电子技术基础与技能第3单元常用放大器课件

电子技术基础

与技能人民邮电出版社​第3单元常用放大器知识目标：了解集成运放的电路结构及抑制零点漂移的方法，理解差模与共模、共模抑制比的概念，能识读集成运放的符号、集成运放的引脚及功能。了解集成运放的主要参数、理想化集成运放的特性，能识读集成运放构成的常用电路，会估算其输出电压值。了解集成运放的使用常识，理解反馈的概念，了解负反馈应用于放大器中的类型。了解低频功率放大电路的基本要求和分类，能识读OTL、OCL功率放大器的电路图。了解功放器件的安全使用知识，能识读典型功放集成电路的引脚及功能。了解场效晶体管的结构、符号、电压放大作用和主要参数，了解场效晶体管放大器的特点及应用。能识读典型谐振放大器的电路图，理解其工作原理。了解典型谐振放大器主要性能指标及其在工程应用中的意义。技能目标：能根据要求，正确选用集成运放、集成功率放大器、场效晶体管等元件。会安装和使用集成运放组成的应用电路。能按工艺要求装接典型功放电路，会安装与调试音频功放电路，判断并检修简单故障。会组装、测试、调整中频放大电路会熟练使用示波器，会使用低频信号发生器，可用扫频仪测量幅频特性。集成运算放大器1低频功率放大器2

场效晶体管放大器3

技能实训5

谐振放大器4第1节集成运算放大器一、集成运算放大器简介二、集成运放的应用一、集成运算放大器简介1．集成运放的电路结构集成运放内部电路结构框图如图3.3所示。差分输入级中间放大级输出级恒流源偏置电路集成运放与外部电路连接的引脚有：2个输入端、输出端、电源供电端及其他辅助端，电路符号如图3.4所示。反相输入端同相输入端差分输入端2．常用的集成运放图3.5（a）所示演示电路中所用的LM358内包含了两个相同的集成运放，其引脚排列如图3.5（b）所示。两个集成运放统一供电，采用双电源供电时，电源电压典型值为±16V；采用单电源供电时，电源电压典型值为32V，此时，4脚为接地端。在实际应用中，集成运放的类型有：单个运算放大器μA741、LF356，4个运算放大器LM148等。图3.6（b）所示为μA741的引脚排列，图中：1脚与5脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为负电源端，6脚为输出端，7脚为正电源端，8脚为空脚。3．集成运放的主要参数（1）开环差模电压放大倍数。开环差模电压放大倍数，用Aod表示，是指集成运放在没有外加反馈情况下的差模电压放大倍数，一般用对数表示，单位为分贝（dB）。Aod是决定集成运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。在实际情况下，集成运放的Aod一般为100dB左右，性能好的集成运放的Aod可达140dB以上。（2）输入失调电压及温漂。输入电压为零时，输出电压不为零的现象称为零点漂移现象，简称为“零漂”。为了使输出电压为零，在输入端需要加补偿电压。使输出电压为零的输入端补偿电压称为输入失调电压，用Uio表示。一般集成运放的Uio值为1～10mV，高质量的在1mV以下。（3）共模抑制比。共模抑制比，用KCMR表示，是指开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比。多数集成运放的KCMR在80dB以上，高质量的可达160dB。（4）带宽。衡量集成运放带宽的参数有两个：一是−3dB带宽（用BW表示），指开环差模电压放大倍数下降3dB时的信号频率fH，也称为截止频率；二是单位增益带宽（用BWG表示），指开环差模电压放大倍数降至0dB时的信号频率fC，此时，开环差模放大倍数等于1。4．理想化集成运放的特性（1）虚短。虚短是指集成运放的反相端电压近似等于同相端电压，即U-≈U+（2）虚断。虚断是指集成运放的反相端电流等于同相端电流，近似等于0，即I-＝I+≈0（3）集成运放的电压传输特性。压值描绘在直角坐标系中，如图3.7中虚线所示。这两条曲线描述了集成运放的电压传输特性，其中，实线所示为反相端电压与同相端电压的差，即Uid=U-－U+；虚线所示为同相端电压与反相端电压的差，即Uid=U+－U-。提示：在实际应用中，工作在非线性状态的集成运放通常作为一个电子开关，输出+Uom时称为“高电平”输出，输出-Uom时称为“低电平”输出。Uom值的大小由集成运放自身决定。二、集成运放的应用1．比例运算电路看一看：按图3.8所示连接电路，接通电源；在输入端加入电压Ui，测量输出电压Uo的值；改变Ui的值，观察Uo值的变化；记录下观察到的结果。

