電子技術(shù)第3章-負(fù)反饋放大器與集成運(yùn)算放大器課件

第3章負(fù)反饋放大器與集成運(yùn)算放大器反饋的基本原理集成運(yùn)算放大器本章小結(jié)差分放大器集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用8/3/2023第3章負(fù)反饋放大器與集成運(yùn)算放大器反饋的基本原理集成運(yùn)3.1

反饋的基本原理主要要求：

1.掌握反饋的分類(lèi)及判別2.掌握四類(lèi)基本反饋組態(tài)的特點(diǎn)3.了解負(fù)反饋的對(duì)放大器性能的影響和應(yīng)用8/3/20233.1反饋的基本原理主要要求：1.掌握反饋的分類(lèi)及判別3.1.1

反饋的基本概念將放大電路輸出回路的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定形式的電路（或稱(chēng)作反饋網(wǎng)絡(luò)）回送到輸入回路中，從而影響（增強(qiáng)或削弱）凈輸入信號(hào)，這種信號(hào)的反送過(guò)程稱(chēng)為反饋（Feedback）。輸出回路中反送到輸入回路的那部分信號(hào)稱(chēng)為反饋信號(hào)。ie凈輸入左圖輸出電流ie影響了凈輸入信號(hào)ube，有ube=ui-ieRe。凈輸入uo右圖輸出電壓uo影響了凈輸入信號(hào)ube，有ube=ui-uo。兩電路都存在反饋。8/3/20233.1.1反饋的基本概念將放大電路輸出回路的信號(hào)（電為實(shí)現(xiàn)反饋，必須有一個(gè)既連接輸出回路又連接輸入回路的中間環(huán)節(jié)，稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò)，一般由電阻電容元件組成。引入反饋的放大器叫反饋放大器，也叫閉環(huán)放大器；而未引入反饋的放大器稱(chēng)為開(kāi)環(huán)放大器，也叫基本放大器。

既可表示電壓量也可表示電流量。其中，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益。反饋網(wǎng)絡(luò)回路反饋方框圖信號(hào)疊加符號(hào)8/3/2023為實(shí)現(xiàn)反饋，必須有一個(gè)既連接輸出回路又連接輸入回路的中間環(huán)節(jié)3.1.2

反饋的分類(lèi)及判別1.反饋的分類(lèi)（1）正反饋與負(fù)反饋反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)加強(qiáng)為正反饋；使凈輸入信號(hào)減弱為負(fù)反饋。由于負(fù)反饋具有使輸出信號(hào)趨于穩(wěn)定，易控制的特點(diǎn)，故本章主要討論負(fù)反饋問(wèn)題。（2）直流反饋與交流反饋反饋信號(hào)中只有直流成分，即反饋只對(duì)時(shí)不變量起作用，就稱(chēng)為直流反饋；如果只有交流成分，即反饋只對(duì)時(shí)變量起作用，就稱(chēng)為交流反饋；如果反饋信號(hào)中既有交流分量也有直流分量，則稱(chēng)為交直流反饋。負(fù)反饋衰減正反饋?zhàn)约?/3/20233.1.2反饋的分類(lèi)及判別1.反饋的分類(lèi)（1）正反饋（3）電壓反饋與電流反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，稱(chēng)為電壓反饋，其反饋信號(hào)正比于輸出電壓，其取樣的輸出電路為并聯(lián)連接；如果反饋信號(hào)取自輸出電流，稱(chēng)為電流反饋，其反饋信號(hào)正比于輸出電流，其取樣電路為串聯(lián)連接。輸出并聯(lián)連接輸出串聯(lián)連接8/3/2023（3）電壓反饋與電流反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，稱(chēng)為電壓反饋，（4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋反饋信號(hào)在放大器輸入端以電壓的形式出現(xiàn)，那么在輸入端必定與輸入電路相串聯(lián)，稱(chēng)為串聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)在放大器輸入端以電流的形式出現(xiàn)，那么在輸入端必定與輸入電路相并聯(lián)，稱(chēng)為并聯(lián)反饋。輸入串聯(lián)連接，引入電壓量輸入并聯(lián)連接，引入電流量8/3/2023（4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋反饋信號(hào)在放大器輸入端以電壓的形式出幾種分類(lèi)可相互排列組合構(gòu)成多種反饋形式。但實(shí)際反饋放大器一般有四種基本類(lèi)型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。2.反饋類(lèi)型的判別在判斷反饋的類(lèi)型之前，首先應(yīng)看放大器的輸出與輸入之間有無(wú)電路連接，以便由此確定有無(wú)反饋。（1）正反饋與負(fù)反饋的判別通常采用瞬時(shí)極性判別法來(lái)判別實(shí)際電路反饋極性的正、負(fù)。首先假定輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地而言極性為正，然后由各級(jí)輸入、輸出之間的相位關(guān)系分別推出相關(guān)各點(diǎn)的瞬時(shí)極性（用“+”表示升高，用“-”表示降低），最后判別反映到電路輸入端的作用是加強(qiáng)了輸入信號(hào)還是削弱了輸入信號(hào)。加強(qiáng)為正反饋，削弱了為負(fù)反饋。8/3/2023幾種分類(lèi)可相互排列組合構(gòu)成多種反饋形式。但實(shí)際反饋放大器一般++共射組態(tài)倒相共射組態(tài)倒相共集組態(tài)同相–由第二章的知識(shí)，三極管b入c出e公共為共射組態(tài)，具有倒相放大特性，而三極管b入e出c公共為共集電極組態(tài)，具有同相跟隨特性。由這些已知的放大電路性質(zhì)可判斷各點(diǎn)極性。+8/3/2023++共射組態(tài)倒相共射組態(tài)倒相共集組態(tài)同相–由第二章的知識(shí)，三（2）直流反饋與交流反饋的判斷通過(guò)觀察反饋元件出現(xiàn)在交流通路或直流通路中來(lái)判斷，若出現(xiàn)在交流通路中就屬于交流反饋，若出現(xiàn)于直流通路中則屬于直流反饋。直流反饋交流反饋8/3/2023（2）直流反饋與交流反饋的判斷通過(guò)觀察反饋元件出現(xiàn)在交流通路（3）電壓反饋與電流反饋的判斷通過(guò)負(fù)載短路（uo＝0）法來(lái)判斷其反饋信號(hào)與電壓還是電流成正比。如果負(fù)載短路使得反饋信號(hào)是0，說(shuō)明反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，為電壓反饋；對(duì)應(yīng)當(dāng)uf（＝ieRe）不為0仍存在時(shí)，則為電流反饋。uf=0uf≠0電壓反饋電流反饋8/3/2023（3）電壓反饋與電流反饋的判斷通過(guò)負(fù)載短路（uo＝0）法來(lái)判（4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是串接在基本放大器輸入端則為串聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是并接在基本放大器輸入端，則為并聯(lián)反饋。利用反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷。引入電流量if引入電壓量uf并聯(lián)反饋電流反饋8/3/2023（4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是串接在基本放大器3.1.3

