成运算放大器的性能参数1、输入失调电压VIO2、输入失调电流IIO3、开环电压增益:开环电压增益是指运放没有反馈时的差模电压增益vdA4、差模输入电阻:差模输入电阻是在运算放大器输入差模信号时，运算放大器的两个输入端看进去的等效电阻idRmaxdtdVSoR反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值。额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。5、转换速率（摆率）：运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号能够达到的最大变换率称为转换速率或者摆率，用SR表示，单位为V/uS。在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值6、温度漂移1)输入失调电压温漂2)输入失调电流温漂在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值7、最大差模输入电压运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。8、最大共模输入电压在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。理想运放的技术指标3.7集成运算放大器的基本应用1)理想运放工作在线性区时的特点输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系3.7.2集成运算放大器组成的基本电路（1）理想运放的差模输入电压等于零开环电压增益无穷大，输出电压为有限值，故两个输入端的电压为无穷小，即两输入端电压差为零,可以视为短路“虚短”:(2)理想运放的输入电流等于零“虚断”:由于Rid=∞，两个输入端均没有电流，即2)理想运放工作在非线性区特点：(1)输入电流等于零:“虚断”例如:F007的Vopp=±14V，Aod2×105线性区内输入电压范围3)线性区范围很小1、反相放大器“虚短”:“虚地”:由“虚短”和“虚断”的模型：“虚断”:反相放大器的电压增益:2、同相放大器由“虚短”和“虚断”：电压增益:同相放大器的输出电压与输入电压同相，放大器的放大倍数只与外加的电阻有关，与运算放大器无关例6:电路如图所示，所有BJT的β值均很大，且T2、T3管特性相同，,7.0VVBE问:（1）T2、T3管和R组成什么电路？在电路中起什么作用?(2)电路中T1、Re1起电平移动作用保证vi=0时，vo=0。求IREF、IC3和Re1的值。解：（1）T2、T3管和R组成镜像电流源电路，在电路中为BJTT1的恒流源负载，提高带负载能力。(2)电路中T1、R1起电平移动作用保证vi=0时，vo=0。求IREF、IC3和Re1的值313103.237.08331AVIVVRCBEIe例7:单电源互补对称电路如图所示。T1、T2的特性完全对称,vi为正弦波。试问：（1）静态时电容C2两端电压应是多少？调整哪个电阻能满足这一要求？解：（1）静态时，电容C2两端的电压VVVCCC6212R1、R3为偏置电阻调节R1、R3即可满足VC2=6V（2）动态时，若输出电压vo出现交越失真，应调整哪个电阻？解：R2的作用是调整T1、T2的基极电压。当出现交越失真时，故要增大R2。2121BEBEDDVVVVmWPVVCMBE400,7.0（3）R1=R3=1.1KΩ，β均为40，假设D1、D2、R2中任意一个开路，将会产生什么后果？解：（3）D1、D2、R2任意一个开路，R1上的电流全部流入T2管的基极。由KVL定理：CCCEBECCBBBECCVVRRVVIRRIVV21223131mWVIPPCEBTT4.115621CMTTPPP21管子将会烧坏。