项目功率放大电路制作.ppt

项目3 功率放大电路制作学习目标通过本项目的练习，了解差分放大电路的基本结构，理解差分放大电路的基本特性；掌握互补对称功率放大电路的工作原理，并能进行功率估算。,工作任务制作最大不失真功率PO8W的功率放大电路，撰写项目制作报告。参考电路图带电源指示的简易12V直流电源电路如图所示。,(a)功率放大电路原理图,(b)功率放大电路印制电路图图3.1功放原理图和印制电路图,技能实训1 差分放大电路仿真测试,测量电路图,知识点 差分放大器1.差分放大器的结构把满足静态工作点条件的共射放大电路镜像地放在一起，如图3.3所示，把两个输入信号ui1和ui2在相位相同时的输入称为共模信号，在相位相反时的输入称为差模信号，可见，在图3.3的电路结构中，当输入共模信号时，得到的输出信号uRL为零，电路放大倍数为0；当输入差模信号时，得到的输出信号uRL为原来单端输出信号的两倍，电路放大倍数为单个共射放大电路的放大倍数。,图3.3 差分放大电路的组成,把图3.3电路中的电源和地线连在一起，把发射极也连在一起，并且把Re1、Re2合并成一个电阻Re，形状似“尾巴”，就可以得到一个由两个性能一致的单管放大器加上一个长尾RE组成的差分（也叫差动）放大电路，图3.4是其常见的两种结构电路图。,2.差动放大电路的四种输入输出方式差动放大器的四种输入输出方式如图3.5所示。,(a)双端输入、双端输出(b)单端输入、双端输出,(c)双端输入、单端输出(d)单端输入、单端输出图3.5 差动放大电路四种输入输出方式,四种输入输出方式中，最常用的是双入双出和单入单出。,3.差动放大电路的静态工作点在图3.6中，以长尾式差动放大电路为例，计算差动放大电路的静态工作点如下：,图3.6 长尾式差动放大器的静态工作点,4.差分放大器的质量指标差分放大器的质量指标包括：差模放大倍数、共模放大倍数、输入电阻、共模抑制比:,双端输入、双端输出的质量指标为：,长尾式单端输入、单端输出的质量指标为：,差动放大电路对差模信号的放大能力几乎和普通共射电路一样，而对共模信号，差动放大电路又具有很强的抑制能力，电源电压的波动所引起的集电极电压变化、由温度变化所引起的集电极电流变化、外界相关的干扰信号，都属于差动放大电路的共模信号，差动放大器对这些有害的共模信号具有很强的抑制作用，这是差动放大电路特有的优点。差动放大电路通常作为运算放大器的输入级。,技能实训2 互补对称功率放大电路测试仿真测试电路图,(a)零偏压OCL电路,(b)带偏压OCL电路图3.7 互补对称功率放大电路仿真图,知识点 互补对称功率放大电路功率放大器的主要功能是为负载提供不失真的足够大的输出功率，即同时要求输出大幅度的电压和大幅度的电流。功率放大设备常由多级放大器组成，包括输入级、中间级和末级等。而末级(输出级)即为功率放大器。对于功率放大器有一些特殊的要求：(1)输出尽可能大的功率(2)转换效率尽可能高(3)非线性失真尽可能小(4)三极管的散热问题,下面讨论互补对称功率放大器。,(a)OCL电路(b)OTL电路图3.8 互补对称功率放大电路,图3.8所示为互补对称功放电路。采用两个类型不同的三极管，一个NPN型，另一个为PNP 型，称为互补，并且要求两个管子的参数一致，即为对称。图(a)为无输出电容的互补对称功放电路(简称OCL电路)，图(b)为无输出变压器的单电源互补对称功放电路(简称OTL电路)。,1.OCL电路(1)工作原理,(a)ui0，u00(b)正半周VT1导通、VT2截止(c)负半周VT1截止、VT2导通 图3.9 OCL电路工作过程示意图,电路不管是正半周VT1工作还是负半周VT2工作，在工作时均为电压跟随器，所以电路的输出电阻很小，能有效地向负载提供功率。