四類(lèi)基本反饋組態(tài)的識(shí)別和分析1.電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸出電壓uo的一部分被送回第一級(jí)放大器輸入端，反饋元件Rf（Cf在交流支路中作用同導(dǎo)線）與Re1組成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。交流通路Re1上壓降為反饋信號(hào)：ube上壓降為凈輸入信號(hào)8/3/20233.1.3四類(lèi)基本反饋組態(tài)的識(shí)別和分析1.電壓串聯(lián)負(fù)反uf=0,電壓反饋引入電壓量uf，串聯(lián)反饋++–++輸出短路法判斷為電壓反饋；反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷為串聯(lián)反饋；瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)，uf與ui同相變化大小，而凈輸入ube＝ui－uf，故反饋削弱輸入信號(hào)，為負(fù)反饋。電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓作用，穩(wěn)定過(guò)程如下：電壓串聯(lián)負(fù)反饋8/3/2023uf=0,電壓反饋引入電壓量uf，串聯(lián)反饋++–++輸出短路2.電壓并聯(lián)負(fù)反饋交流通路反饋元件為Rf，跨接在輸出與輸入回路之間，將放大器的輸出電壓引入到輸入回路中（晶體管VT的基極）。8/3/20232.電壓并聯(lián)負(fù)反饋交流通路反饋元件為Rf，跨接在輸出與輸入回?zé)o反饋信號(hào)，電壓反饋引入電流量if，串聯(lián)反饋++––輸出短路法判斷為電壓反饋；反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷為并聯(lián)反饋；瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)，if與ui倒相變化，而凈輸入ib＝ii－if，故反饋削弱輸入信號(hào)，為負(fù)反饋。電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓負(fù)反饋之所以能穩(wěn)定輸出電壓，是因?yàn)榉答佋谳敵龌芈啡拥男盘?hào)類(lèi)型是電壓量。8/3/2023無(wú)反饋信號(hào)引入電流量if，串聯(lián)反饋++––輸出短路法判斷為電3.電流串聯(lián)負(fù)反饋交流通路反饋元件為Re，跨接在輸出與輸入回路之間，將放大器的輸出電流的部分轉(zhuǎn)化為電壓以影響凈輸入ube。8/3/20233.電流串聯(lián)負(fù)反饋交流通路反饋元件為Re，跨接在輸出與輸入回仍有uf≠0，電壓反饋引入電壓量uf，串聯(lián)反饋+++電流串聯(lián)負(fù)反饋輸出短路法判斷為電流反饋；反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷為串聯(lián)反饋；瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)，uf與ui同相變化，而凈輸入ube＝ui－uf，故反饋削弱輸入信號(hào)，為負(fù)反饋。電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流作用，穩(wěn)定過(guò)程如下：8/3/2023仍有uf≠0引入電壓量uf，串聯(lián)反饋+++電流串聯(lián)負(fù)反饋輸出4.電流并聯(lián)負(fù)反饋交流通路Rf是反饋元件，它將第二級(jí)VT2的輸出與第一級(jí)VT1的輸入回路聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成反饋。由交流通路，可知反饋信號(hào)與輸出電流之間的關(guān)系：8/3/20234.電流并聯(lián)負(fù)反饋交流通路Rf是反饋元件，它將第二級(jí)VT2的輸出短路法判斷為電流反饋；反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷為并聯(lián)反饋；瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)，if與ui倒相變化，而凈輸入ib＝ii－if，故反饋削弱輸入信號(hào)，為負(fù)反饋。電流負(fù)反饋之所以能穩(wěn)定輸出電流，是因?yàn)榉答佋谳敵龌芈啡拥男盘?hào)類(lèi)型是電流量。仍有if≠0，電壓反饋引入電流量if，并聯(lián)反饋++––––電流并聯(lián)負(fù)反饋8/3/2023輸出短路法判斷為電流反饋；反饋節(jié)點(diǎn)接地法判斷為并聯(lián)反饋；瞬時(shí)3.1.4

