模拟电子技术 课件 26 集成功率放大电路 -30 比较器综合应用案例

模拟电子技术梁长垠教授项目四功率放大电路的制作与测试梁长垠教授集成功放特点01LM386集成功放02TDA2030集成功放03一、集成功放特点1.集成功放电路的特点（1）输出功率大、外围连接元件少、使用方便。（2）温度稳定性好，电源利用率高。（3）功耗较低，非线性失真较小。2.集成功放的分类按用途分通用型功放专用型功放按芯片构成分单通道功放多通道功放按输出功率分小功率功放中功率功放大功率功放集成功放特点01LM386集成功放02TDA2030集成功放03二、LM386集成功率放大器1.

LM386内部结构LM386是一种低电压单电源供电的通用型OTL集成功率放大器，采用8引线双列直插式塑料封装。LM386内部电路分为输入级，电压放大器级(中间级)，输出级和反馈网络。2.引脚功能二、LM386集成功率放大器3.

LM386原理（1）输入级由T2和T1、T4和T3组成复合管，作为双入单出的差分放大器的放大管，T5、T6组成镜像恒流源作为T2、T4的有源负载。差分输入信号分别从T1和T3管的基极输入,从T4管的集电极输出，为双端输入单端输输出。（2）驱动级由T7组成共射放大电路，该管集电极带有恒流源负载以增大放大倍数。（3）输出级由T8~T10管组成准互补功放电路，其中T9

、T10复合成等效PNP型管，与NPN型的T8构成准互补的输出级。D1、D2是输出级的偏置电路，可以消除交越失真。R8从输出端连接到T4发射极形成反馈通路，一方面该直流反馈可将输出直流偏置电压稳定到电源电压一半，另一方面R8与R4、R5构成反馈网络，形成深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定电压增益。二、LM386集成功率放大器4.

LM386增益与技术参数参数测试条件最小典型最大工作电源电压/V

5

18静态电流/mAV+=6V,Ui=0

4

输出功率/mWV+=16V,RL=32,THD=10%7001000

电压增益/dB引脚1、8间开路引脚1、8间接10μF电容

2646

带宽(BW)/kHzV+=6V,引脚1、8开路

300

输入电阻/kΩ

50

总谐波失真（THD)/%

0.2%

集成功放特点01LM386集成功放02TDA2030集成功放03三、TDA2030集成功放1.

TDA2030集成功率放大器的主要参数TDA2030集成功率放大器内部有差分电路输入级、中间电压放大级、恒流源偏置电路及甲乙类准互补对称功率放大电路的输出级，此外还具有短路和过热保护电路。引脚功能与集成运放相同，具有同相和反相输入端，正、负电源输入端和输出端共5个引脚。其主要参数为：输入阻抗：>500kΩ开环电压增益：75dB（5623倍）电源电压：±3～±18V最大输出功率：30W（VCC=±18V,RL=4Ω,OCL连接）静态电流：<60mA频带宽度：15kHz三、TDA2030集成功放2.

TDA2030集成功率放大器典型应用（1）双电源应用电路

采用双电源时，其外围元件和连接方法如图所示。信号ui经耦合电容C1由同相端输入，R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈。因此闭环放大倍数为

R3阻值与R1相同，用作直流平衡电阻，使输入级偏置电流相等。R4、C5为高频校正网络，抑制高频自激振荡。D1、D2用作外接保护电路，泄放RL自感应电压。C3、C4用以消除电源高频干扰。三、TDA2030集成功放2.

