差動放大電路及運放課件

(4-*)

差動放大電路及運放

(4-*)4.1.1直接耦合電路因為電容的隔直作用以及低頻時容抗加大，所以阻容耦合只適用于放大頻率較高的交流信號。對于直流信號和低頻信號，阻容耦合已不適用，必須采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能夠放大直流信號（包括慢變信號和低頻信號）的放大器稱為直流放大器。(4-*)+UCCuoRC2T21.前后級Q點相互影響。（須增加RE2）問題:uiRC1R1T1R2RE22.零點漂移:前一級的溫漂將作為后一級的輸入信號，被一級級放大，導(dǎo)致后級飽和或截止。（須增加兩級之間的直流負(fù)反饋）直接耦合放大器的級聯(lián)(4-*)1.結(jié)構(gòu):對稱性結(jié)構(gòu)4.1.2基本型差動放大器+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2(4-*)2.優(yōu)點：抑制溫漂原理如下:uo=uC1-uC2

=0uo=(uC1+

uC1

)-(uC2+

uC2)=0當(dāng)ui1

=

ui2

=0時，當(dāng)溫度變化時：對稱性uC1=uC2

uC1=

uC2+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2(4-*)3.共模電壓放大倍數(shù)ACuo=uC1-uC2

+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2

當(dāng)ui1=ui2（大小相等，極性相同），共模輸入信號

設(shè)ui1

，ui2

，使uC1

，uC2

。因ui1=ui2，

uC1=uC2

uo=0(理想化)。但因兩側(cè)不完全對稱，uo≠0共模電壓放大倍數(shù)AC=uoui1（很小，<1)(4-*)+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC24.差模電壓放大倍數(shù)Ad

當(dāng)ui1=-ui2（大小相等，極性相反），差模輸入信號

(很大，>1)設(shè)ui1,ui2,使uC1,uC2

。設(shè)uC1=uC1-

uC1,uC2=uC2+

uC2

。因ui1=-ui2，

uC1=

uC2

uo=uC1-uC2=-

uC1-

uC2=-2

uC1

差模電壓放大倍數(shù)Ad=uoui1-ui2=uo2ui1

(4-*)5.共模抑制比(CMRR)的定義CMRR=20logdb(分貝)ACAd例:Ad=-200Ac=0.1CMRR=20log(-200)/0.1=66dbCMRR—CommonModeRejectionRatio(4-*)1.結(jié)構(gòu):4.1.3雙電源長尾式差放特點：加入射極電阻RE加入負(fù)電源-UEE，采用正負(fù)雙電源供電+UCC(+15V)RCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2-UEE（-15V）RE(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）RE2.雙電源長尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用雙電源的作用：（1）使信號變化幅度加大。（2）IB1、IB2由負(fù)電源-UEE提供，可以取消R1和RB四個電阻，且使基極的直流靜態(tài)電位=0(4-*)雙電源長尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用射極電阻RE的作用：T°C

IC1

IC2

IE

=IC1+IC2UE

=IERE+（-UEE）UBE1

、UBE2

IB1

、IB2

IC1

IC2

uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(4-*)射極電阻RE的作用：（2）RE對共模信號有抑制作用（原理同上，即由于RE的負(fù)反饋作用，使IE基本不變）（3）RE對差模信號相當(dāng)于短路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REIEui1=-ui2，設(shè)ui1

,ui2

ib1

,ib2

ie1

,ie2

ie1=-ie2

IE不變

結(jié)論：IE具有恒流特性用恒流源代替RE

，可使電路進(jìn)一步改善(4-*)放大倍數(shù)(1)共模信號輸入ui1=ui2共模電壓放大倍數(shù)AC=uoui1(2)差模信號輸入ui1=-ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2差模電壓放大倍數(shù)Ad=uoui1-ui2=–