負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響1.負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)可見(jiàn)，閉環(huán)增益Af是開(kāi)環(huán)增益A的（1＋AF）分之一，反饋深度表示了反饋影響的程度。8/3/20233.1.4負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響1.負(fù)反饋放大2.四類(lèi)基本負(fù)反饋放大器中參量的意義電流串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電壓串聯(lián)

參數(shù)類(lèi)型閉環(huán)增益反饋系數(shù)開(kāi)環(huán)增益反饋信號(hào)輸出信號(hào)8/3/20232.四類(lèi)基本負(fù)反饋放大器中參量的意義電流串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并3.負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響（1）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性當(dāng)元件老化或更換、電源不穩(wěn)、負(fù)載變化及環(huán)境溫度變化時(shí)，都會(huì)引起一般放大器的放大倍數(shù)發(fā)生變化，通常要加入負(fù)反饋以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。即可得可見(jiàn)，相對(duì)開(kāi)環(huán)增益的變化量dA/A，閉環(huán)增益dAf/Af只變化了（1+AF）分之一，雖然增益倍數(shù)下降至1/（1+AF），但穩(wěn)定性卻提高了（1+AF）倍。8/3/20233.負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響（1）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性當(dāng)元（2）展寬通頻帶由于電路電抗元件的存在，以及晶體管本身結(jié)電容的存在，造成放大器放大倍數(shù)隨頻率變化，即存在某一頻率段（通頻帶）增益較穩(wěn)定，低于或高于此頻率段的截止頻率則增益迅速下降。無(wú)反饋的放大通頻帶加負(fù)反饋后通頻帶展寬放大器的增益－頻率幅頻特性引入負(fù)反饋后，就可以利用負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)整作用將通頻帶（fbwf）展寬。具體來(lái)說(shuō)，中頻段增益高，反饋信號(hào)就強(qiáng)，負(fù)反饋使中頻段增益明顯降低；而高頻段與低頻段增益小，反饋信號(hào)也弱，凈輸入下降得也少，使得幅頻特性平坦。8/3/2023（2）展寬通頻帶由于電路電抗元件的存在，以及晶體管本身結(jié)電容（3）減小非線性失真非線性失真是放大器件的非線性引起的。一個(gè)無(wú)反饋的放大器雖然設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，但當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性失真。例如標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸入會(huì)輸出前半周大、后半周小的失真波形（a圖）。引入負(fù)反饋后，就可以利用負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)整作用將非線性失真減小。具體來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)增益前半周高，反饋信號(hào)就強(qiáng)，負(fù)反饋使前半周增益明顯降低；而開(kāi)環(huán)后半周增益小，反饋信號(hào)也弱，凈輸入下降得也少，使得輸出前后半周趨于一致。8/3/2023（3）減小非線性失真非線性失真是放大器件的非線性引起的。一個(gè)（4）改變輸入電阻和輸出電阻①對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)負(fù)反饋時(shí)：圖中ri為無(wú)反饋時(shí)輸入電阻，rif為加入負(fù)反饋后的輸入電阻。并聯(lián)負(fù)反饋時(shí)：8/3/2023（4）改變輸入電阻和輸出電阻①對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)負(fù)反饋時(shí)：②對(duì)輸出電阻的影響電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即是電壓負(fù)反饋放大器具有恒壓源的性質(zhì)，因此引入電壓負(fù)反饋后的輸出電阻rof要比無(wú)反饋時(shí)的輸出電阻ro小。同理，電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即是電流負(fù)反饋放大器具有恒壓流的性質(zhì)，因此rof要比ro大。

負(fù)反饋類(lèi)型電阻類(lèi)別電壓串聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)輸入電阻增大減小增大減小輸出電阻減小減小增大增大8/3/2023②對(duì)輸出電阻的影響電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即是電壓3.2基本差分放大器主要要求：

