1、1第第3章章 常用放大器常用放大器学习目标学习目标 知识目标知识目标：v掌握集成运放主要参数与应用特性。v了解负反馈四种组态及判断方法。v掌握低频功率放大器的基本结构及应用特性。v了解谐振放大器的工作原理及基本结构。v 技能目标技能目标：v会用万用表测试集成运放性能好坏。v会组装与调试OTL功率放大器。v会组装与检测霜冻监测控制器。v会查阅集成电路手册，能按要求选用集成放大器。23.1 集成运算放大器集成运算放大器 话题引入话题引入 1961年，美国德克萨斯仪器公司率先将电子电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路（Integrated CircVit，简称IC）。由于集成电路体积小
2、、重量轻、可靠性好等优点，因而在大多数领域里迅速取代了分立元器件电路。在工程技术中，集成运算放大器已有了符合工业标准的产品系列，在产品维护及设计选材时，只要根据具体的需要进行选取即可。集成运算放大器的主要应用领域如图3-1所示。a）家庭影院 b）计算机 c）信号发生器图3-1 集成运放放大器应用 本教材选取在模拟电子电路领域应用广泛的集成运放放大器进行阐述。初学者学习该课程时，一般将集成运算放大器应用特性作为首要研究对象。对于集成放大器内部电路可视为“黑闸子”，不予研究。33.1.1 集成运放的理想化及基本电路集成运放的理想化及基本电路v a）金属圆壳式 b）塑料双列直插式 c）陶瓷扁平式v
3、1.基本结构与图形符号 注:“”表示放大器，三角所指方向为信号传输方向，AUO表示该放大器的开环电压放大倍数。输入端“”（或P）表示同相输入端，“”（或N）表示反相输入端。4v 2.理想集成运放模型v（1）理想化集成运放条件 v 1）开环差模电压放大倍数AUOd=；v 2）输入电阻ri=；v 3）输出电阻ro=0；v 4）共模抑制比KCMR=。v（2）重要推论v 1）虚短：理想集成运放的两输入端电位差趋于零，即u+-u-0（可认为u+=u-）。v 2）虚断：理想集成运放的输入电流趋于零，即ii0（可认为ii=0）5知识链接知识链接 集成运放常用术语介绍集成运放常用术语介绍v 1差模信号Uid：
4、大小相等而极性相反的两个输入信号称为差模信号。这种输入方式称为差模输入。v 2共模信号Uic：大小相等且极性相同的两个输入信号称为共模信号。这种输入方式称为共模输入。v 3零点漂移：由于集成运放采用直接耦合方式，当输入端直接对地短路而且处于静态时，输出端有电压不规则变化的现象，即输入为零时，输出不为零的现象，简称零漂。温度的变化和电源电压的波动是产生零漂的主要原因。v 解决零漂的方法：采用直流稳压电源；选用稳定性能好的硅晶体管作放大管；采用单级或级间负反馈稳定工作点；采用差动放大电路抑制零漂。63.1.2 集成运放的主要参数集成运放的主要参数v【开环差模电压增益GUO】指集成运放在无反馈情况下
5、的差模电压放大倍数，它是影响运算精度的重要指标。GUO有两种表示方法，一种直接表示为10n倍，另一种用对数表示，即20lgAUO，单位是分贝（dB）。目前，高增益的集成运放可达140dB左右，理想情况下可认为GUO为无穷大。v【输入失调电压UIO】由于集成运放高阻抗输入级电路不对称，欲使输入为零时输出电压为零，必须要在输入端另加补偿电压，这个电压的数值便为输入失调电压。一般UIO值在110mV，其值越小越好。v【输入失调电流IIO】由于工艺上的误差，输入信号为零时，集成运放两输入端的静态电流不相等，其差值称为输入失调电流。它的大小也衡量了输入级的对称性，IIO一般在100nA以下，高质量的集成
6、运放应在1nA以下。v【共模抑制比KCMR】电路开环状态下，差模放大倍数AuD与共模放大倍数AuC之比，即KCMR=AuD/AuC。它是衡量集成运放输入级各参数对称程度的标志，也反映集成运放对共模信号的抑制能力。一般集成运放的KCMR在80dB以上，高质量的可达160dB。v【输出峰-峰电压UOPP】又称输出电压动态范围，指集成运放处于空载时，在一定电源电压下输出的最大不失真电压的峰-峰值。73.1.3 反馈的基本概念及判断方法反馈的基本概念及判断方法v 1.反馈的基本概念v 将系统或电路中输出信号（电压或电流），通过一定的网络，送回到输入端，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放