TDA2030集成功率放大器典型应用（2）单电源应用电路

对仅有一组电源的中、小型音响电路，可采用单电源连接方法。其电路如图所示。由于采用单电源，故用R1、R2和R3使输入端为VCC/2的中点电位，向输入级提供直流偏置。C1和C2分别用以消除电源的低频和高频干扰。其他元件作用与双电源电路中相同。其闭环电压放大倍数为

=32.9本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目四功率放大电路的制作与测试梁长垠教授BTL功放电路结构01甲类功放电路原理02功放管的散热保护03功放电路典型应用04一、BTL功放电路结构1.BTL功放电路组成OCL和OTL两种功放电路的效率很高，但是他们的缺点就是电源的利用率都不高，其主要原因是在输入正弦信号时，在每半个信号周期中，电路只有一个晶体管和一个电源在工作。为了提高电源的利用率，也就是在较低电源电压的作用下，使负载获得较大的输出功率，一般采用平衡式（桥式）无输出变压器电路，又称为桥式BTL（BalancedTransformerLess，简称BTL）电路。桥式BTL功放由两组对称的OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OTL或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。一、BTL功放电路结构2.BTL功放电路原理（两个OTL构成的BTL电路）在输入信号ui正半周时，T1、T4导通，T2、T3截止，负载电流由VCC经T1、RL、T4流到虚地端。如图中的实线所示。

在输入信号ui负半周时，T1、T4载止，T2、T3导通，负载电流由VCC经T2、RL、T3流到虚地端。如图中虚线所示。可见：

（1）该电路仍为乙类推挽放大电路，利用对称互补的2个电路完成对信号的放大；（2）同OTL电路相比，同样是单电源供电，在VCC、RL相同条件下，BTL电路输出功率为OTL电路输出功率的4倍，即BTL电路电源利用率高；（3）BTL电路的效率在理想情况下，仍近似为78.5%。一、BTL功放电路结构3.BTL功放电路原理（两个OCL构成BTL电路）静态时，由于两个OCL电路的输出端电位相等（正常时应为零），故负载两端的直流电压为零，电桥处于平衡状态。动态时，在输入信号ui正半周时，T1、T4导通，T2、T3截止，负载电流由VCC经T1、RL、T4流到虚地端。如图中的实线所示。

在输入信号ui负半周时，T1、T4载止，T2、T3导通，负载电流由VCC经T2、RL、T3流到虚地端，如图中虚线所示。负载上可得到一个完整的正弦波。分析可得：输出功率是OCL电路的4倍。

BTL功放电路结构01甲类功放电路原理02功放管的散热保护03功放电路典型应用04二、甲类功率放大电路1.电路结构图示为变压器耦合甲类功率放大器电路。变压器的作用是信号隔直通交耦合与阻抗变换。2.工作原理在理想情况下，最大输出功率3.电路特点功放管在整个信号周内始终导通，信号失真小，但功耗大，效率低。直流电源提供功率电路最大效率

BTL功放电路结构01甲类功放电路原理02功放管的散热保护03功放电路典型应用041.集成功放外围元件规律集成功放电路品种非常多，应用时不一定能有功放电路和内部电路资料，可根据其外围元件连接电路分析判断。大多数芯片外围元件连接有以下规律：

（1）因集成功放主要应用于音频(低频)信号放大，所以输入端有输入耦合电容，一般取(1～10)μF电解电容。（2）集成功放需要直流偏置。对0CL电路，同相输入端通过一个电阻接地(使其直流电位为0)，电阻一般取几十千欧，太小将降低电路输入电阻；对0TL电路，为取得Vcc／2直流电位，需用电阻分压，0TL电路需输出耦合电容，电容越大，低频特性越好，一般取几十至一千微法，视输出功率和频响要求而定。（3）集成功放是一个开环增益很大的放大器，因此必须加负反馈，且为电压串联负反馈。四、功放管的保护1.集成功放外围元件规律（4）除上述电路元件外，其余元件(电路)均为辅助或改善性能电路，非必需电路。