,(2)有关参数计算,(3)零偏压状态下OCL的交越失真及消除方法零偏压状态下的OCL电路及输入输出电压波形如图3.10(a)、(b)所示。,(a)零偏压状态下的OCL电路(b)图(a)的输入输出波形图3.10 零偏压状态下的OCL电路及交越失真,由此可知，当ui为一个周期的标准正弦信号时，uo在由正到负交越时间轴处产生了失真，这种失真称交越失真。消除方法就是让VT1、VT2在静态时给一个约0.6V的偏压，使VT1、VT2在静态时处于微导通状态，这样uo就会完全跟随ui而变化，从而消除交越失真。,2.OTL电路采用一个电源的互补对称电路，其工作原理与双电源供电的OCL电路相似，只是由于每个管子的工作电压不是原来的，而是，所以前面导出的公式 和 要加以修正，即把原来的 改变为 即可。,3.用复合管组成的放大电路复合管的连接原则是：各管的电流流向一致。图3.12是相同型号管子的复合。相同型号管子复合后的型号仍然是该型号，复合后管子的电流放大系数为：,不同型号管子复合后，复合管的型号与第一只管子相同。复合管的电流放大系数也近似等于两只管子电流放大系数的乘积。,项目4 红外线报警器制作学习目标通过本项目的制作训练，使学生了解和掌握集成运算放大器的基本知识和基本应用电路，掌握比例运算放大电路、加/减法运算放大电路、积分/微分运算电路、比较器电路的分析、制作和测试；了解反馈工作原理，能够对带有反馈的较复杂电路进行测试和电路调试。,工作任务制作热释电红外线报警器，以非接触形式探测人体辐射的红外能量变化，当人体在几米至十几米检测范围内走动时，电路能发出报警信号。撰写项目制作测试报告。参考电路原理图参考红外线报警器电路原理图如图4.1所示。,技能训练1 运算放大电路功能测试 测试电路图,（a）反相比例电路测试图,（b）波形图图4.2 反相比例/积分运算测试图,知识点1 集成运算放大器,1.运算放大电路的组成 由输入级、中间放大级和输出级组成，如图4.4所示。其中输入级一般是三极管或场效应管组成的差动放大电路，差动放大电路的两个输入端即是运算放大电路的同相输入端和反相输入端。中间级由单级或多级电压放大电路组成，主要是提高运算放大电路的开环增益。输出级一般由射极跟随器或互补射极跟随器构成，以提高输出功率。,一个简单的运算放大器内部电路原理图如图4.5所示。图中V1、V 2组成了带恒流源差动放大器，信号由双端输入，单端输出。电压放大级为由V3、V4复合管组成的单级共发射极电压放大电路。输出极由V5、V6组成的两级射极跟随器构成。其中1端、2端为输入端，3端为输出端。,2.理想运放的技术参数(1)开环电压放大倍数 集成运放在开环(无反馈)状态下，输出电压与差模输入信号之比。即 越高，构成的运放运算精度越高，工作也越稳定。,(2)输入失调电压输入电压为零时，输出电压一般不为零，为使输出电压为零，要在输入端加一个补偿电压，此电压即为输入失调电压，此值越小越好。,(3)输入失调电流当输入信号为零时，两个输入端静态输入电流之差为运放的输入失调电流。理想运放输入失调电流为零。,(4)输入偏置电流若输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，越小，也越小，因而零漂也就越小。,(5)最大共模输入电压运放对共模信号有抑制能力，但共模信号必须是在规定的范围内，如超出了这个范围，运放的抑制能力会显著下降。表示了集成运放所承受的共模干扰信号的能力。越大越好。,(6)最大输出电压在电源电压为额定值时，使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运放的最大输出电压。(7)共模抑制比运放对差模信号的放大倍数与它对共模信号放大倍数之比称为运放的共模抑制比。这个参数越大则运放的质量越好。,3.