7、大器的某些性能获得有效改善的过程。v 2.反馈的类型与判断方法 v（1）正反馈和负反馈 v 1）定义：反馈信号与输入信号极性相同，使净输入信号增强，叫做正反馈；反馈信号与输入信号极性相反，使净输入信号削弱，叫做负反馈。v 2）判别方法：瞬时极性法。v 3）判断过程：8v 结论：v a）b）v 图3-6 反馈信号与输入信号作用的四种情况v a）正反馈 b）负反馈9v（2）直流反馈和交流反馈 v 对直流量起反馈作用的叫直流反馈，对交流量起反馈作用的叫交流反馈。直流反馈的主要作用是稳定放大器静态工作点；交流反馈的作用是改善器件性能。下面讨论的均为交流反馈。v（3）电压反馈和电流反馈v 1）将输出电压
8、按一定比例反馈到输入端的反馈称为电压反馈；将输出电流按一定比例反馈到输入端的反馈称为电流反馈。v 2）判断方法：v VCCVCC电压反馈(至输入端)电流反馈(至输入端)电压反馈(至输入端)电流反馈(至输入端)10v（4）串联反馈和并联反馈v 1）反馈信号在输入端是以电压形式出现，且与输入信号串联作用于输入端，称为串联反馈；反馈信号是以电流形式出现，且与输入信号并联加到作用于输入端，称为并联反馈。v 2）判断方法v VCC并联反馈串联反馈来自输出端来自输出端11知识链接知识链接 为什么要引入负反馈为什么要引入负反馈v 电路引入负反馈后削弱了输入信号，降低了放大倍数，但它却以此为代价换取了以下性能
9、指标的改善：v 1）提高了放大倍数的稳定性；v 2）减小了非线性失真；v 3）展宽了通频带；v 4）减小了内部噪声干扰；v 5）改变了放大器的输入、输出电阻。v 需要指出：以上仅着重分析了交流负反馈及其交流参数的影响，实际上还有直流负反馈。直流负反馈主要用于稳定放大电路的静态工作点。另外，当反馈深度足够时，改变反馈元件参数就可改变放大电路的增益。12课堂实验课堂实验 负反馈对放大器主要性能指标的影响负反馈对放大器主要性能指标的影响v【实验目的】v（1）了解负反馈对放大器主要性能指标的影响；v（2）熟悉负反馈放大器性能指标的测试方法。v【实验内容】v（1）测试开环电压放大倍数、输入电阻和输出电阻
10、。v 按图所示电压串联负反馈放大器实验电路连接电路，断开开关K，测试表3-1所示参数，并利用示波器观察输出波形，记入表3-1。13v（2）测试闭环电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。v 闭合开关K，重复上述测试步骤，并将测试结果记入表3-1。v 表表3-1 实验数据表实验数据表v【实验结论】引入负反馈使放大倍数降低，非线性失真减小，但提高了放大倍数的稳定性。串联反馈使输入电阻增大，并联反馈使输入电阻减小；电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。v 想一想想一想v 1通过实验结论，你能设计方案，测试电流并联负反馈对放大器主要性能指标的影响吗？v 2若本实验原理图反馈电阻Rf阻值选择不当
11、（过小），会有什么现象？143.1.4 负反馈的四种组态及其判别负反馈的四种组态及其判别v【电压串联负反馈】v 特点：稳定输出电压，减小输出电阻，增大输入电阻 15v【电流串联负反馈】v 特点：稳定输出电流，增大输出电阻、输入电阻 16v【电压并联负反馈】v 特点：稳定输出电压，减小输入电阻和出电阻17v【电流并联负反馈】v 特点：稳定输出电流，减小输入电阻，增大输出电阻 v 归纳：反馈对象看输出（端），反馈方式看输入（端），反馈性质看极性 183.1.5 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用v【集成运放的分类】v（1）通用型集成运放v（2）高阻型集成运放v（5）高压大功率型集成运放v（4
12、）低功耗型集成运放v（3）低温漂移型集成运放v【集成运放芯片介绍】v 19v【集成运放基本应用】v（1）反相比例运算放大器v 电压放大倍数Avf 10RRuuAfiuf20v（2）同相比例运算放大器v 电压放大倍数Avf 11RRuuAfiOuf21v（3）反相加法运算放大器v 电压放大倍数Avf )(211iifOuuRRu 223.2低频功率放大器低频功率放大器话题引入话题引入 在工程技术中，经常要求放大电路的输出级能驱动一定的负载。例如，使扬声器的音圈振动发出声音，使电动机旋转，使继电器或记录仪表动作等。这都要求放大器不但输出一定的电压而且能输出一定的电流，即要求放大器能输出一定的功率。
13、向负载提供低频功率的放大器称为低频功率放大器，简称“功放”。已在各领域得到广泛应用，如音频功放、射频控制、微波控制、激光控制、工业控制等，本教材主要讲述音频功率放大器。常用音频功放外形如图3-19所示。a）AV功放 b）电脑音箱 c）汽车音响图3-19 常用音频功放外形233.2.1 功率放大器的特点及主要研究对象功率放大器的特点及主要研究对象v 特点及主要研究对象：v 1输出功率尽可能大v 2效率尽可能高v 3非线性失真要小v 4功放管的散热问题v 归纳：在效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，向负载提供足够大的功率。243.2.2 功率放大器的分类功率放大器的分类v 1按电路工作状态分v