①电源滤波。在集成功放电源输入端，一般用一个大容量电解电容（100～200μF）与一个无极性电容0.01～0.1μF并联。②输出端接与感性负载并联的RC网络，主要是改善频率响应。③保护二极管的作用，由于负载(扬声器)为感性，在电流快速切变时，会产生较高的感性电压(反电势)，可能损坏集成功放。二极管的作用是给过高的反电势提供泄放通路(也可理解为钳位削峰)。④有些集成功放，如LA4100、LA4440等，除外接输出电容、电源滤波电容外，还外接去耦电容、自举电容、旁路电容、负反馈隔直电容等。自举电容一端接输出端，另一端接集成功放某一引脚；去耦电容一端接集成功放某一引脚，另一端接地；旁路电容、负反馈隔直电容，一般为几十微法；无极性电容，主要改善频响特性和防止高频自激。四、功放管的保护四、功放管的保护2.对功放管的保护措施（1）限制输入、输出幅度。功放管的输入、输出并联二极管或稳压管，如图所示。D1、D2可限制输入信号幅度，D3~D6可限制输出信号幅度。（2）对感性负载进行相应补偿。为了防止由于接入感性负载而使功放管出现过电压或过电流现象，可在感性负载（扬声器）两端并接RC串联电路，称为相位补偿网络，它由小电阻R和大电容C构成，这样，一旦功放管的输出信号发生突然变化，感性负载产生的感应电动势加到补偿网络两端，起到了缓解作用，避免了对功放管的冲击。BTL功放电路结构01甲类功放电路原理02功放管的散热保护03功放电路典型应用04四、集成功放电路应用（1）音频前置功率放大器应用组成：输入级（T4、T5）、电压放大级（T3）、输出级（T6、T9）。四、集成功放电路应用（1）音频前置功率放大器应用输入级：T4、T5构成差分输入级（单入单出），由T4的集电极电压作为输出，直耦送入电压放大级T3。特点：本级采用了差分电路、恒流偏置、恒流负载三种技术措施。差分电路：提高输入电阻、抑制零点漂移。恒流偏置：稳定输入级的静态工作点，恒流负载：提高输入级的增益。T7、D3、D4、R16构成单管恒流源电路，利用其等效动态内阻R0恒定，作为T4、T5的恒流偏置，以稳定差分输入级的静态工作点。T1、T2构成镜像恒流源作为差分输入级集电极负载，以提高输入级电压放大的增益。T3构成共发射极放大器，T3为主电压放大级，它提供大部分电压增益。T8、D5、D6、R17构成单管恒流源电路，利用其R0恒定，作为T3的恒流负载（Rc），以提高电压放大器的增益。四、集成功放电路应用（1）音频前置功率放大器应用为解决直耦放大器工作点相互影响，T3采用PNP管，以提高前级的Uc。R3、C1构成电流负反馈，以稳定工作状态。C4为相位补偿电容，同时又是中和电容可完成高频消振。T6、T9构成推挽输出级（OCL），为射极输出结构，以降低输出阻抗，提高电路带负载能力。