RCrbe

(4-*)放大倍數(shù)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2(3)如果ui1≠

ui2ud差模分量:2ui1-

ui2=共模分量:uC2ui1

+

ui2=ui1

=uC+

udui2=uC-

ud

疊加分解uC+

uduC-

ud結(jié)論:當(dāng)兩輸入端有任意輸入時,相當(dāng)于共模輸入和差模輸入共存(4-*)放大倍數(shù)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2uC+

uduC-

ud只考慮共模輸入時:uoC=ACuC只考慮差模輸入時:

uod=Ad(2ud)總輸出:

uo=uoC+uod=ACuC+Ad(2ud)

Ad(2ud)=Ad(2

)=Ad(ui1-

ui2)2ui1-

ui2ud2ui1-

ui2=uC2ui1

+

ui2=(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2總輸出:

uo=Ad(ui1-

ui2)反相輸入端u-同相輸入端u_+放大倍數(shù)單端輸入:當(dāng)ui2=0時,雙端輸入uo=Adui1(4-*)§4.2負(fù)反饋凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為反饋。若引回的信號削弱了輸入信號，就稱為負(fù)反饋。若引回的信號增強了輸入信號，就稱為正反饋。這里所說的信號一般是指交流信號，所以判斷正負(fù)反饋，就要判斷反饋信號與輸入信號的相位關(guān)系，同相是正反饋，反相是負(fù)反饋。4.2.1負(fù)反饋的概念(4-*)反饋放大器輸出輸入取+加強輸入信號正反饋用于振蕩器取-削弱輸入信號負(fù)反饋用于放大器開環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶反饋網(wǎng)絡(luò)±迭加反饋信號實際被放大信號(4-*)基本放大電路Ao反饋網(wǎng)絡(luò)F放大：迭加：負(fù)反饋框圖：AO稱為開環(huán)放大倍數(shù)+–

反饋：AF稱為閉環(huán)放大倍數(shù)AF=Xo/Xi輸出信號輸入信號反饋信號差值信號負(fù)反饋放大器F稱為反饋系數(shù)設(shè)Xf與Xi同相(4-*)負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：放大：反饋：迭加：AF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)=XoAo11Ao+F=Ao1+AoF(4-*)AF=Ao1+AoF負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)Ao很大時,

AoF?1,AF

1F結(jié)論:當(dāng)Ao很大時,負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無關(guān),只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。反饋深度(4-*)4.2.2負(fù)反饋的類型及分析方法一、負(fù)反饋的類型負(fù)反饋交流負(fù)反饋直流負(fù)反饋電壓串聯(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)反饋作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶作用(4-*)1、交流反饋與直流反饋交流反饋：反饋只對交流信號起作用。直流反饋：反饋只對直流起作用。若在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容，則可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。在起反饋作用的電阻兩端并聯(lián)旁路電容，可以使其只對直流起作用。有的反饋只對交流信號起作用；有的反饋只對直流信號起作用；有的反饋對交、直流信號均起作用。二判斷反饋類型的分析方法(4-*)增加隔直電容C后，Rf只對交流起反饋作用。注：本電路中C1、C2也起到隔直作用。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1C(4-*)增加旁路電容C后，Rf只對直流起反饋作用。C+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1(4-*)2、判斷反饋極性的方法瞬時極性法來判斷反饋的極性

設(shè)放大器輸入端的瞬時值為正極性，然后沿反饋環(huán)路逐級判斷反饋到輸入端信號的瞬時極性，如果反饋信號增強了輸入信號的作用，則為正反饋，否則為負(fù)反饋

(4-*)3、判別負(fù)反饋類型的方法1)判斷電壓反饋還是電流反饋如果輸出端短路（ＲL＝０）,反饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓反饋，否則為電流反饋基本放大器

A(s)Uo反饋網(wǎng)絡(luò)B(s)UoIo基本放大器

A(s)Uo反饋網(wǎng)絡(luò)B(s)Io(參考)一般uo的正端加在反饋網(wǎng)絡(luò)上則為電壓反饋，否則為電流反饋(4-*)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,反饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為并聯(lián)反饋。否則為串聯(lián)反饋?；痉糯笃?/p>