实验现象Uo值随Ui值的变化如表3.3所示。比较Uo与Ui，可以发现：输出电压与输入电压相位相反，幅度按比例增大了。输出电压是如何增大的呢？知识探究（1）反相输入比例运算电路。图3.8所示的演示电路是一个反相输入比例运算电路，电路图如图3.9所示。（2）同相输入比例运算电路。输入信号加在集成运放同相输入端的电路称为同相输入比例运算电路，如图3.10所示。（3）差分比例运算电路。图3.2所示的演示电路是一个差分比例运算电路，电路图如图3.12所示。2．集成运放应用电路中的反馈（1）反馈是指通过适当的方式，将放大器输出回路中某一电量（电压或电流）的一部分或全部回馈送到放大电路的输入回路中，如图3.14所示。如果引入的反馈信号Xf增强了外加输入信号Xi的作用，使净输入信号X/i得到了加强，这样的反馈称为正反馈；相反，如果引入的反馈信号Xf削弱了外加输入信号Xi的作用，使净输入信号X/i减弱了，这样的反馈称为负反馈。（2）集成运放应用电路中的反馈。集成运放应用电路中的负反馈主要有两种形式：一是电压并联负反馈，如反相输入比例运算电路，其特点是从输出端引回到输入端的反馈信号与原输入信号在同一点；二是电压串联负反馈，如同相输入比例运算电路，其特点是从输出端引回到输入端的反馈信号与原输入信号不在同一点。3．滞回电压比较电路滞回电压比较电路如图3.15所示，又称施密特触发器、滞回比较器。4．测量放大电路图3.17所示为集成运放组成的测量放大电路，用于将传感器输出的微弱信号进行放大，是数据采集、精密测量、工业自动控制等系统中的重要组成部分。第2节低频功率放大器一、低频功率放大电路的构成二、集成功率放大器一、低频功率放大电路的构成1．OTL电路提示：OTL电路本质上是共集电极放大电路，虽然输出电压uo未被放大，但由于电流被放大了（1+β）倍，因此仍具有功率放大作用。2．OCL电路OCL电路如图3.21所示。图中：VT2、VT3是两只特性相同的大功率三极管；VT1是共发射级前置放大电路，作为VT2、VT3的推动级；RP、VD1、VD2为VT2、VT3提供合适的静态工作点，使VT2、VT3处于微导通状态，同时兼作VT1的集电极负载；+VCC，−VCC为电压值相等的双电源。3．功放管的安全使用为了保证功放管安全使用，功放管选用时，应注意以下几点。（1）必须保证功放管的集电极最大允许耗散功率PCM大于功放管在电路中的实际功耗。（2）要给功放管加装必要的散热片，并且要保证功放管与散热片的接触紧密。（3）必须保证功放管的反向击穿电压U(BR)CEO大于功放管在电路中实际承受的电压。（4）当功放电路采用互补对称结构时，两只功放管的参数应保证一致，一般选择“对管”使用。二、集成功率放大器1．集成功率放大器简介集成功率放大器的型号很多，有些型号还针对特殊的应用，如LMD18245用于中小型直流电动机及步进电动机驱动非常方便，TDA2006可提供12W的音频功放。在实际应用中，应养成查阅集成电路手册的习惯，了解不同型号集成功率放大器的适用场合。图3.23演示电路中所用的LM386是一款常用的低电压通用型音频集成功率放大器，实物图如图3.24（a）所示，其引脚排列如图3.24（b）所示。图中：2脚是反相输入端，3脚为同相输入端；5脚是输出端；6脚是电源端，电源电压范围为5～18V；4脚接地端；1脚、8脚是增益（放大倍数）调节端，当1脚、8脚外接不同阻值的电阻器时，电压放大倍数的调节范围为20～200倍；7脚是退耦端，外接退耦滤波电容。增益调节反相输入同相输入接地增益调节退耦电源输出2．集成功率放大器的应用图3.25所示为用LM386组成的放大倍数分别是50和200的OTL功率放大电路。输入信号从3脚同相输入端输入，输出信号从5脚经220μF的耦合电容器输出。图3.26所示为LM386在5.5寸学生实训用黑白电视机伴音电路中的应用。将伴音信号放大后驱动扬声器恢复电视伴音。第3节场效晶体管放大器一、场效晶体管的使用二、场效晶体管放大电路一、场效晶体管的使用1．