1.掌握差分放大器的作用2.掌握差分放大器的工作原理及特點(diǎn)3.了解差分放大器的幾種實(shí)際應(yīng)用電路8/3/20233.2基本差分放大器主要要求：1.掌握差分放大器的作用3.2.1基本差分放大器1.基本差分放大器組成及抑制零漂的原理虛線兩邊的電路完全對(duì)稱(chēng)，且兩個(gè)三級(jí)管參數(shù)完全相同。雖然每只管子的零漂并未減少，但兩管各自的零漂電壓相同，在輸出端可以抵消，因而零漂被抑制掉。完全對(duì)稱(chēng)8/3/20233.2.1基本差分放大器1.基本差分放大器組成及抑2.輸入信號(hào)類(lèi)型及差模電壓放大倍數(shù)基本差分放大器的輸入信號(hào)可以分為共模信號(hào)和差模信號(hào)兩種。uI1與uI2大小相等、極性相同的部分為共模信號(hào)分量，用uIC表示。而uI1=uI2時(shí)為共模輸入狀態(tài)。因電路對(duì)稱(chēng)，所以此時(shí)輸出電壓uOC恒為零，這與輸入信號(hào)為零（靜態(tài)）的輸出結(jié)果相同，說(shuō)明差分放大器對(duì)共模信號(hào)有抑制能力，而對(duì)稱(chēng)且相近兩管的零漂就相當(dāng)于共模信號(hào)。共模輸入狀態(tài)8/3/20232.輸入信號(hào)類(lèi)型及差模電壓放大倍數(shù)基本差分放大器的輸入信號(hào)正常輸入中uI1與uI2不同的部分為差模信號(hào)分量，用uID表示。在放大器兩輸入端輸入大小相等、方向相反的信號(hào)，即uI1=–uI2，為差模輸入狀態(tài)。有uI1=uID/2，uI2=?uID/2。設(shè)兩管放大倍數(shù)分別為A1、A2，集電極輸出電壓分別為uO1、uO2，有而電路對(duì)稱(chēng)有A1=A2=A差模輸入狀態(tài)8/3/2023正常輸入中uI1與uI2不同的部分為差模信號(hào)分量，用uID表所以，差模放大倍數(shù)與單管共射放大器的電壓放大倍數(shù)相同。而一般有Rb>>rbe有負(fù)載RL時(shí)兩管集電極輸出一正一負(fù)、大小相同，則RL中間點(diǎn)為交流接地。差模輸入的差放8/3/2023所以，差模放大倍數(shù)與單管共射放大器的電壓放大倍數(shù)相同。而一般放大器的輸入回路經(jīng)過(guò)兩個(gè)管子的發(fā)射結(jié)和RS，故輸入電阻為放大器的輸出端經(jīng)過(guò)兩個(gè)Rc，故輸入電阻為差分電路對(duì)共模信號(hào)無(wú)放大、對(duì)差模信號(hào)有放大。說(shuō)明只有輸入有差別輸出才有變動(dòng)，即放大差模分量、抑制共模分量。3.共模抑制比表明差分放大器放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)的能力，定義為共模抑制比越大放大差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，抑制共模信號(hào)的能力也越強(qiáng)，理想狀況下KCMR趨于∞，一般為40~60dB。8/3/2023放大器的輸入回路經(jīng)過(guò)兩個(gè)管子的發(fā)射結(jié)和RS，故輸入電阻為放大3.3

集成運(yùn)算放大器主要要求：

1.了解集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)組成2.了解各級(jí)組成模塊的作用及工作原理3.了解集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)8/3/20233.3集成運(yùn)算放大器主要要求：1.了解集成運(yùn)算放大器的將晶體管、二極管、電阻的元件及連線全部幾種制造在同一塊半導(dǎo)體基片上，成為一個(gè)完整的固體電路，通稱(chēng)為集成電路。與分立器件相比具有以下特點(diǎn)：在同一硅片上采用相同工藝制造，特別適用于制造對(duì)稱(chēng)性高的電路（如差分放大器）。電阻元件阻值范圍受到局限，制造過(guò)高或過(guò)低阻值電阻困難較大，一般采用恒流源代替所需高值電阻。難于制造幾十皮法以上電容，更難于制造電感元件，常常利用直接耦合方式可以減少或避免使用大電容、電感。二極管利用集電極和基極短接的三極管代替，主要是因?yàn)榕c其他三極管ube溫度系數(shù)相近，溫度補(bǔ)償性較好。3.3.1

運(yùn)算放大器概述8/3/2023將晶體管、二極管、電阻的元件及連線全部幾種制造在同一塊半導(dǎo)體集成電路的常見(jiàn)外形主要有以下三種：集成電路按功能的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路。模擬集成電路中集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最為廣泛的器件，簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放。集成運(yùn)方符號(hào)它有兩個(gè)輸入端：同相端標(biāo)為“+”，其信號(hào)極性與輸出信號(hào)相同；反相端標(biāo)為“–”，其信號(hào)極性與輸出信號(hào)相反。引腳因型號(hào)各異。8/3/2023集成電路的常見(jiàn)外形主要有以下三種：集成電路按功能的不同，可以3.3.2