理想运放的“虚断”和“虚短”对于工作在线性区域的理想运放，通过它的理想参数可以推导出下面两条重要的分析法则：(1)虚短理想运放的两输入端之间的电压为零，即。相当于两输入端之间短路，即“虚短”的概念。(2)虚断理想运放的两输入端不吸取电流，即。相当于两输入端之间是开路的，即“虚断”的概念。,知识点2 比例运算放大电路1.反相比例运算放大电路及倒相器,图4.7 反相比例运算放大电路,由上式知该电路实现了输出与输入信号之间的反相比例运算，故称为反相比例运算放大电路。当 时，实现了输出对输入信号的倒相，大小并没有改变，构成了倒相器。,()由于反相比例运算电路接成“虚地”，即，它的共模输入电压为零，因此对运放的共模抑制比要求低，这是它的突出优点。(2)输入电阻低，所以要求输入信号源有较强的带负载能力。,2.同相比例运算放大电路及电压跟随器,图4.8同相比例运算放大电路,可见uo与ui同相位且成比例，其比例系数即闭环电压放大倍数式中若R1(断开)，Rf0，则可得 即输出电压等于输入电压，称为电压跟随器.,同相比例运算放大电路有如下特点：()输入电阻高，可达100M以上。()由于，即同相比例运算放大电路存在共模输入信号，大小为，对集成运算放大电路的共模抑制比要求比较高，这是它的缺点，限制了它的应用场合。,知识点3 加/减运算放大电路1.加法运算电路,图4.10同相加法运算电路,例4.1 运放电路的输出电压 与输入信号电压()的关系为，若取 100K，试画出运放电路，并求出相关电阻值。分析：欲求几个信号之和，且输出与输入同相，可以采用单级同相加法器实现，但调试麻烦，尽可能不用，而采用两级运放即由A1反相加法运放和A2倒相器构成，电路如图4.11所示，有,图4.11 用两级运放实现求和的电路,2.减法运算电路,图4.12 减法运算电路,分析：本题意图是通过反相比例运算放大电路和反相加法运算电路构成减法器，而尽可能不用减法运算电路，这样运算电路同相输入端接地，对运算放大电路共模抑制比要求不高。本电路是由两级集成运放组成，第一级为反相比例运算放大电路，因此根据式(4-1)得：,第二级为反相加法运算电路，根据式(43)得,知识点4 积分/微分运算电路1.积分运算电路,由式可知 与 之间构成了积分关系，实现了积分运算。式中 为积分电路的时间常数。,2.微分运算电路,技能训练2 迟滞电压比较器电路功能测试测量电路图,图4.17 迟滞电压比较器测试,知识点1 电压比较器1.过零电压比较器电压比较器是对工作在非线性状态下的理想运放的两个输入电压进行比较，根据比较结果，输出高电平或低电平的一种电路。图4.18(a)为最简单的电压比较器过零电压比较器电路，其传输特性如图4.18(b)所示。图4.18（c)为输入正弦波时的输出电压波形。被比较的电压称为电压比较器的阈值电压或门限电压。,(a)过零电压比较器电路,(b)图(a)所示电路传输特性,图4.18过零电压比较器,图4.19(a)、(b)为有输入、输出限幅保护的过零电压比较器，VD1、VD2用来防止输入信号过大损坏集成运放，输出端并联稳压管既限制了输出电压幅度，又加快了工作速度。图4.19(b)中的VD3(锗管)是为了使负向输出电压接近于零。,(a)输出电压为UDZ的过零电压比较器电路,(b)输出电压为0和UDZ的过零电压比较器电路,图4.19 有输入输出限幅保护的过零比较器,2.单门限电压比较器若在同相输入端接比较电压 0时，则构成了单门限电压比较器，如图4.20(a)所示，其工作原理类似于过零比较器，只是被比较电压等于 而不是零，不再赘述。其传输特性和输入输出波形如图4.20(b)、(c)所示。,(a)单门电压限比较器电路,(b)图(a)所示电路的传输特性,(c)图(a)所示电路的输入输出波形,图4.20 单门限电压比较器,知识点2 迟滞比较器1.