D1、D2、R13构成恒压偏置电路，利用D1、D2的正向导通电压恒定，向T6、T9提供2Ube。以稳定输出级的工作状态。R7、R14构成射极负反馈偏置，以改善推挽输出级的交越失真。R6、R11、C7构成交直流级间负反馈环路，R取出输出级的输出信号电压，经C低通滤波形成与输出电压成正比的直流信号，作为差分输入级T4、T5的直流偏置，以控制其增益。放大倍数为：Av=1+(R6/R11)。四、集成功放电路应用（2）音频功率放大电路双电源集成运放，构成同相比例放大电路：C17、R29、R30为输入阻容耦合电路（R29、R30为分压电阻）；C14、R27、R28为电压并联负反馈支路（R27、R28为分压电阻），C15、C16为电源退耦电容，W为音量电位器。四、集成功放电路应用（2）音频功率放大电路电路主要由一级差分放大输入电路、一级差分电压激励放大及全互补推挽功率放大输出电路组成。为了使电路更加稳定，性能更加优良，还采用了二极管恒流源电路、共射-共基电路、温度补偿恒压偏置、二极管对电压、电流放大级电源隔离电路等。由于采用了两级差分放大电路和恒流源电路，加上二极管的隔离作用，故本电路能在较宽的电源电压变化范围内工作。在差分输入放大电路的输入端，R1、R2、C2组成了低通滤波电路，限制电路的通频带带，将无用的音频范围以外的高频信号滤除掉，提高电路的稳定性、抑制电路的高频噪声和自激。T1、T2组成第一级差分输入放大电路，其发射极电阻R3、R4为电流负反馈电阻；T3为其恒流源，T4为恒流源提供电压基准。R8、R9为两差分管的集电极负载电阻，同时兼做第二差分放大管的基极偏置电阻。四、集成功放电路应用（2）音频功率放大电路T6、T9组成第二级差分放大电路，既作为电压放大级，同时又是输出级的激励级。T6、T7组成了共射—共基电路，以改善电路的输出特性，并改善激励级的线性，展宽频带。T9兼为输出级提供偏置电流。D1与T8、R10、R11组成了第二级差分放大电路镜像恒流负载，以稳定第二级差分放大电路的工作，并进行电流—电压转换及信号传递。本电路采用二极管D1作为镜像恒流管。T8使差分放大电路做“双变单”输出，同时它还是输出级的电压推动级。T5、W1、R13组成了功率放大输出级的恒压偏置电路，T5与功率管一起安装在散热器上进行温度检测，起自动稳定偏置的作用。调节W1可以改变偏置电压，使输出级工作在甲乙类、乙类放大状态。T10与T13组成全互补对称推挽功率输出的NPN复合管，T11与T12组成PNP复合管。R17、R7、C4组成负反馈网络，电路增益由负反馈电阻R17、R7比值决定。本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目五波形产生与变换电路的制作与测试梁长垠教授波形产生电路作用01常用波形产生电路02波形变换电路原理03集成函数发生器04一、波形产生电路作用为测试或调试模拟电路、数字电路的功能，通常需要对被测试、调试的模拟电路或数字电路施加一定幅度、一定频率的标准信号，例如正弦波信号、方波信号或三角波信号等，上述信号通常由信号发生器（函数发生器）或波形产生电路来提供。在实际应用中，波形发生器也有着广泛的应用，例如在家用电子产品音响、电视等功能电路调试中，要根据不同电路的特点施加一定频率、一定幅度的信号。波形产生电路作用01常用波形产生电路02波形变换电路原理03集成函数发生器04二、常用波形产生电路在实际应用中，常用的标准信号包括正弦波信号与非正弦波信号两大类。正弦波信号发生器主要有RC正弦波发生器、LC正弦波发生器等；非正弦波信号又包括矩形（方波）、三角波信号等，非正弦波信号既可由模拟电路产生，也可由数字电路产生，或模拟数字混合型器件（例如NE555）产生。在家用电子产品功能电路的调试过程中，还可能用到一些特殊的信号，例如调幅波、调频波信号等。对模拟电路而言，重点介绍这些波形产生的电路的结构、工作原理以及典型的应用案例。波形产生电路作用01常用波形产生电路02波形变换电路原理03集成函数发生器04三、波形变换电路原理1.正弦波-方波-三角波变换电路正弦波可以利用RC振荡器、LC振荡器等电路产生。将正弦波信号加到比较器的某一输入端，比较器的另一输入端接地构成过零比较器电路，即可将正弦波变换成方波。将方波信号加到积分电路输入端，在输出端便可得到三角波信号。三、波形变换电路原理2.方波-三角波-正弦波变换电路将方波变换成三角波可通过积分电路实现。但如何将三角波变换成正弦波输出呢？其中的一种方法是利用低通滤波器来实现，利用低通滤波器可以将三角波中的基波分量提取出来。波形产生电路作用01常用波形产生电路02波形变换电路原理03集成函数发生器04四、集成函数发生器集成函数发生器使一种可以同时产生多种波形（例如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）的专用集成电路。通过调节外围元件参数就可以获得不同占空比的矩形脉冲与锯齿波，有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。集成函数发生器目前已被广泛应用在仪器仪表中。常见的集成函数发生器如ICL8308、UTG932E/UTG962E等本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目五波形产生与变换电路的制作与测试梁长垠教授比较器性能指标01单限比较器应用02窗口比较器应用03滞回比较器应用04一、比较器性能指标1.比较器主要性能指标电压比较器的性能指标包括阈值电压、输出电平、灵敏度与响应时间等。（1）阈值电压