集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成國(guó)產(chǎn)F007運(yùn)放電路原理圖輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路典型實(shí)例8/3/20233.3.2集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成國(guó)產(chǎn)F007運(yùn)放電F007運(yùn)放結(jié)構(gòu)框圖F007（μA741）共有9個(gè)引腳，2、3為輸入端，6為信號(hào)輸出端，7、4為正負(fù)電源端，1和5為調(diào)零電位器接線端，8、9為消除自激補(bǔ)償端。F007的引腳一般的運(yùn)放都由輸入級(jí)、中間級(jí)、偏置電路和輸出級(jí)四部分組成。8/3/2023F007運(yùn)放結(jié)構(gòu)框圖F007（μA741）共有9個(gè)引腳，2、1.輸入級(jí)F007（μA741）的輸入級(jí)電路為共集–共基復(fù)合差分放大器，差模信號(hào)由VT1、VT2基極輸入，VT5、VT6構(gòu)成VT3、VT4的有源負(fù)載，VT7不但向VT5、VT6提供偏流，還提高了電壓放大倍數(shù)。輸入級(jí)對(duì)于提高運(yùn)放整體質(zhì)量至關(guān)重要，輸入電阻、輸入電壓（包括差模、共模）范圍、共模抑制比以及電壓放大倍數(shù)等重要參數(shù)，輸入級(jí)都起著決定性作用。共集–共基阻態(tài)差模輸入電阻可達(dá)1MΩ8/3/20231.輸入級(jí)F007（μA741）的輸入級(jí)電路為共集–共基復(fù)合2.偏置電路集成電路中的偏置電路一般采用恒流源電路。主要是鏡像電流源及微電流源。（1）鏡像電流源電路VT1、VT2兩管參數(shù)相同，有輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，只取決于基準(zhǔn)電流IR，提高了溫度穩(wěn)定性。8/3/20232.偏置電路集成電路中的偏置電路一般采用恒流源電路。主要是鏡（2）微電流源電路鏡像電流源的不足在于當(dāng)需要微小輸出電流時(shí)，電阻R要很大，在集成電路中較難實(shí)現(xiàn)，微電流源針對(duì)這種需求作了改進(jìn)。較小電阻實(shí)現(xiàn)微電流輸出兩管對(duì)稱(chēng)，有IS1=IS2，得當(dāng)常溫UT=26mV，IC1=1mA，IC2=10μA時(shí)，Re=12KΩ。Re的負(fù)反饋?zhàn)饔檬箿囟鹊挠绊懜　?/3/2023（2）微電流源電路鏡像電流源的不足在于當(dāng)需要微小輸出電流時(shí)，F(xiàn)007的偏置電路由VT8至VT13以及R4、R5組成，其中有三對(duì)鏡像（微）電流源：VT8與VT9，VT10與VT11，VT12與VT13。設(shè)流過(guò)R5的電流為IR，有可見(jiàn)，IR基本上恒流。VT8、VT9與恒流源VT10組成共模負(fù)反饋，可以穩(wěn)定IC3和IC4。從而提高了共模抑制比。8/3/2023F007的偏置電路由VT8至VT13以及R4、R5組成，其中3.中間級(jí)VT16和VT17組成復(fù)合管共射放大電路。其輸入電阻較大，輸出負(fù)載由恒流源VT13組成，放大倍數(shù)可高達(dá)1000倍，為了消除自激，還在⑧⑨間外接30pF的補(bǔ)償電容一只。4.輸出級(jí)VT18、VT19構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。為防止功放管電流過(guò)大造成損壞，設(shè)置VD1、VD2組成過(guò)載保護(hù)電路。過(guò)載保護(hù)電路8/3/20233.中間級(jí)VT16和VT17組成復(fù)合管共射放大電路。其輸入電3.3.3

集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AodAod是集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)時(shí)（無(wú)外加反饋時(shí)）輸出電壓與輸入差模信號(hào)電壓之比，常用分貝（dB）表示，目前最高可達(dá)140dB。2.輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂dUIO/dT一般運(yùn)放輸入電壓為0時(shí)輸出并不為0，即零漂現(xiàn)象，若在輸入端外加一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓使輸出為0V，則此外加電壓稱(chēng)之為輸入失調(diào)電壓UIO。UIO反映零漂程度，受溫度影響，以其對(duì)溫度的變化率dUIO/dT來(lái)表征受溫度影響的程度，單位μV/℃。3.輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂dIIO/dTIIO用于表征輸入級(jí)差分對(duì)管的電流不對(duì)稱(chēng)所造成的影響，以IIO＝|IB1-IB2|表示。IIO也隨溫度變化，以變化率dIIO/dT表征，單位nA/℃，質(zhì)量高的可達(dá)pA/℃數(shù)量級(jí)。8/3/20233.3.3集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)1.開(kāi)環(huán)差模電壓放4.輸入偏置電流IIBIIB為常溫下輸入信號(hào)為零時(shí)，兩輸入端靜態(tài)電流的平均值，即IIB＝(IB1+IB2)/2，它是衡量差分對(duì)管輸入電流絕對(duì)值大小的標(biāo)志。IIB對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)、溫漂和運(yùn)算精度都有較大影響。一般幾百納安，好的幾納安。5.差模輸入電阻ridrid是集成運(yùn)放兩輸入端之間的動(dòng)態(tài)電阻，以rid＝ΔuID/ΔiI表示，是衡量信號(hào)源索取電流大小的標(biāo)志，一般為M?數(shù)量級(jí)。以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為輸入級(jí)的可達(dá)106M?。6.輸出電阻roro是運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作時(shí)，從輸出端等效的電阻，標(biāo)明帶負(fù)載能力。值越小帶負(fù)載能力越強(qiáng)。8/3/20234.輸入偏置電流IIBIIB為常溫下輸入信號(hào)為零時(shí)，兩輸入端8.最大差模輸入電壓UIDMUIDM是指同相輸入端“+”和反相輸入端“?”之間所能承受的最大電壓值。所加電壓若超過(guò)UIDM則可能使輸入級(jí)的晶體管反相擊穿而損壞。7.共模抑制比KCMRKCMR是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)只比，即KCMR＝|Aod/Aoc|,一般以分貝表達(dá)，KCMR＝20lg(|Aod/Aoc|)，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)160dB。9.最大共模輸入電壓UICMUICM是集成運(yùn)放在線性工作范圍內(nèi)所能承受的最大共模輸入電壓。若超過(guò)此值會(huì)出現(xiàn)KCMR下降，失去差模放大能力的問(wèn)題。高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)正負(fù)十幾伏。除上述指標(biāo)外，還有最大輸出電壓幅值、帶寬、轉(zhuǎn)換速率、信噪比等參數(shù)。8/3/20238.最大差模輸入電壓UIDMUIDM是指同相輸入端“+”和反3.4

