模擬電子技術(shù)12課件

1、主講教師：元增民2015級(jí)注冊(cè)電氣工程師考培電工與模數(shù)電技術(shù)參考書(shū)目1 張炳達(dá)，注冊(cè)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(xí)教程，天津大學(xué)出版社，2013年2 元增民，模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程，清華大學(xué)出版社，2014年3 元增民，電工技術(shù)，國(guó)防科大出版社，2011年4 謝慶等，注冊(cè)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(bǔ)充的知識(shí)點(diǎn)都來(lái)自于參考書(shū)2、3，特此一并注明。本節(jié)要?jiǎng)?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(jìn)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(dòng)放大器，有兩個(gè)輸入端子、兩個(gè)輸出端子。ui

2、+: 同相端輸入信號(hào)，ui-: 反相端輸入信號(hào)ui+、ui-的差值稱為差模信號(hào), 用ud表示, d是difference (差模)的詞頭ui+ 、ui-的均值稱為共模信號(hào), 用uc表示, c是common(共模)的詞頭通常差模信號(hào)是有用信號(hào)，而共模信號(hào)是干擾量、零點(diǎn)漂移等無(wú)用信號(hào)。差分放大電路的目的是放大有用的差模信號(hào)，抑制無(wú)用的共模信號(hào)。兩實(shí)際輸入信號(hào)、差模信號(hào)、共模信號(hào)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(dòng)放大電路 差分放大電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使共模抑制比CMRR盡可能大，工作點(diǎn)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(diǎn)穩(wěn)定方法。 差分放大電路的首要技術(shù)指標(biāo)是共模抑制比CMRR。1. 長(zhǎng)尾差分放大電路 長(zhǎng)尾差分放大器三大優(yōu)點(diǎn)： 1) 雙端輸出及單端輸出都有共模抑制能力。 長(zhǎng)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(zhǎng)尾差放，有時(shí)用，但不多。參考書(shū)2圖6.2.1 長(zhǎng)尾差放雙端輸出 2) 本身自然具有很強(qiáng)的工作點(diǎn)穩(wěn)定性。 3) 不用高阻值偏置電阻，沒(méi)有高阻值電阻所帶來(lái)的噪聲源。 長(zhǎng)尾差分放大器至今還有人在工程設(shè)計(jì)時(shí)采用。單端輸出時(shí)Ad、Ac及CMRR的分析

4、計(jì)算差模輸入電阻單端輸出電阻參考書(shū)2圖6.2.1(b) 長(zhǎng)尾差放單端輸出 差放電壓放大倍數(shù)正與負(fù)與輸入端的定義有關(guān)。應(yīng)當(dāng)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(fù)號(hào)，就是uL=-Ldi/dt。這個(gè)負(fù)號(hào)也是由于電壓方向定義不當(dāng)造成的。已經(jīng)有越來(lái)越多的教科書(shū)修改電壓方向定義，去掉了負(fù)號(hào)，改用uL=Ldi/dt。 所以說(shuō)去掉差放電壓放大倍數(shù)的負(fù)號(hào)，就像去掉電感感應(yīng)電壓的負(fù)號(hào)一樣，對(duì)于學(xué)習(xí)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(fù)號(hào)，做題時(shí)適當(dāng)注意到就是了。與單端輸出時(shí)的2005年真題解答解 CMRR與單端還是雙端輸入無(wú)關(guān)，答案A、B排除。將雙端輸

5、出時(shí)的相除就知道，雙端輸出時(shí)的CMRR是單端輸出時(shí)的 倍。故答案為D若按照傳統(tǒng)觀點(diǎn)雙端輸出時(shí)的CMRR為無(wú)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(jì)算時(shí)可設(shè)滑動(dòng)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(zhǎng)尾差分放大器串聯(lián)調(diào)零電位器Rw對(duì)工作點(diǎn)和電壓增益的影響截然不同，對(duì)工作點(diǎn)的影響可以忽略不計(jì)，因?yàn)?.5Rw2Re，對(duì)電壓增益的影響不可忽略，因?yàn)?.5Rw與rbe大小差不多。知識(shí)點(diǎn)(1) 長(zhǎng)尾差放工作點(diǎn)分析計(jì)算(2) 長(zhǎng)尾

