n项目3 功率放大电路制作n学习目标n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。n工作任务n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。n参考电路图n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n技能实训1 差分放大电路仿真测试 测量电路图 n知识点 差分放大器n1.差分放大器的结构n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。 n2.差动放大电路的四种输入输出方式n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。n3. 差动放大电路的静态工作点n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n4.差分放大器的质量指标n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：n长尾式单端输入、单端输出的质量指标为：n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。n技能实训2 互补对称功率放大电路测试仿真n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 n知识点 互补对称功率放大电路n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：n(1)输出尽可能大的功率n(2)转换效率尽可能高n(3)非线性失真尽可能小n(4)三极管的散热问题n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)。n1.OCL电路n(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。n(2)有关参数计算n(3)零偏压状态下OCL的交越失真及消除方法n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。 n3.用复合管组成的放大电路n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。n项目4 红外线报警器制作n学习目标n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。n工作任务n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。n参考电路原理图n参考红外线报警器电路原理图如图4.1所示。n技能训练1 运算放大电路功能测试 n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 n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。n2.理想运放的技术参数n (1)开环电压放大倍数 n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n 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。 n(3)输入失调电流n当输入信号为零时，两个输入端静态输入电流之差n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。n(6)最大输出电压n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。n(7) 共模抑制比n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。 n3.理想运放的“虚断”和“虚短”n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：n(1) 虚短n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。n(2) 虚断n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。 n知识点2 比例运算放大电路n1.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 n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。n2.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.n同相比例运算放大电路有如下特点：n()输入电阻高，可达100M以上。n()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。n知识点3 加/减运算放大电路n1.加法运算电路图4.10同相加法运算电路n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。n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。n2.微分运算电路n技能训练2 迟滞电压比较器电路功能测试n测量电路图 图4.17 迟滞电压比较器测试 n知识点1 电压比较器n1.过零电压比较器n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n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n2.单门限电压比较器n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