放大器基础ppt课件

1、直流状态工作时，可提供恒定的输出电流直流状态工作时，可提供恒定的输出电流IO 。 交流工作时，具有很高输出电阻交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。，可作有源负载使用。 + - -VQ+vRiB恒定恒定iC外电路外电路（电流源电路）（电流源电路）+ - -VQR电流源电流源IO（直流状态）（直流状态）+ - -R电流源电流源ROv（交流状态）（交流状态） 电流源电路特点：电流源电路特点： 对电流源电路要求：对电流源电路要求：直流状态工作时，要求直流状态工作时，要求I IO O精度高、热稳定性好。精度高、热稳定性好。交流状态工作时，要求交流状态工作时，要求RO大（理想情况大（理想情

2、况 RO）。）。利用利用iB恒定时，恒定时，iC接近恒流特性而构成。接近恒流特性而构成。 电流源电路原理：电流源电路原理： 假设假设T1、T2两管严格配对两管严格配对T1VCCiC1RT2IRiC2=IOvBE1 = vBE2 由于由于根据根据TBEeSCVvIiC2C1ii得知得知因此，称因此，称iC2是是iC1的镜像。的镜像。 参考电流参考电流RVVIBE(on)CCR由于由于)21 (2C1B1C1RiiiI)21 (C2 i/21RC2oIiI因此因此RI（ 2） 当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、VBE(on)的影响，的影响，IO热稳定性降低。热稳定性降低。 IO精度及热稳定性

3、精度及热稳定性/21RoII由由得知：得知：当当 较小时，较小时，IO与与IR之间不满足严格的镜像关系，之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。精度降低。 输出电阻输出电阻RO由由RVVIBE(on)CCR得知：得知：当考虑基宽调制效应时，当考虑基宽调制效应时，根据根据)/1 (eACESCTBEVvIiVv)(BE(on)ACEQ2AC1C2VVVVii得得则则/21RoII)(BE(on)ACEQ2AVVVV VA除了降低除了降低IO精度外，还造成精度外，还造成RO较小，较小，IO恒流特性变差。恒流特性变差。RO= rce2T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 结构特点结构特点T1管管

4、c c、b b之间插入一射随器之间插入一射随器T3。 电路优点电路优点减小分流减小分流 i ，提高，提高IO作为作为IR镜像的精度。镜像的精度。由图由图12B1C1C1RiiiiI)1(21O IR22O2II整理得整理得式中式中RVVIBE(on)CCR2RO= rce2输出电阻输出电阻T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2 结构特点结构特点两两管管射极串接不同阻值的电阻射极串接不同阻值的电阻。 电路优点电路优点RO增大，增大，IO恒流特性得到改善。恒流特性得到改善。)/1 (1e2b222ce2ORRrRRrR由由（较大）2E2BE21E1BE1RivRiv)/ln(C2C1TBE2

5、BE1iiVvvRC1E1IiiOC2E2Iii（较大）得得)/ln()/(/OR2T21ROIIRVRRII当当)/ln(ORT1RIIVRI时时得得21RO/RRII式中式中1BE(on)CCRRRVVIT1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电流源中的令比例镜像电流源中的R1=0 。由由)/ln()/(/OR2T21ROIIRVRRII式中式中RVVIBE(on)CCR 根据集成工艺的要求，电阻根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前不易做太大，故前述电流源的述电流源的IO只能做到只能做到mA量级。量级。 )/ln()/(OR2TOIIRVI得得)1 (e2b222ce2OrRRr

6、R输出电阻输出电阻电路优点：电路优点：可提供可提供 A量级的电流，且量级的电流，且RO大，精度高。大，精度高。 MOS镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻只是原参考支路中的电阻R被有源电阻被有源电阻T3取代。取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若若T1 T2性能匹配，工作在饱和区性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为宽长比分别为(W/l )1 、( W/l )2根据根据2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCiOD2D1RIiiIDS1DS3SSDDvvVVGS1DS1vvGS3DS3vv，得得R12O)/()/(IlWlW

7、I2GS(th)GS1SSDDGS(th)GS113)()/()/(VvVVVvlWlW2GS(th)GS11OXnR)()(2VvlWCI其中其中T1、T2构成的镜像电流源代替构成的镜像电流源代替RC4 。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 电路组成：电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。构成双端输入单端输出差放。 电路特点：电路特点： 由镜像电流源知由镜像电流源知C3C2ii当差模输入时当差模输入时C3C4ii则差模输出电流则差模输出电流C3C4C2O2iiii当共模输入时当共模输入时C3C4ii则共模输出电流则共模输出电流0C4C2OiiiT1V

