模擬電子技術(shù)12課件

1、主講教師：元增民2015級注冊電氣工程師考培電工與模數(shù)電技術(shù)參考書目1 張炳達，注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試公共/專業(yè)基礎(chǔ)考試復(fù)習教程，天津大學出版社，2013年2 元增民，模擬電子技術(shù)簡明教程，清華大學出版社，2014年3 元增民，電工技術(shù)，國防科大出版社，2011年4 謝慶等，注冊電氣工程師(供配電)執(zhí)業(yè)資格考試基礎(chǔ)考試歷年真題詳解，人民交通出版社，2014年本課件補充的知識點都來自于參考書2、3，特此一并注明。本節(jié)要務(wù)共基放大器放大器基本組態(tài)及圖解法要用低頻晶體管進行高頻放大就找共基放大器(真是既要馬兒跑得快，又要馬兒少吃草)差分放大器，也叫做差動放大器，有兩個輸入端子、兩個輸出端子。ui

2、+: 同相端輸入信號，ui-: 反相端輸入信號ui+、ui-的差值稱為差模信號, 用ud表示, d是difference (差模)的詞頭ui+ 、ui-的均值稱為共模信號, 用uc表示, c是common(共模)的詞頭通常差模信號是有用信號，而共模信號是干擾量、零點漂移等無用信號。差分放大電路的目的是放大有用的差模信號，抑制無用的共模信號。兩實際輸入信號、差模信號、共模信號之間的基本關(guān)系 (6.1.4)(6.1.1)(6.1.3)1. 差模、共模、零飄、共模抑制比2.3.1 差動放大電路 差分放大電路的設(shè)計目標是使共模抑制比CMRR盡可能大，工作點盡可能穩(wěn)定。分壓偏置是不足的，需要尋求更好的工

3、作點穩(wěn)定方法。 差分放大電路的首要技術(shù)指標是共模抑制比CMRR。1. 長尾差分放大電路 長尾差分放大器三大優(yōu)點： 1) 雙端輸出及單端輸出都有共模抑制能力。 長尾差分放大器的局限性： 共模反饋電阻Re是一把雙刃劍，既有利于獲得高CMRR，又影響最大不失真輸出電壓擺幅Uom(max)。為保證Uom(max)，Re就被限制在10k左右，CMRR也跟著受到限制。長尾差放，有時用，但不多。參考書2圖6.2.1 長尾差放雙端輸出 2) 本身自然具有很強的工作點穩(wěn)定性。 3) 不用高阻值偏置電阻，沒有高阻值電阻所帶來的噪聲源。 長尾差分放大器至今還有人在工程設(shè)計時采用。單端輸出時Ad、Ac及CMRR的分析

4、計算差模輸入電阻單端輸出電阻參考書2圖6.2.1(b) 長尾差放單端輸出 差放電壓放大倍數(shù)正與負與輸入端的定義有關(guān)。應(yīng)當合理定義輸入端，盡可能地使差放電壓放大倍數(shù)為正，有利于理解及應(yīng)用。 電感感應(yīng)電壓一度也帶負號，就是uL=-Ldi/dt。這個負號也是由于電壓方向定義不當造成的。已經(jīng)有越來越多的教科書修改電壓方向定義，去掉了負號，改用uL=Ldi/dt。 所以說去掉差放電壓放大倍數(shù)的負號，就像去掉電感感應(yīng)電壓的負號一樣，對于學習和應(yīng)用都是非常有益的。 傳統(tǒng)差放電壓放大倍數(shù)帶負號，做題時適當注意到就是了。與單端輸出時的2005年真題解答解 CMRR與單端還是雙端輸入無關(guān)，答案A、B排除。將雙端輸

5、出時的相除就知道，雙端輸出時的CMRR是單端輸出時的 倍。故答案為D若按照傳統(tǒng)觀點雙端輸出時的CMRR為無窮大，答案亦為D2013年供配電32題32. 電路如圖所示，Rw是調(diào)零電位器，計算時可設(shè)滑動端在Rw中間，已知T1、T2均為硅管，Ube1=Ube2=0.7V，1=2=60，電路差模電壓放大倍數(shù)A. -102 B. -65.4 C. -50.7 D. -45.6(3) 長尾差分放大器串聯(lián)調(diào)零電位器Rw對工作點和電壓增益的影響截然不同，對工作點的影響可以忽略不計，因為0.5Rw2Re，對電壓增益的影響不可忽略，因為0.5Rw與rbe大小差不多。知識點(1) 長尾差放工作點分析計算(2) 長尾