场效晶体管的结构及特点场效晶体管的文字符号为VT，外形如图3.27所示，3个电极分别称为栅极（G）、漏极（D）和源极（S）。（1）结型场效晶体管。结型场效晶体管的电路符号如图3.28所示，有箭头的一极为栅极。栅极箭头向里的是N沟道结型场效晶体管，栅极箭头向外的是P沟道结型场效晶体管。结型场效晶体管的特点是：正常工作时，栅极与源极之间必须加反向电压uGS，即对N沟道结型场效晶体管uGS<0，对P沟道结型场效晶体管uGS>0；漏极与源极之间也要加一个适当的电压uDS，电压的极性如表3.4所示。（2）耗尽型绝缘栅场效晶体管。耗尽型绝缘栅场效晶体管的电路符号如图3.29所示。箭头向里的是N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管，箭头向外的是P沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管。耗尽型绝缘栅场效晶体管的特点是：栅极与源极之间不加偏置电压，管子也可导通，处于常闭状态，即只要在漏极和源极之间加上电压就有漏极电流流过。（3）增强型绝缘栅场效晶体管。增强型绝缘栅场效晶体管的电路符号如图3.30所示。与耗尽型相比，漏极、源极之间的实竖线变成了虚竖线。增强型绝缘栅场效晶体管的特点是：没有栅极与源极电压，仅加适当的漏极与源极电压，没有漏极电流流过，处于常开状态。当栅极与源极之间加上适当的电压uGS时（电压的极性如表3.4所示）。2．场效晶体管的主要参数（1）夹断电压UP。夹断电压UP是指，当uDS为定值时，使耗尽型绝缘栅场效晶体管或结型场效晶体管的漏极电流为0，所需的栅源电压值。（2）开启电压Uth。开启电压Uth是指，当uDS为定值时，使增强型绝缘栅场效晶体管导通，所需的栅源电压值。（3）饱和漏极电流IDSS。饱和漏极电流IDSS是指，uDS为定值，耗尽型绝缘栅场效晶体管或结型场效晶体管的栅源电压uGS为0时的漏极电流。（4）低频跨导gm。低频跨导gm是指，当uDS为定值时，漏极电流的变化量ΔiD与引起该变化的栅源电压的变化量ΔuGS的比值，即低频跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是衡量场效晶体管放大能力的重要参数。（5）最大耗散功率PDM。最大耗散功率PDM是指，场效晶体管正常工作时，允许的最大耗散功率。当场效晶体管实际消耗的功率超过此值时，场效晶体管将损坏。（6）漏源击穿电压U(BR)DS。漏源击穿电压U(BR)DS是指，增大uDS使iD急剧上升时，所对应的uDS值。在实际应用中，外加在漏极与源极之间的电压不得超过此值。二、场效晶体管放大电路1．共源极放大电路共源极放大电路如图3.31所示。图3.31（a）所示为分压偏置电路。图3.31（b）所示为自偏压电路，只适用于由耗尽型绝缘栅场效晶体管或结型场效晶体管组成的放大电路。2．共漏极放大电路共漏极放大电路又称源极输出器，如图3.33所示。在电路结构上，与共集电极放大电路相似，输出从源极取出。第4节谐振放大器一、谐振放大器的构成二、谐振放大器的性能指标1．单调谐谐振放大电路一、谐振放大器的构成图3.35所示为单调谐谐振放大电路的原理图。图中：VT、Rb1、Rb2、Re构成稳定工作点的分压式偏置电路；Cb、Ce为高频旁路电容器；T2的初级电感L和电容器C构成并联谐振回路作为三极管的集电极负载，采用部分接入方式。2．多级单调谐谐振放大电路图3.34所示的收音机中放电路由两级单调谐放大电路组成，如图3.36所示。图中：VT1、VT2构成两级放大电路；R1、R3分别为VT2、VT3的偏置电阻；R4引入电流串联负反馈稳定静态工作点；C1、C2为高频旁路电容；T2内部的LC并联谐振回路作为三极管VT1的集电极负载，T3内部的LC并联谐振回路作为三极管VT2的集电极负载，它们均采用部分接入方式。3．双调谐谐振放大电路