集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用主要要求：

1.掌握集成運(yùn)放的分析方法2.掌握基本運(yùn)算電路的組成及特性3.了解運(yùn)算放大器應(yīng)用及實(shí)際問(wèn)題8/3/20233.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用主要要求：1.掌握集成運(yùn)放的3.4.1

理想集成運(yùn)放及其分析方法在分析集成運(yùn)放組成的各種電路時(shí)，將實(shí)際運(yùn)放作為理想運(yùn)放來(lái)處理。集成運(yùn)放有兩種工作狀態(tài)：線性與非線性。1.理想集成運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=∞輸入電阻rid=∞輸出電阻ro=0共模抑制比KCMR=∞失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的溫漂均為0帶寬fh=∞8/3/20233.4.1理想集成運(yùn)放及其分析方法在分析集成運(yùn)放組2.集成運(yùn)放的線性區(qū)與非線性區(qū)（1）線性區(qū)為了使運(yùn)放工作在線性區(qū)，集成運(yùn)放外圍都接有深度負(fù)反饋，以減小其凈輸入電壓，從而使其輸出電壓不超出線性范圍。有兩條基本結(jié)論：稱(chēng)之為“虛短”現(xiàn)象，即同相端“+”與反相端“–”電位相同，但并非真正短路，即兩端之間無(wú)電流導(dǎo)通。稱(chēng)之為“虛斷”現(xiàn)象，即同相端“+”與反相端“–”輸入趨于零，但并非真正斷路，即兩端之間可能無(wú)壓差。8/3/20232.集成運(yùn)放的線性區(qū)與非線性區(qū)（1）線性區(qū)為了使運(yùn)放工作在（2）非線性區(qū)由于開(kāi)環(huán)增益Aod很大，當(dāng)集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)或接有正反饋時(shí)，只要有差模輸入，哪怕很微小都使輸出立即達(dá)到正向飽和電壓Uom或負(fù)向飽和電壓–Uom，數(shù)值上接近正、負(fù)電源電壓。也有兩條基本結(jié)論：非線性狀態(tài)也滿足“虛斷”，因?yàn)榇藭r(shí)運(yùn)放仍然理想，rid趨于∞。8/3/2023（2）非線性區(qū)由于開(kāi)環(huán)增益Aod很大，當(dāng)集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)3.4.2