A(s)Ui反饋網(wǎng)絡(luò)B(s)IiIdIf基本放大器

A(s)反饋網(wǎng)絡(luò)B(s)UfUdUi(參考)一般ud的正端和反饋網(wǎng)絡(luò)相接則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋2)判斷并聯(lián)反饋還是串聯(lián)反饋(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反饋網(wǎng)絡(luò)電阻Rf和Re2

iiidif(參考)一般uo的正端加在反饋網(wǎng)絡(luò)上則為電壓反饋，否則為電流反饋電流反饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,反饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓反饋，否則為電流反饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,反饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為并聯(lián)反饋。否則為串聯(lián)反饋。并聯(lián)反饋(參考)一般ud的正端和反饋網(wǎng)絡(luò)相接則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋電路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反饋網(wǎng)絡(luò)電阻RfRe1和Re2

(參考)一般uo的正端加在反饋網(wǎng)絡(luò)上則為電壓反饋，否則為電流反饋電流反饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,反饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓反饋，否則為電流反饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,反饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為并聯(lián)反饋。否則為串聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋(參考)一般ud的正端和反饋網(wǎng)絡(luò)相接則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋正反饋電流串聯(lián)正反饋電路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反饋網(wǎng)絡(luò)電阻Rf和Re1(參考)一般uo的正端加在反饋網(wǎng)絡(luò)上則為電壓反饋，否則為電流反饋電壓反饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,反饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓反饋，否則為電流反饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,反饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為并聯(lián)反饋。否則為串聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋(參考)一般ud的正端和反饋網(wǎng)絡(luò)相接則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路(4-*)集成運放簡介及其線性、非線性應(yīng)用4.3集成運算放大器主要授課內(nèi)容第6講(4-*)集成運算放大器學(xué)習(xí)目的與要求1.了解和熟悉集成運算放大器的組成及其圖符號；2.掌握集成運放的理想化條件及其分析方法；3.理解集成運放的線性應(yīng)用及其工作原理；4.了解一般集成運放的簡單非線性應(yīng)用。(4-*)

1．集成運算放大器概述

集成運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由四部分組成。4.3.1集成運算放大器(4-*)

輸入級一般是差動放大器，利用其對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和電路性能，輸入級有反相輸入端、同相輸入端兩個輸入端；中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些過載保護(hù)電路及高頻補償環(huán)節(jié)等輔助環(huán)節(jié)。(4-*)集成電路的幾種外形左圖所示為μA741集成運算放大器的芯片實物外形圖(4-*)1μA7412876543空腳正電源端輸出端調(diào)零端調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端集成運放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調(diào)零電位器外部接線圖(4-*)

2．集成運算的主要技術(shù)指標(biāo)

指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。集成運放的Au0一般很高，約為104～107；

集成運放的差動輸入電阻很高，可高達(dá)幾十千歐和幾十兆歐；由于運放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間；（2）差模輸入電阻ri和輸出電阻r0

（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

(4-*)

指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（3）最大共模輸入電壓Uicmax(4-*)

3．理想集成運算及其傳輸特性理想特性集成運放的電壓傳輸特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M實際特性線性區(qū)飽和區(qū)Auo=∞、ri=∞、r0=0

為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數(shù)為：根據(jù)集成運放的實際特性和理想特性，可畫出相應(yīng)的電壓傳輸特性。(4-*)

電壓傳輸特性給出了集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)（+U0M~－U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)—使輸出電壓保持穩(wěn)定。輸出、輸入電壓的關(guān)系：(4-*)