双调谐谐振放大电路如图3.37所示，与单调谐的谐振放大电路相比，三极管集电极负载为调谐谐振回路。其性能优于单调谐谐振放大电路，但电路调谐麻烦，需要两个谐振回路统调。二、谐振放大器的性能指标1．中心频率谐振放大器的中心频率指LC并联谐振回路的谐振频率f0。其工程意义是确定谐振放大器对哪个频段的信号进行放大。中心频率的计算公式为2．谐振电压增益谐振电压增益指谐振放大器在谐振频率上的电压增益，记为Au0，通常用分贝（dB）表示，单级电压增益一般为20～30dB。其工程意义是衡量谐振放大器对有用信号的放大能力。3．通频带谐振放大器的通频带指电压增益下降到最大值的0.707（即1/）倍时，所对应的频率范围，用BW0.7表示。由于人耳对功率降低一半的信号能听出差别，故通频带的工程意义是确定以中心频率为中点、人耳察觉不到变化的频率范围。4．选择性

选择性用来衡量谐振放大器从各种不同频率信号中选出有用信号，而抑制无用的干扰信号的能力。其工程意义是选出所需的频道，抑制邻近频道的干扰。提示：多级谐振放大器与单级谐振放大器相比：总电压增益增大了，为每级的增益之和；总通频带变窄了，级数越多通频带越窄；选择性变好了，但当级数大于等于3时，选择性改善程度不明显。技能实训实训1音频功放电路的安装与调试1．实训目的（1）掌握元件的合理选用。（2）掌握音频功放电路的安装技巧与调试方法。（3）会熟练使用示波器，会使用低频信号发生器。2．器材准备4．内容与步骤（1）根据图3.43所示的电路，完成音频功放电路的安装。（2）校正示波器。（3）参阅实训相关知识调试函数信号发生器，使其输出20mV峰—峰值的正弦信号。（4）将函数信号发生器的输出加到音频功放电路输入端，用示波器观察输入、输出信号波形，做好记录。（5）改变函数信号发生器的频率，观察输入不同频率信号时扬声器的发声音情况。（6）实训结束后，整理好本次实训所用的器材、工具、仪器、仪表，清扫工作台，打扫实训室。实训2组装收音机的中频放大电路1．实训目的（1）掌握元件的合理选用。（2）掌握收音机中频放大电路的安装技巧。（3）掌握谐振放大电路的调试方法。2．器材准备4．内容与步骤（1）根据图3.36所示的电路，完成中频放大电路的安装。（2）将信号发生器的频率范围选择在2MHz挡，调节输出信号频率为465kHz。用无感螺丝刀微微调整中周T3的磁芯，使示波器观察的uo信号幅度最大；再微微调整中周T2使示波器观察的uo信号幅度最大；这样反复调T3和T2的磁芯两到三次，使示波器观察的uo信号幅度最大。（3）调节函数发生器频率，每隔10kHz记录一次频率及该频率所对应的uo值，观察uo与频率之间的对应关系。（4）实训结束后，整理好本次实训所用的器材、仪表，清扫工作台，打扫实训室。单元小结（1）本单元重点介绍了集成运放及应用、集成功率放大器及应用、场效晶体管及应用、谐振放大器及应用。（2）集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。工作在线性区时，具有“虚短”和“虚断”两个特点，可以构成比例运算放大电路；工作在非线性区时，可以构成滞回电压比较器、测量放大电路等。（3）低频功率放大电路位于电路的最后一级，作用是对低频信号进行功率放大，能够驱动负载工作。常见的电路形式有OTL电路和OCL电路。将整个功率放大电路制作在一块半导体芯片上就构成了集成功率放大器，其型号很多，可以根据不同的场合选用不同型号的集成功放。对于音频放大通常使用LM386集成功率放大器。（4）场效晶体管是一种单极型晶体管，属于电压控制型器件。由于具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其是用场效晶体管做整个电子设备的输入级，可以获得一