6、差放電壓放大倍數(shù)計算A. -102 B. -65.4 C. -50.7 D. -45.6 解題思路 電壓放大倍數(shù)與工作點及rbe有關(guān)，要先計算工作點。令us1=us2=0，從GND、Rb、BJT發(fā)射結(jié)、Rw、Re到-15V電源列電壓平衡方程 RbIb+Ube+0.5RwIc+2ReIc+(-15V)=0 代入Ic=Ib解出基極偏置電流因Rb及Rw均很小，故通常晶體管偏置電流可以近似計算 這種串聯(lián)調(diào)零電位器會降低CMRR，最落后已淘汰，流行的是并聯(lián)調(diào)零。但是由于認識的局限，目前這種串聯(lián)調(diào)零的習題、考題還出的很多，無奈，還是暫時希望大家重視。詳見參考書2例6.2.4。 Ic(Ucc-Ube)/(2

7、Re) = (15V-0.7V)/(25.1k)1.4mArbb未給定，一般照100300試著計算。輸入電阻rbe=rbb+UT/Ic=300+6026mV/1.4mA=1414=1.414k等效負載電阻Rc/0.5RL=5.1/(0.5100)k=4.628k差模電壓放大倍數(shù) Ad= (Rc/0.5RL)/(R b+r be+0.5Rw) =604.628k/(1k+1.414k+0.5600.1k) =604.628k/(1k+1.414k+0.5600.1k)=51.3數(shù)值與答案C所給-50.7最接近，故選C(a) 雙端輸出 (b) 單端輸出參考書2圖6.3.1 電流源偏置的BJT差分放

8、大電路2. 電流源偏置差分放大電路要務(wù)：進一步提高共模抑制比CMRR。 考慮輸出范圍，電阻Re不能無限增大，故長尾差分放大電路共模抑制比有限。 有形電阻Re換成無形電阻rce。因rce數(shù)量級100k是Re數(shù)量級110k的10倍以上, 故電流源偏置差分放大電路共模抑制比提高為長尾差分放大電路的10100倍。 缺點：工作點不夠穩(wěn)定，電壓增益不高Rc(Ic1+Ib1+Ib2)=Ucc-UbeRc(1Ib+Ib+Ib)=Ucc-Ube1=2時有160頁圖2.3-11 電流鏡參考書2圖6.4.1 鏡像電流源 特點：電流與晶體管值基本無關(guān)，是比分壓偏置更好更實用的工作點穩(wěn)定方式。設(shè) 普通BJT電路先有基極

9、電流Ib再放大為集電極電流Ic。在電流鏡中，好像是先有Ic，再縮小為Ib。永恒不變的是BJT電流放大能力，即集電極電流與基極電流的倍關(guān)系。又是一個“萬變不離其宗”。3. 電流鏡偏置差分放大電路要務(wù)：甩開分壓偏置，進一步穩(wěn)定工作點。參考書2圖6.4.2 電流鏡偏置的BJT差分放大電路161頁圖2.3-13 用電流鏡代替電流源，工作點更加穩(wěn)定。 集成運放的主要特征就是使用了電流鏡偏置差放技術(shù)。 缺點：電壓增益較低的問題依然存在。7/27/20224. 有源負載差放 Rc100k 效果：由于晶體管輸出電阻的作用，電壓放大倍數(shù)得到極大的提升，用兩級有源負載差分放大器就能實現(xiàn)10000倍以上的電壓放大倍

10、數(shù)，而且輸入電阻大。 把從雙端輸出轉(zhuǎn)為單端輸出的電路叫做巴倫(balance to unbalance，balun)。有源負載放大器能實現(xiàn)單端輸出，正好做巴倫。 第二代集成運放的主要特征就是使用了有源負載差放技術(shù)。參考書2圖6.5.1 電流鏡偏置有源負載BJT差分放大電路巴倫2.3.4 集成運放的組成及其基本運算電路159頁圖2.3-5 雙入單出差分放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 粗略了解就好集成運放的基本組成 三大一?。洪_環(huán)電壓放大倍數(shù)大，共模抑制比大，輸入電阻大，輸出電阻小。理想運放簡化為：三無窮大一個零(a) 廣泛流行符號 (b) 目前標準推薦符號參考書2圖6.6.2 雙輸入單輸出差分放大器及其閉環(huán)應(yīng)用

11、-運算放大器參考書2圖6.6.1 雙入單出差分放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成運放的技術(shù)特征 差分放大器是集成運算放大器的基礎(chǔ)。細數(shù)集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于靈活地主動地而不是機械地被動地應(yīng)用，以便用好用活。集成運放除了具有三大一小這樣非常重要的特性之外，還有如下優(yōu)秀品質(zhì)。 1) 雙端輸入、單端輸出，以適應(yīng)實際工作需要。 既是單端輸出，又具有很強大的共模抑制能力。 2) 只用23級就實現(xiàn)10000倍以上的電壓放大倍數(shù)，以便實際應(yīng)用中很容易形成深度負反饋； 為什么只要23級就實現(xiàn)10000倍以上的電壓放大倍數(shù)，主要就是級數(shù)多了不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且容易自激，工作起來不穩(wěn)定。 3) 用電流鏡偏置，具有非常