8、CCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 性能分析：性能分析： 结论：结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。双端输出的增益。2/EECQ4CQ3CQ2CQ1IIIII由于由于则则TCQm4m3m2m1/VIgggg)/(ce4ce2m4Lm4drrgRgAv差模增益差模增益差模输入电阻差模输入电阻ebe4be3bid2)(2rrrR差模输出电阻差模输出电阻ce4ce2O/ rrR集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。 集

9、成运放性能特点集成运放性能特点Av很大：（很大：（104 107 或或 80 140dB）Ri 很大：（几很大：（几k 105 M 或或 ）Ro很小：（几十很小：（几十 ）静态输入、输出电位均为零。静态输入、输出电位均为零。 集成运放电路符号集成运放电路符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端v- -v+ +vo o+- - 集成运放电路组成集成运放电路组成 由于实际电路较复杂由于实际电路较复杂 ，因此读图时，因此读图时，应根据电路组成，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。把整个电路划分成若干基本单元进行分析。输入级输入级中间增益级中间增益级输出级输出级偏置电

10、路偏置电路采用改进型采用改进型差分放大器差分放大器采用采用12级共发电路级共发电路 采用射随器或采用射随器或互补对称放大器互补对称放大器采用电流源采用电流源输入级组成：输入级组成：由由T1、T3和和T2、T4组成的共集组成的共集共共基组合电路构成双入单出差放。基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7组成的改进型镜像电流组成的改进型镜像电流源作源作T4管的有源负载。管的有源负载。T8、T9组成的镜像电流源代替差放组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻的公共射极电阻REE。输入级特点：输入级特点：改进型差放具有共模抑制比高、输改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是入电阻大

11、、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。集成运放中最关键的一部分电路。中间级组成：中间级组成： T17构成共发放大器。构成共发放大器。 T13B、T12组成的镜像组成的镜像电流源作有源负载，代电流源作有源负载，代替集电极电阻替集电极电阻RC。电路特点：电路特点： 中间级是提供增益的主中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，体，采用有源负载后，电压增益很高。电压增益很高。隔离级隔离级 ： T16管构成的射随器作管构成的射随器作为隔离级为隔离级 ，利用其高输，利用其高输入阻抗的特点，提高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。入级放大倍数。输出级组成：输出级组成：T14与与T20组成甲乙类

12、互组成甲乙类互补对称放大器。该放大补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合器采用两个射随器组合而成。而成。电路特点：电路特点：输出电压大，输出电阻输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。小，带负载能力强。过过载保护电路载保护电路 ：T15、R6保护保护T14管，管，T21、T22、T24、R7保护保护T20管。管。正常情况保护电路不工正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护作，只有过载时，保护电路才启动。电路才启动。隔离级隔离级 ：T23A管构成的有源负载射随器管构成的有源负载射随器作为作为隔离级隔离级，可提高中间级电，可提高中间级电压增益。压增益。T13A与与T12组成的镜像电流源作组成的镜像

13、电流源作有源负载，代替有源负载，代替T23A的发射极的发射极电阻电阻RE。偏置电路偏置电路：偏置电路一般包含在各级电路偏置电路一般包含在各级电路中，采用多路偏置的形式。中，采用多路偏置的形式。T10、T11构成微电流源，作为构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。整个集成运放的主偏置。电平位移电路电平位移电路 ：输入级共集输入级共集共基组合电路中共基组合电路中，采用极性相反的，采用极性相反的NPN与与PNP管进行电平位移。不专门另设管进行电平位移。不专门另设电平位移电路。电平位移电路。 将上述单元电路功能综合起来可见，将上述单元电路功能综合起来可见，F007是是实现高增益放大功能的一种集成器件

14、。实现高增益放大功能的一种集成器件。 它具有高它具有高Ri、低、低Ro、高、高Av、高、高KCMR 、低失调、低失调、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。压放大器件。作用：作用：高效地实现能量变换和控制。高效地实现能量变换和控制。 种类：种类： 根据应用领域和处理对象不同根据应用领域和处理对象不同 (1) 功率放大电路：功率放大电路： 放大器的一类。用于通信、音放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。像等电子设备。 (2) 电源变换电路：电源变换电路： 对电源能量进行特定变换。用对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。于电