阈值电压指比较器输出电平发生跳变的输入电压，也称为门限电压。（2）输出电平

输出电平指输出电压的高电平与低电平。（3）灵敏度

灵敏度指输出电压跳变前后输入电压的差值。差值越小，灵敏度就越高。然而，灵敏度越高，也就意味着抗干扰能力就越差。（4）响应时间

响应时间指输出电压发生跳变所需要的时间。一、比较器性能指标2.比较器的分类按比较器构成集成运放构成的比较器专用芯片构成的比较器按比较器阈值电压与传输特性单限比较器窗口比较器滞回比较器一、比较器性能指标3.比较器功能描述（3）对单限比较器，如果阈值电压为零，则可以称之为过零比较器，如果阈值电压不为零，则成为单限比较器。（1）由集成运放构成的比较器，例如LM324、LM358等，其输出是推挽结构，高电平接近于电源电压（一般为VCC-1.5）。（2）由专用比较器芯片构成的比较器，例如LM311、LM339等，由于其输出是集电极开路（OC门）结构，必须在比较器输出端与电源之间接入上拉电阻，此时高电平接近于电源电压。（4）窗口比较器是指具有两个阈值电压输入的比较器，当输入电压单方向变化时，输出电压跃变两次。（5）滞回比较器是一种具有滞回特性的比较器，也称为施密特触发器，通常也具有两个阈值电压，一个是输入电压从小到大变化过程中使输出电压传输跃变的阈值电压，另一个是输入电压从大变小过程中使输出电压跃变的阈值电压，电路具有滞回特性。比较器性能指标01单限比较器应用02窗口比较器应用03滞回比较器应用04二、单限比较器应用1.单限比较器分类2.反相输入过零比较器单限比较器过零比较器一般单限比较器过零比较器，其阈值电压为0V。图示为反相输入过零比较器。过零比较器传输特性在过零比较器中，集成运放工作在开环状态，并工作在非线性区。在理想情况下：当ui>0时，

；当ui<0时，；。

当ui=0时，输出电压发生翻转。U0m是集成运算放大器的最大输出电压曲线中的红色虚线区域为比较器的不灵敏区。发生在输入电压非常接近基准电压时，输出是一个不确定的值。理想运放组成的比较器，不灵敏区为0。二、单限比较器应用2.同相输入过零比较器在理想情况下：当ui>0时，

；当ui<0时，

。

当ui=0时，输出电压发生翻转U0m是集成运算放大器的最大输出电压稳压管限幅的过零比较器3.输出限幅过零比较器在比较器输出端加上双向稳压二极管（注意：这里稳压二极管的稳压值小于集成运算放大器输出的最大电压值），其中的电阻R为限流电阻。二、单限比较器应用4.反相输入过零比较器应用