6、差放電壓放大倍數(shù)計(jì)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(diǎn)及rbe有關(guān)，要先計(jì)算工作點(diǎn)。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(jì)算 這種串聯(lián)調(diào)零電位器會(huì)降低CMRR，最落后已淘汰，流行的是并聯(lián)調(diào)零。但是由于認(rèn)識(shí)的局限，目前這種串聯(lián)調(diào)零的習(xí)題、考題還出的很多，無(wú)奈，還是暫時(shí)希望大家重視。詳見(jiàn)參考書(shū)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(jì)算。輸入電阻rbe=rbb+UT/Ic=300+6026mV/1.4mA=1414=1.414k等效負(fù)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(shū)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?jiǎng)?wù)：進(jìn)一步提高共模抑制比CMRR。 考慮輸出范圍，電阻Re不能無(wú)限增大，故長(zhǎng)尾差分放大電路共模抑制比有限。 有形電阻Re換成無(wú)形電阻rce。因rce數(shù)量級(jí)100k是Re數(shù)量級(jí)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(zhǎng)尾差分放大電路的10100倍。 缺點(diǎn)：工作點(diǎn)不夠穩(wěn)定，電壓增益不高Rc(Ic1+Ib1+Ib2)=Ucc-UbeRc(1Ib+Ib+Ib)=Ucc-Ube1=2時(shí)有160頁(yè)圖2.3-11 電流鏡參考書(shū)2圖6.4.1 鏡像電流源 特點(diǎn)：電流與晶體管值基本無(wú)關(guān)，是比分壓偏置更好更實(shí)用的工作點(diǎn)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(gè)“萬(wàn)變不離其宗”。3. 電流鏡偏置差分放大電路要?jiǎng)?wù)：甩開(kāi)分壓偏置，進(jìn)一步穩(wěn)定工作點(diǎn)。參考書(shū)2圖6.4.2 電流鏡偏置的BJT差分放大電路161頁(yè)圖2.3-13 用電流鏡代替電流源，工作點(diǎn)更加穩(wěn)定。 集成運(yùn)放的主要特征就是使用了電流鏡偏置差放技術(shù)。 缺點(diǎn)：電壓增益較低的問(wèn)題依然存在。7/27/20224. 有源負(fù)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(jí)有源負(fù)載差分放大器就能實(shí)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(fù)載放大器能實(shí)現(xiàn)單端輸出，正好做巴倫。 第二代集成運(yùn)放的主要特征就是使用了有源負(fù)載差放技術(shù)。參考書(shū)2圖6.5.1 電流鏡偏置有源負(fù)載BJT差分放大電路巴倫2.3.4 集成運(yùn)放的組成及其基本運(yùn)算電路159頁(yè)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(yùn)放的基本組成 三大一?。洪_(kāi)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(yùn)放簡(jiǎn)化為：三無(wú)窮大一個(gè)零(a) 廣泛流行符號(hào) (b) 目前標(biāo)準(zhǔn)推薦符號(hào)參考書(shū)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(yùn)算放大器參考書(shū)2圖6.6.1 雙入單出差分放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的技術(shù)特征 差分放大器是集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)。細(xì)數(shù)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于靈活地主動(dòng)地而不是機(jī)械地被動(dòng)地應(yīng)用，以便用好用活。集成運(yùn)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(shí)際工作需要。 既是單端輸出，又具有很強(qiáng)大的共模抑制能力。 2) 只用23級(jí)就實(shí)現(xiàn)10000倍以上的電壓放大倍數(shù)，以便實(shí)際應(yīng)用中很容易形成深度負(fù)反饋； 為什么只要23級(jí)就實(shí)現(xiàn)10000倍以上的電壓放大倍數(shù)，主要就是級(jí)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(lái)不穩(wěn)定。 3) 用電流鏡偏置，具有非常

12、強(qiáng)的工作點(diǎn)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(qǐng)說(shuō)出T1T7組成何電路，并計(jì)算偏置電流Ic1和Ic2。161頁(yè)圖2.3-14電流鏡偏置有源負(fù)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(shuō)出T1T7組成何電路 (2) 計(jì)算偏置電流Ic1和Ic2161頁(yè)圖2.3-14 直流通路電流鏡偏置有源負(fù)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(fù)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(shū)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(shū)2圖6.7.4 A741內(nèi)部電路 15V電源時(shí)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(kāi)環(huán)增益為80dB140dB。2) 共模抑制比CMRR ，理想3) 輸入電阻，理想，實(shí)際已達(dá)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(yùn)放使用12V等正、負(fù)雙電源。也有用單電源。集成運(yùn)放電源電壓通常有一個(gè)許用范圍

14、。例如NE5532型低噪聲雙運(yùn)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(yùn)放技術(shù)指標(biāo)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(dá)1MHz162頁(yè)倒數(shù)第一行“開(kāi)環(huán)帶寬BW(fH)=”是錯(cuò)誤的A741開(kāi)環(huán)帶寬BW(fH)7Hz閉環(huán)時(shí)，Af很低，帶寬變得很大163頁(yè)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?yàn)镮C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(wú)窮大及三大偏差對(duì)集成運(yùn)放實(shí)際應(yīng)用的影響根據(jù)往年經(jīng)驗(yàn)，不是重點(diǎn)，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(yùn)放的三大偏差。理想情況下三大偏差應(yīng)當(dāng)都是0。有必要研究三大偏差對(duì)集成運(yùn)放輸出電壓的影響。 三大偏差特點(diǎn)不同。其中輸入失調(diào)電壓可以在運(yùn)放外部加上一定的電壓，來(lái)檢測(cè)其大小或者補(bǔ)償其影響，而輸入偏置電流則不同。輸入偏置電流是運(yùn)放芯片一旦加上電源、輸入端接上電壓信號(hào)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(bǔ)償其影響。7/27/20221. 自身電壓放大倍數(shù)A非無(wú)窮大的影響167頁(yè)圖2.3-31

16、 反相比例運(yùn)算電路(電壓相加負(fù)反饋，即電壓并聯(lián)負(fù)反饋) 因輸入電阻很大,虛斷,R3電流很微小認(rèn)為是零，壓降認(rèn)為是零，則u+=0。 運(yùn)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(wú)窮大時(shí)，u+-u-0，設(shè)u+-u-=uid用熊仔爬山法計(jì)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(gè)輸入電壓在輸入失調(diào)電壓作用下的輸出電壓168頁(yè)圖2.3-32 輸入失調(diào)電壓Uio對(duì)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(duì)輸出電壓的影響就越大。因此，為限制輸入失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af不宜過(guò)大。 不過(guò)，把Uio當(dāng)成一個(gè)輸入電壓，這個(gè)圖事實(shí)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(yè)題2-21圖 消除輸入偏置電流對(duì)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(duì)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