14、（1）甲类：效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用于家庭高档音响系统领域。v（2）乙类：效率较高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真（两只晶体管分别导通时发生的失真）。v（3）甲乙类：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点，被广泛应用于家庭、专业汽车音响系统中。v 2按所用有源器件分类v 晶体管功率放大器、场效应管功率放大器、集成电路功率放大器和电子管功率放大器（俗称“胆机”）四类。25v 3按功能分v（1）前级功率放大器：主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级功率放大器。v（2）后级功率放大器：对前级功率放大器送出的信号进行不失真放大，以强劲的
15、功率驱动扬声器系统。除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。前级功率放大器和后级功率放大器一般只在高档机或专业领域采用。v（3）合并式放大器：将前级功率放大器和后级功率放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能。人们日常所说的功放均为合并式，故其应用范围较广。263.2.3 OCL电路电路v OCL是英文Output Capacitance Less的缩写，意思是无输出电容互补对称功放电路。v【基本电路】v a）b）v 图3-20 乙类互补对称OCL基本电路及工作波形v a）基本电路 b）工作波形27v【工作原理】v（1）静态工作情况分析（ui=0）v 当无
16、输入信号时，由于电路无偏置电压，故两管的基极电流均为0，即功放管工作于截止状态。电路无功率放大功能。v（2）动态工作情况分析（ui0）v 当有输入信号时，在ui的正半周时，VT1的发射结正偏而导通，VT2发射结反偏而截止，此时被放大的电流信号将由VCC经VT1由上而下流过负载电阻RL。在ui的负半周则正好相反，VT1截止，VT2导通，被放大的电流信号由VCC经VT2由下而上流过负载。两只功放管轮流导通、交替工作，这样负载上就得到放大后一个周期的信号波形，如图3-20b所示。v 功放管选择标准：PCM0.2Pom，U(BR)CEO2VCC，ICMVCC/RL。28v【存在问题及改进】v（1）存在
17、问题：交越失真 v（2）改进措施：设置偏置电路，使功放管静态时处于微导通状态。v 293.2.4 OTL电路电路v OTL是英文Output Transformer Less的缩写，意思是无输出变压器互补对称功放电路。v【基本电路】v 电路特点：v（1）电容器C双重作用，耦合和为VT2提供电源；v（2）中点电压为1/2VCC,为调试、故障检测关键点；30v【工作原理】OTL基本电路的工作方式与OCL基本电路相同，仍然是在输入信号的一个周期内VT1与VT2交替工作、轮流导通，使负载上得到一个完整的输出信号。v OTL电路功放管的选择标准：PCM0.2Pom，U(BR)CEOVCC，ICMVCC/
18、2RL。v 存在问题：大功率异型管配对困难。v 解决措施：采用复合管的方法解决，即用两只或两只以上的晶体管适当地连接起来，等效成一只晶体管使用。313.2.5 集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用v【集成功率放大器LM386及其应用】v a）b）v 图3-25 LM386外形、引脚排列及引脚功能v a）外形 b）引脚排列及引脚功能v LM386D的电源电压为412V，电源电压为12V时，额定音频输出功率0.5W，输出阻抗8，典型输入阻抗50K，静态电流4mA。32v 内部电路：33v 典型应用：v（1）各元器件作用v C1、C4为耦合电容，C2、C6为旁路电容，RP为音量电位器，R1和
19、C5构成相位补偿电路，BL为扬声器。v（2）工作原理v 电路通电后，音频信号经C1耦合加至LM386输入端第3脚，经功率放大后由其输出端第5脚输出，经C4耦合后加至扬声器BL两端，驱动BL发生悦耳的声音。此外，调节音量电位器RP，可改变扬声器音量。34v【集成功率放大器LA4100及其应用】va）b）v 图3-27 LA4100外形、引脚排列及引脚功能va）外形 b）引脚排列及引脚功能v LA4100是日本三洋公司生产的具有DIP14和SMD14两种封装的集成音频功率放大器，由差动输入级、中间放大级、OTL输出级组成。主要应用于低电压消费类产品，如电视机、录音机的等于。具有性能稳定、音质好、外