（正弦波变换成方波）（a）双电源供电

（b）单电源供电5.同相输入过零比较器应用

（正弦波变换成方波）

（a）双电源供电

（b）单电源供电二、单限比较器应用6.单限比较器电路与输出特性

在单限比较器中，集成运放工作在开环状态，并工作在非线性区。在理想情况下：当ui>UREF时，

；当ui<UREF时，。

当ui=UREF时，输出电压发生翻转。反相输入单限比较器与输出特性同相输入单限比较器与输出特性在理想情况下：当ui>UREF时，

；当ui<UREF

时，

。

当ui=UREF时，输出电压发生翻转。二、单限比较器应用7.单限比较器应用

单限比较器电路输入输出信号波形若输入为正弦波，基准电压为UR，输出端双向稳压二极管的稳压值为UZ，则该电路输出的波形如图所示。由此可见，单限比较器可以将输入的正弦波变换成为矩形脉冲波形（对过零比较器则可以将正弦波变换成方波脉冲）。比较器性能指标01单限比较器应用02窗口比较器应用03滞回比较器应用04三、窗口比较器应用1.电路结构对单限比较器，当输入信号单方向变化时，输出电压只跳变一次，只与一个电平进行比较。在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是否处于两个给定电平之间，此时就需要两个门限电平。窗口比较器又称双限电压比较器，是一个信号同时与两个不同的基准电压进行比较。2.电路特点当输入信号处于两个门限电平之间时，输出为某一电平；当输入电压处于两个门限电压以外时，输出为另一电平。上下门限电压之差称为窗口宽度。三、窗口比较器应用3.工作原理将输入信号ui同时加到运放A1的同相端和A2的反相端，双限比较器的两个门限电压分别为URH和URL则分别加到比较器A1的反相端和A2的同相端，且URH>URL。当输入信号ui<URL时A2输出高电平；当输入信号ui>URH时A1输出高电平。上述两种情况下比较器输出均为高电平，只有当URL<ui<URH时，输出才为低电平（假设理想二极管的正向导通电压降为0V）。三、窗口比较器应用4.窗口比较器应用将PTC热敏电阻得分也信号uA同时加到运放A1的同相端和A2的反相端，双限比较器的两个门限电压分别为UB和UC则分别加到比较器A1的反相端和A2的同相端，且UB>UC。当输入信号uA<UC时A2输出高电平；当输入信号uA>UB时A1输出高电平。

窗口比较器温度上下限报警电路上述两种情况下比较器输出均为高电平，只有当UC<uA<UB时，输出才为低电平（假设理想二极管的正向导通电压降为0V）。用同一个发光二极管指示温度超过上线报警值或低于下限报警值的状态。比较器性能指标01单限比较器应用02窗口比较器应用03滞回比较器应用04四、滞回比较器应用1.滞回比较器特点滞回比较器又称施密特触发器，或迟滞比较器，其特点时当输入信号逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。。2.滞回比较器分类滞回比较器反相滞回比较器同相滞回比较器四、滞回比较器应用3.反相滞回比较器电路结构4.反相滞回比较器原理运放采用双电源供电，输入电压从反相端输入，UR为参考电压。由于输出端接入限幅稳压管，所以输出值为±UZ。从输出端通过电阻R3连接到同相输入端实现正反馈。运放同相输入端的转折电压值有两个，分别用UTH1和UTH2表示。当输出电压为+UZ时，当输出电压为-UZ时，设某一瞬时u0=+UZ，通常情况下，输入信号都是来自传感器或其他前级电路的单极性信号，当输入电压ui从0开始增大到UTH1时，输出电压u0发生翻转，转变为-UZ；当输入电压ui减少到UTH2时，输出电压u0再次发生翻转，转变为+UZ，其传输特性如图所示。四、滞回比较器应用4.反相滞回比较器原理UTH1称为上门限电压，UTH2称为下门限电压，两者之差称为回差电压，用ΔUTH表示，可见，门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压以及电阻R2和R3的值大小，与参考电压UREF无关。改变参考电压UREF的大小可以同时调节两个门限电平的大小（在横坐标上左右移动的位置），但两者之差不变。若比较器输出的高、低电平分别为U0H、UOL，则四、滞回比较器应用5.同相滞回比较器电路结构6.同相滞回比较器原理运放采用双电源供电，输入电压从同相端输入，UR为参考电压。由于输出端接入限幅稳压管，所以输出值为±UZ。从输出端通过电阻R3连接到同相输入端实现正反馈。运放同相输入端的转折电压值有两个，分别用UTH1和UTH2表示。当输出电压为+UZ时，当输出电压为-UZ时，分析可得其传输特性如图所示。若比较器输出的高、低电平分别为U0H、UOL，则本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目五波形产生与变换电路的制作与测试梁长垠教授超温报警器应用01温度上下限报警02温度回差控制03一、超温报警器应用1.案例描述使用负温系数热敏电阻（NTC）构成温度检测与报警电路。已知热敏电阻常温（25℃）时电阻为10kΩ，在50℃时阻值为3.587kΩ（对应分压为3.168V）。设计要求：温度上升超过50℃时报警指示灯亮，启动风扇散热。2.电路设计3.电路