基本運(yùn)算電路1.比例運(yùn)算（1）反相比例運(yùn)算運(yùn)算電路故R2上無(wú)電流，由歐姆定律，R2上無(wú)壓降，u+=0V，u–=u+=0V，有“虛地”現(xiàn)象?！疤摰亍笔侵阜聪喽恕皑C”也為地電位，但并未真正接地，即無(wú)瀉電流。此為反相比例運(yùn)算的重要特征。8/3/20233.4.2基本運(yùn)算電路1.比例運(yùn)算（1）反相比例運(yùn)運(yùn)算電路“-”端0V，虛地由虛斷概念，iI–=0，有當(dāng)Rf=R1=R時(shí)，Auf=?1，這種電路成為反相器。R2電阻是為了保持運(yùn)放輸入級(jí)差放的靜態(tài)平衡而設(shè)置的。靜態(tài)下輸入輸出都為零，R1與Rf相當(dāng)于并聯(lián)接地，而R2=R1//Rf時(shí)電路平衡。故稱(chēng)作“平衡電阻”。8/3/2023運(yùn)算電路“-”端0V由虛斷概念，iI–=0，有當(dāng)Rf=R1=反相比例電路由于u–=0，比例電路輸入電阻為一般R1值不能過(guò)大，否則在要求Auf較大時(shí)Rf需要更大，大電阻很難精確制成，且受溫度影響較大，影響整體系統(tǒng)精度。由于電路為電壓負(fù)反饋而rof為開(kāi)環(huán)輸出電阻，其值不會(huì)很大，有8/3/2023反相比例電路由于u–=0，比例電路輸入電阻為一般R1值不能過(guò)例3.4.1已知R1=10K?，Rf=500K?，求電壓放大倍數(shù)Auf，輸入電阻rif和平衡電阻R2。[解]由上述反相比例電路的結(jié)論8/3/2023例3.4.1已知R1=10K?，Rf=500K?，求電壓放大（2）同相比例運(yùn)算電流通路由R1、Rf組成負(fù)反饋，R2電阻是平衡電阻，R2=R1//Rf?！?”端電位為uI運(yùn)算電路當(dāng)Rf=0或R1=∞時(shí)，Auf=1，這種電路稱(chēng)為電壓跟隨器，又因?yàn)槭请妷捍?lián)負(fù)反饋，有rif≈∞，ro≈0，故常常用作為于隔離級(jí)。8/3/2023（2）同相比例運(yùn)算電流通路由R1、Rf組成負(fù)反饋，R2電阻是2.加法、減法運(yùn)算（1）反相加法運(yùn)算運(yùn)算電路電流通路“-”端0V，虛地當(dāng)Rf=R1=R2=R3=R時(shí)解法一8/3/20232.加法、減法運(yùn)算（1）反相加法運(yùn)算運(yùn)算電路電流通路“-”電流通路“-”端0V，虛地解法二由疊加定理，設(shè)只有uI1輸入同理，設(shè)只uI2、uI3輸入時(shí)所以當(dāng)uI1、uI2、uI3均存在時(shí)注意：疊加定理必須在線性狀態(tài)下才適用，即集成運(yùn)放在外接負(fù)反饋條件下，才能用疊加定理分析法，在非線性狀態(tài)下疊加定理不成立！8/3/2023電流通路“-”端0V，虛地解法二由疊加定理，設(shè)只有uI1輸入（2）同相加法運(yùn)算運(yùn)算電路電流通路虛短，兩點(diǎn)電位相同由iI＋＝0有式中R＝R2//R3//R4u-u+8/3/2023（2）同相加法運(yùn)算運(yùn)算電路電流通路虛短，兩點(diǎn)電位相同由iI＋（3）減法運(yùn)算差分輸入放大器電流通路u+u-整理可得當(dāng)R1＝R2，R3＝Rf時(shí)又當(dāng)R1＝Rf時(shí)，有上述結(jié)論也可利用疊加定理來(lái)導(dǎo)出。8/3/2023（3）減法運(yùn)算差分輸入放大器電流通路u+u-整理可得當(dāng)R1例3.4.2已知R1=R2=10K?，R3=Rf=100K?，uI1=1.6V，uI2=1.2V，求電壓放大倍數(shù)Auf，以及輸出電壓。[解]由上頁(yè)結(jié)論，電路外接電阻滿足R1＝R2，R3＝Rf，有輸出電壓為差分減法電路8/3/2023例3.4.2已知R1=R2=10K?，R3=Rf=100K?3.積分、微分運(yùn)算（1）積分運(yùn)算電路與反相比例相似，電容C代替了Rf而已，R2電阻是平衡電阻，R2=R1。由“虛短”“虛斷”可知輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，R1C為積分時(shí)間常數(shù)，越大積分作用越強(qiáng)。輸出uo有限定，超過(guò)±UOM，則運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)域，上式不成立。8/3/20233.積分、微分運(yùn)算（1）積分運(yùn)算電路與反相比例相似，電容C[解]由上頁(yè)結(jié)論積分運(yùn)算電路例3.4.3已知R1=20K?，C=1μF，uI為一正向階躍電壓運(yùn)放最大輸出電壓UOM＝±15V，求t≥0范圍內(nèi)uo與uI的運(yùn)算關(guān)系，并畫(huà)出波形圖。當(dāng)uo＝UOM＝－15V時(shí)輸出波形線性區(qū)域非線性區(qū)域8/3/2023[解]由上頁(yè)結(jié)論積分運(yùn)算電路例3.4.3已知R1=20K?，（2）微分運(yùn)算微分為積分的逆運(yùn)算，電容C和R1互換位置即成為微分電路。RfC為微分時(shí)間常數(shù)，RfC越大，微分作用越強(qiáng)。由于C的存在，使其對(duì)高頻干擾及噪聲敏感，影響輸出質(zhì)量，且易有自激現(xiàn)象產(chǎn)生，可以改進(jìn)電路如右圖8/3/2023（2）微分運(yùn)算微分為積分的逆運(yùn)算，電容C和R1互換位置即成為3.4.3信號(hào)處理電路1.