15、源设备、电子系统、工业控制。1 功率放大器概述功率放大器概述 1.1 功率放大器功率放大器与其它放大器相比与其它放大器相比 相同点：相同点： 均在输入信号作用下，将直流电源的直流均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。功率转换为输出信号功率。 不同点：不同点： 性能要求和运用特性不同。性能要求和运用特性不同。 一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求1. 安全。安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率。高效率。 用用c 集电极效率集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效衡量转换效率

16、：率： CooDocPPPPP Po 输出信号功率输出信号功率 (Output Signal Power)；式中：式中：PD 电源提供的功率；电源提供的功率； PC 管耗管耗 (Power Dissipation)Po 一定一定，c 高高PD 小小PC 小小 可选可选 PCM 小小的的管子，以降低费用。管子，以降低费用。 3. 失真小。失真小。 输出功率越大，相应的动态电压电流越输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。反馈技术外，还必须限制输出功率。 作为作为放大器放大器，

17、功率增益功率增益是重要的性能指标，但与上是重要的性能指标，但与上述述三个要求三个要求相比，相比，安全、高效和小失真安全、高效和小失真是是第一位第一位的。的。功功率增益率增益可用可用增加前置级的级数增加前置级的级数或或提高相应的增益提高相应的增益来来弥补弥补。 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1. 功率管的运用状态功率管的运用状态 根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态功率管运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等等多种。多种。功率管运用状态功率管运用状态通常靠通常靠选择静态工作点选择静态工作点来实

18、现。来实现。 甲类：甲类：功率管在一个周期内导通功率管在一个周期内导通 (如小信号放大如小信号放大)。 乙类：乙类：功率管仅在半个周期内导通。功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。管子在大于半个周期小于一个周期内导通。丙类：丙类：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。 2. 不同运用状态下的不同运用状态下的C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的Cmax 也不同。也不同。 CoocPPP 减小减小 PC 可提高可提高C。 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为

19、2oCECCd21tviP 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 途径途径 1：由由甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类，减小管子，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。的时间。 途径途径 2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状态 ( (又称丁类又称丁类) )；管子管子在在半个周期内饱和导通半个周期内饱和导通，另半个周期内截止另半个周期内截止。饱和导通饱和导通时，时，vCE vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗耗 iC vCE 处在很小的值上。处在很小的值上。

20、截止时，截止时，不论不论 vCE 为何值，为何值，iC 趋于趋于 0，iC vCE 也处在零值附近。结果也处在零值附近。结果 PC 很小，很小，C 显著增大。显著增大。 总结：总结：为提高集电极效率，为提高集电极效率，管子的运用状态管子的运用状态从从甲甲类向乙类、丙类类向乙类、丙类或或开关工作的丁类转变开关工作的丁类转变。但随着效率。但随着效率的提高，的提高，集电极电流波形失真严重集电极电流波形失真严重，为实现不失真放，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。大，在电路中需采取特定措施。1.2 电源变换电路电源变换电路1.3 功率器件功率器件 功率管功率管是是功率放大电路的关键器件，功率放大

21、电路的关键器件，如何选择功率如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。工作区。 双极型功率晶体管的安全工作双极型功率晶体管的安全工作受到受到三个极限参数三个极限参数的限制：的限制： (1) 集电极最大允许管耗集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切。还与散热条件密切相关相关 (2) 集电极击穿电压集电极击穿电压 V(BR)CEO(3) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 以上与以上与功率管的结构，工艺参数，封装形

22、式功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。有关。一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上，主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。造成集电结发热，结温升高。若集电极的散热条件良好，若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。热量。反之，散热条件不好，反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温

23、度集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。 集电结结温集电结结温 (Tj) 升高升高 集电极电流集电极电流 (iC) 增大增大 PC 增大增大 Tj 随之升高随之升高 iC 增大增大 PC 增大增大 Tj 升高升高，如此反复，直至，如此反复，直至 Tj 超超过集电结最高允许温度过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的，导致管子被烧坏的一种恶一种恶性循环现象。性循环现象。热崩热崩 (Thermal runaway)： 金属底座又金属底座又与管壳相连的与管壳相连的结构。此外，结构。此外，金属底座还加金属底座还加装金属散热器装金属散热器( (如图如图) )(a) (b) 功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路相应的热等效电路 实践中，为了利于集电