反相迟滞比较器过零比较器和单门限比较器抗干扰能力差，在阈值附近，只要有很小的干扰信号都可能使电路误动作，为解决这个问题，将输出电压通过反馈电阻Rf引向同相输入端，形成正反馈，将参考电压UREF通过R2接于同相输入端，输入信号通过R1接于反相输入端，这样就构成了如图4.21(a)所示的反相迟滞比较器。图4.21(b)、(c)分别是它的传输特性曲线和输入输出波形。,(a)反相迟滞比较器,(b)传输特性,（c）波形图图4.21反相迟滞比较器,2.同相迟滞比较器同相迟滞比较器的电路与传输特性如图4.22(a)、(b)所示，同相迟滞比较器和反相迟滞比较器的区别在于同相迟滞比较器被比较的电压只有一个，即从反相输入的，,(a)同相迟滞比较器电路,(b)传输特性图4.22同相迟滞比较器,技能实训3 负反馈放大电路测试测试电路图,图4.23 电压串联负反馈电路测试,知识点 负反馈放大电路1.反馈放大电路组成及有关参数定义反馈放大电路由无反馈的基本放大电路和反馈电路网络组成，如图4.24所示。,图4.24反馈放大电路框图,反馈网络可以是电阻、电容、电感、变压器、二极管等单个元件及其组合，也可能是较为复杂的电路。放大电路可以是分立元件组成的放大电路，也可以是运放，带有反馈的放大电路称为闭环放大电路，而无反馈的放大电路称为开环放大电路。,2.反馈的分类(2)直流反馈和交流反馈(3)串联反馈和并联反馈(4)电流反馈和电压反馈,3.负反馈四种基本组态及判断在放大电路中负反馈主要分四种基本组态：即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈，下面通过具体电路进行分析。（1）电压串联负反馈,图4.32 电压串联负反馈放大电路,图4.32所示的电路是电压串联负反馈电路，其中基本放大电路是一个集成运放，由电阻 组成的分压器就是反馈网络。判别反馈极性采用瞬时极性法，即假设在同相输入端接入一电压信号，设其瞬时极性为正(对地)，因为输出端与同相输入端极性一致也为正，经 分压后N点电位仍为正，而在输入回路中有，则，由于 的存在使 减小了，因而所引入的反馈为负反馈；由于反馈信号在输入回路中与输入信号串联，故为串联反馈；从输出端看，R1、R2组成分压器，将输出电压的一部分取出作为反馈信号，所以为电压反馈。综合上面的三点可知，图4.32电路中引入的反馈为电压串联负反馈。,（2）电压并联负反馈图4.33是一个电压并联负反馈放大电路，反馈信号If与输入信号id相并联，所以为并联反馈；反馈电路(由Rf构成)与基本放大电路和负载RL相并联，若将输出端短路，反馈信号就消失了，这说明反馈信号与输出电压成正比，因而为电压反馈。设某一瞬间输入ui为正，则uo为负，If和id的方向如图4.33中所标，可见净输入电流idiiIf，由于If的存在，id变小了，故为负反馈。由上述分析知，电路所引反馈为电压并联负反馈。,（3）电流串联负反馈图4.34是一个电流串联负反馈放大电路,图4.34是一个电流串联负反馈放大电路，在图4.34中，反馈信号uf与输入信号ui和净输入信号ud串联在输入回路中，故为串联反馈；从输出端看，反馈电阻Rf和负载电阻RL相串联，若输出端被短路即uo0，而uf ioRf仍存在，故为电流反馈；设ui瞬时极性对地为正，输出电压uo对地也为正，io流向如图4.34中所标，uf极性已标出，在输入回路中有uiuduf，则uduiuf，uf的存在使ud减小了，则为负反馈。故电路所引反馈为电流串联负反馈，引入电流负反馈可以稳定输出电流。,（4）电流并联负反馈图4.35是一个电流并联负反馈放大电路,在图4.35中，反馈信号与净输入信号相并联，故为并联反馈；若将RL短路，则uo0，而反馈信号If仍存在，故为电流反馈；设ui瞬时极性为正，输出电压u0为负，则If及ii方向如图4.35中所标，idiiIf，故为负反馈。由此分析可知，电路所引反馈为电流并联负反馈。,