20、接元件少等特点。35v 内部电路：36v 典型应用：v（1）各元器件作用：v C1、C5、C8、C9为耦合电容，C6为自举电容，C1为消振电容，C2和R组成负反馈电路，C4为高频旁路电容。v（2）工作原理：v 电路通电后，音频输入信号经C1耦合后加至LA4100输入端第9脚，经芯片内部输入级、中间级和OTL输出级三级放大后，由输出端第1脚输出，经C5耦合后加至扬声器BL两端，驱动BL发声声音。37知识链知识链 功放线路布局要遵循功放线路布局要遵循3个原则个原则v.一点接地。集成电路地、输入地、输出地都要单独接到滤波电容地的“一点”上，不要任意搭接，以免引入噪声。v.大小信号分离。即输入信号应远
21、离输出信号及电源，具体设计印刷电路板时，有两种方法，一种是信号单一流向法，即信号自印板一端输入，另一端输出；另一种是地线隔离法，即大小信号间用地线隔离。v.传输屏蔽。传输小信号的线一定要用屏蔽线，并将屏蔽层单端接地。其他方面，如元件对称布局，加大地线面积，增加大电流铜箔宽度(甚至上锡等)也对减小噪声有利。38知识拓展知识拓展 集成电路封装技术简介集成电路封装技术简介 v 1.集成电路封装概述v 将封装材料和半导体芯片结合在一起，形成一个以半导体为基础的电子功能块器件。“芯片保护者”v 2.集成电路封装作用v(1)物理保护。(2)电气连接。(3)标准规格化。v 3.集成电路常用封装技术及引脚识别
22、方法v（1）SIP单列直插式封装39v SIP封装特点：v 适合在PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便；v SIP封装常用于大功率集成电路领域，故实际应用时常要求加装散热片等散热装置，以增强其散热冷却功能。v（2）DIP双列直插式封装v DIP封装特点：v 适合在PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便；v 封装面积与芯片面积之间的比值较大，故体积也较大。40v（3）SOP双侧引脚扁平封装v 引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L 字形)。v SOP封装具有以下特点：v 适用于SMT表面安装技术在PCB电路板上安装布线；v 操作方便，可靠性高；v 芯片面积与封装面积之间的比值较小。41v（4）Q
23、FP塑料方型扁平式封装v QFP封装具有以下特点：v 适用于SMT表面安装技术在PCB电路板上安装布线；v 适合高频使用；v 操作方便，可靠性高；v 芯片面积与封装面积之间的比值较小。42v（5）PGA插针网格阵列封装 v 方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。v PGA封装具有以下特点：v 插拔操作更方便，可靠性高；v 可适应更高的频率。43v（6）BGA球栅阵列封装v BGA封装具有以下特点：v I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率；v 虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能；信号传输延迟小，适应
24、频率大大提高；v 组装可用共面焊接，可靠性大大提高。44v（6）PLCC特殊引脚芯片封装v 外形呈正方形,引脚从封装的四个侧面引出,呈丁字形,是塑料制品,外形尺寸比DIP封装小得多。v v PLCC封装具有以下特点：v PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线；v 芯片的焊接采用回流焊工艺，需要专用的焊接设备；v 外形尺寸小、可靠性高；45v 4.集成电路技术参数的获得途径v（1）查阅集成电路数据手册v（2）查阅互联网v 1）通过电子技术和集成电路网站查找 v http:/v http:/v http:/v http:/v http:/v http:/v 2）在集成电路生产厂家的网站上查找 46v 3）使用通用引擎搜索（如百度：http:/）v 注意：注意：互联网上提供的集成电路数据手册一般为“*.PDF”文件，阅读此类文件需安装Adobe Acrobat Reader阅读软件，此软件也可在互联网上下载安装。47设计制作：李响初设计制作：李响初工作单位：湖南有色金属职业技术学院工作单位：湖南有色金属职业技术学院E-mail:E-mail:HNYSJXJWKHNYSJXJWK愿与您共同交流提高！愿与您共同交流提高！