根據(jù)集成運放的理想化條件，可以導(dǎo)出兩個結(jié)論，作為集成運放在線性區(qū)工作的重要分析依據(jù)：（1）虛斷：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運放內(nèi)部不需要向信號源索取任何電流，兩個輸入端的電流恒為零。電流為零相當(dāng)于斷路，但實際上兩個輸入端并未真正斷開，因此稱為虛斷；（2）虛短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運放兩個輸入端的電位相等。兩點等電位相當(dāng)于短路，實際上兩個輸入端并未真正短接，因此稱為虛短。(4-*)1.集成運放由哪幾部分組成，各部分的主要作用是什么？2.理想運放的特點是什么？3.工作在線性區(qū)的理想運放有哪兩條重要結(jié)論？何謂“虛斷”？“虛短”？(4-*)uo=Ao(u+–u－)

Ao

u+–u－

0u+

u－uo－＋＋

u－u+ib-ib+

u+

=u－（虛短）

ib-=

ib+=0

（虛斷）ri

ib-

0ib+

0集成運算放大器的分析方法輸出電壓變化范圍:最大+UCC~-UEE(4-*)集成運算放大器的分析方法:放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)uo－＋＋

u－u+ib-ib+RL因為ro=0所以放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，放大倍數(shù)可以獨立計算。ro(4-*)運放線性運用信號的放大、運算恒壓源、恒流源電路有源濾波電路在運放的線性應(yīng)用中，運放的輸出與輸入之間加負(fù)反饋，使運放工作于線性狀態(tài)。4.3.2集成運放的線性應(yīng)用(4-*)模擬信號的放大和運算電路(1)反相比例運算放大器_+

+

RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虛地點i1=iF+

ib-=iF,ib-=0

ib+=0u+

=0

u－=u+=0平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):RP=R1//RFF電壓放大倍數(shù):iF(4-*)_+

+

RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例題1.R1=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應(yīng)為多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k

(4-*)反相比例運算放大器輸入電阻及反饋方式：ri=R1輸入電阻(小):uo_+

+

RFR1RPuii1iFib-ib+反饋電阻反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋i1=iF+

ib-

ib-=i1-iF(4-*)(2)同相比例運算放大器u-=u+=uiib+=0ib-=0_+

+

RFRfRPuiuoiFifAu=1+RFRfiF=ifRP=Rf//RFFfFf)(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoiFif例題2.Rf=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應(yīng)為多大？uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7k

Au=1+=1+20/10=3RFRf(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoAu=1+RFRf當(dāng)RF=0時,Au=1uo=ui(3)電壓跟隨器此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。(4-*)(4)差動放大器_+

+

R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4-*)以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.以上放大器均可級聯(lián),級聯(lián)時放大倍數(shù)分別獨立計算。(4-*)例題3.R1=10k

,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_+

+

R2R1R1R2ui1_+

+

ui2_+

+

R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V(4-*)例題3.若ui1=sin

tV，ui2=1V，求:uo

uo1=ui1=sin

tVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sin

t

)=6-2sin

tVR2R1(4-*)(5)反相求和運算：_+

+

RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虛地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R1//R2//RFuo_+

+

RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF(4-*)(6)同相求和運算：Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf當(dāng)R1=R2

時,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++u

i1uoR1R2ui2-u+_+

+

RFRfRPuiuo(4-*)(7)微分運算：u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0(4-*)tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°(4-*)(8)反相積分運算i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(4-*)反相積分器：如果ui=直流電壓U,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0Utuo0-UomTM積分時限=–tURC設(shè)Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒(4-*)反相積分器：如果ui=-U=-3V，畫出uo的波形圖。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒設(shè)Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F(4-*)應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0三角波發(fā)生器將在第六章中講(4-*)（9）三運放電路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+(4-*)++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+三運放電路(續(xù))ib1-ib2-ib+=0ib-=0,u-=u+,R、RW、R三個電阻可視為串聯(lián)(4-*)三運放電路(續(xù))uoR1R1++A3R2R2uo1uo2++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=(4-*)三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可調(diào)。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。三運放電路的特點(4-*)例1:由三運放放大器組成的溫度測量電路uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui

ui=Rt-R2(Rt+R)URt熱敏電阻uo=

ui=Rt-R2(Rt+R)URt=f(T°C)集成化:儀表放大器(4-*)例2.求電壓放大倍數(shù)Au=uo