有源濾波器（1）低通濾波器低通濾波器是指低頻信號(hào)能通過(guò)而高頻信號(hào)不能通過(guò)的濾波器。濾波器是一種能使部分頻率的信號(hào)順利通過(guò)而其他頻率的信號(hào)受到很大衰減的裝置，在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等方面廣泛應(yīng)用。同相端輸入的濾波器反相端輸入的濾波器8/3/20233.4.3信號(hào)處理電路1.有源濾波器（1）低通濾波器低通濾由“虛短”“虛斷”有u+u-虛短，兩點(diǎn)電位相同由同相比例分析的結(jié)論，可知故有一階低通濾波器的幅頻特性低頻通過(guò)高頻衰減8/3/2023由“虛短”“虛斷”有u+u-虛短，兩點(diǎn)電位相同由同相比例分析由反相輸入分析的結(jié)論，可知一階低通濾波器的幅頻特性低頻通過(guò)高頻衰減其中，f0＝ω0/2π稱(chēng)為截至頻率，高于此頻率的信號(hào)衰減20dB/十倍頻程。8/3/2023由反相輸入分析的結(jié)論，可知一階低通濾波器的幅頻特性低頻高頻其為了提高濾波效果，可以再加上一節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成二階低通電路。這樣高頻信號(hào)衰減速度更快，為-40dB/十倍頻程。運(yùn)算電路圖幅頻特性引入反饋，加強(qiáng)高頻段衰減程度8/3/2023為了提高濾波效果，可以再加上一節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成二階低通電路。（2）高通濾波器低通濾波器即是高頻信號(hào)能通過(guò)而低頻信號(hào)不能通過(guò)的濾波器。將低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容互換，即成為高通。運(yùn)算電路圖幅頻特性高頻通過(guò)低頻衰減8/3/2023（2）高通濾波器低通濾波器即是高頻信號(hào)能通過(guò)而低頻信號(hào)不能通2.電壓比較器電壓比較器是將輸入電壓與另一個(gè)參考電壓進(jìn)行幅度比較，由輸出狀態(tài)反映結(jié)果的電路。它能夠鑒別輸入電平的相對(duì)大小。（1）過(guò)零比較器電路圖傳輸特性雙向穩(wěn)壓器，由反相串聯(lián)的穩(wěn)壓管組成雙向穩(wěn)壓器使得輸出只有兩個(gè)值UZ和?UZ。UZ是穩(wěn)壓電壓。8/3/20232.電壓比較器電壓比較器是將輸入電壓與另一個(gè)參考電壓進(jìn)行幅度uI<0uI>0當(dāng)uI>0時(shí)，u–>0，uo＝–UZ；當(dāng)uI<0時(shí)，u–<0，uo＝+UZ?？梢?jiàn)，uI＝0處是輸出電壓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)輸入正弦波，則輸出負(fù)相矩形波。波形圖8/3/2023uI<0uI>0當(dāng)uI>0時(shí)，u–>0，uo＝–UZ；可見(jiàn)，在反相端另接一個(gè)固定電壓UREF則成為電平檢測(cè)比較器。由疊加定理當(dāng)uI>UT時(shí)，u–>0，uo＝–UZ；當(dāng)uI<UT時(shí)，u–<0，uo＝+UZ。電路圖傳輸特性8/3/2023在反相端另接一個(gè)固定電壓UREF則成為電平檢測(cè)比較器。由疊加（2）遲滯比較器過(guò)零比較器非常靈敏，但抗干擾能力較差，當(dāng)輸入電壓于參考電壓附近時(shí)，輸出會(huì)在正負(fù)飽和輸出間跳躍，易造成誤動(dòng)作。引入正反饋到同相端，使比較參考電壓隨著輸出電壓變化，從而達(dá)到移動(dòng)過(guò)零點(diǎn)的目的。電路圖傳輸特性8/3/2023（2）遲滯比較器過(guò)零比較器非常靈敏，但抗干擾能力較差，當(dāng)輸入由理想運(yùn)放“虛斷”電路圖傳輸特性可見(jiàn)，輸出為正，uI與UT比較；輸出為負(fù)，則uI與－UT比較，產(chǎn)生比較基準(zhǔn)隨輸出變化的遲滯回差。uI上升趨勢(shì)時(shí)uI下降趨勢(shì)時(shí)回差8/3/2023由理想運(yùn)放“虛斷”電路圖傳輸特性可見(jiàn)，輸出為正，uI與UT比[解]遲滯比較電路例3.4.4已知R1=20K?，R2=100K?，雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為UZ＝6V，試畫(huà)出UREF＝0V和6V時(shí)的傳輸特性。UREF=0V傳輸特性UREF=6V傳輸特性由上頁(yè)結(jié)論，當(dāng)UREF＝0V時(shí)當(dāng)UREF＝6V時(shí)有UT1＝6V，UT2＝4V8/3/2023[解]遲滯比較電路例3.4.4已知R1=20K?，R2=103.4.4波形發(fā)生器1.矩形波發(fā)生器遲滯比較器（正反饋）RC充放電回路（負(fù)反饋）電路圖由遲滯比較器的分析uC與±UT的比較結(jié)果影響uo極性設(shè)uo＝+UZ，而C未充電，uC<+UT，uo經(jīng)Rf給C充電，其間只要uC<+UT，則維持+UZ輸出不變。由遲滯比較器的傳輸特性曲線，當(dāng)充電uC>+UT時(shí)，輸出變?yōu)楱CUZ，而uR2＝－UZ，C將通過(guò)Rf放電，uC降到－UZ以下將重復(fù)充電過(guò)程，如此往復(fù)輸出矩形波。波形圖8/3/20233.4.4波形發(fā)生器1.矩形波發(fā)生器遲滯比較器RC充放2.三角波發(fā)生器遲滯比較器A1反相積分器A2由疊加原理，A1同相端輸入電壓u＋為式中，uo1為A1輸出電壓，其值等于±UZ。當(dāng)uo1＝+UZ