12、強的工作點穩(wěn)定性。7/27/2022 例2.3-5 圖2.3-14 Ucc=Uee=6.5V,R2=12.4k，晶體管T1T7的=100，|Ube|=0.6V，rbe1=rbe2=5.3k，請說出T1T7組成何電路，并計算偏置電流Ic1和Ic2。161頁圖2.3-14電流鏡偏置有源負載BJT差分放大電路巴倫 例2.3-5圖2.3-14中Ucc=Uee=6.5V，R2=12.4k，晶體管T1T7=100，|Ube|=0.6V，rbe1=rbe2=5.3k (1) 說出T1T7組成何電路 (2) 計算偏置電流Ic1和Ic2161頁圖2.3-14 直流通路電流鏡偏置有源負載BJT差放巴倫 解 T1、

13、T2組成差分放大器 T3、T4組成電流鏡做有源負載 T5、T6組成電流鏡做偏置電流 T7組成共射極放大電路7/27/2022參考書2圖6.7.3 雙列直插式A741芯片外形及管腳功能(集成電路商品)參考書2圖6.7.4 A741內(nèi)部電路 15V電源時電源電流1.7mA7/27/20221) 電壓放大倍數(shù)A，理想A值的范圍為104107，折合開環(huán)增益為80dB140dB。2) 共模抑制比CMRR ，理想3) 輸入電阻，理想，實際已達到1M以上4) 輸出電阻，理想0，典型值一般在幾十到幾百歐。 5) 電源電壓范圍多數(shù)集成運放使用12V等正、負雙電源。也有用單電源。集成運放電源電壓通常有一個許用范圍

14、。例如NE5532型低噪聲雙運放電源電壓許用范圍為3V20V，能夠滿足各種需要。6) 輸出電壓極限及擺幅7) 輸入電壓范圍，包括輸入共模電壓范圍和輸入差模電壓范圍 2.3.4 運放技術(shù)指標及應(yīng)用 8) 輸入失調(diào)電壓UIO 9) 輸入偏置電流IIB 10) 輸入失調(diào)電流IIO 11) 頻率響應(yīng)能力 12) 增益帶寬積 A741增益帶寬積達1MHz162頁倒數(shù)第一行“開環(huán)帶寬BW(fH)=”是錯誤的A741開環(huán)帶寬BW(fH)7Hz閉環(huán)時，Af很低，帶寬變得很大163頁第一行“轉(zhuǎn)換速率SR=”也是不適的A741轉(zhuǎn)換速率SR=0.7V/s什么是轉(zhuǎn)換速率？就是因為IC內(nèi)部分布電容的影響，輸入電壓突變后

15、輸出不是跟著突變，而是以一定速率變化。三大偏差2.3.5 A值非無窮大及三大偏差對集成運放實際應(yīng)用的影響根據(jù)往年經(jīng)驗，不是重點，大家自己看 輸入失調(diào)電壓UIO、輸入偏置電流IIB、輸入失調(diào)電流IIO稱為集成運放的三大偏差。理想情況下三大偏差應(yīng)當都是0。有必要研究三大偏差對集成運放輸出電壓的影響。 三大偏差特點不同。其中輸入失調(diào)電壓可以在運放外部加上一定的電壓，來檢測其大小或者補償其影響，而輸入偏置電流則不同。輸入偏置電流是運放芯片一旦加上電源、輸入端接上電壓信號就自然產(chǎn)生的，應(yīng)在外部加上一定的電阻網(wǎng)絡(luò)才能補償其影響。7/27/20221. 自身電壓放大倍數(shù)A非無窮大的影響167頁圖2.3-31

16、 反相比例運算電路(電壓相加負反饋，即電壓并聯(lián)負反饋) 因輸入電阻很大,虛斷,R3電流很微小認為是零，壓降認為是零，則u+=0。 運放I/O固有關(guān)系uo=A(u+-u-),可根據(jù)輸出反推輸入有u+-u-=uo/A及u-=-uo/A A非無窮大時，u+-u-0，設(shè)u+-u-=uid用熊仔爬山法計算輸出電壓2. 輸入失調(diào)電壓的影響輸入失調(diào)電壓就像同相端加入的一個輸入電壓在輸入失調(diào)電壓作用下的輸出電壓168頁圖2.3-32 輸入失調(diào)電壓Uio對輸出電壓的影響 可以看出，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，輸入失調(diào)電壓對輸出電壓的影響就越大。因此，為限制輸入失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af不宜過大。 不過，把Uio當成一個輸入電壓，這個圖事實上就是一道題！7/27/20223. 輸入偏置電流及輸入失調(diào)電流的影響198頁題2-21圖 消除輸入偏置電流對輸出電壓的影響 為消除輸入偏置電流及輸入失調(diào)電流對輸出電壓的影響，令輸出電壓為0，可列出關(guān)于未知數(shù)I1、I2和R2的方程組RfIf R1I1=0 I1+If =Ibn R2 Ibp=R1I1可解出既能考慮輸入偏置電流又能