第六章运放电路

第6章集成运算放大器6.2**集成运算放大器的概述6.4**集成运放在信号运算方面的应用6.5**集成运放在信号处理方面的应用6.3放大电路中的反馈6.1差分放大电路6.6集成运放在波形产生方面的应用回顾：直接耦合电路因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。建立静态工作点+UCCuoRC2T21.前后级Q点相互影响。（须增加RE2）问题:uiRC1R1T1R2RE22.零点漂移:前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（须增加两级之间的直流负反馈）直接耦合放大器的级联1.结构:对称性结构6.1.1基本型差动放大器+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uo=uC1-uC2uC1uC22.优点：抑制温漂原理如下:uo=uC1-uC2=0uo=(uC1+uC1)-(uC2+uC2)=0当ui1=ui2=0时，当温度变化时：对称性uC1=uC2uC1=uC2+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC23.共模电压放大倍数ACuo=uC1-uC2+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC2当ui1=ui2（大小相等，极性相同），共模输入信号设ui1，ui2，使uC1，uC2。因ui1=ui2，uC1=uC2uo=0(理想化)。但因两侧不完全对称，uo0共模电压放大倍数AC=uoui1（很小，1)+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC24.差模电压放大倍数Ad当ui1=-ui2（大小相等，极性相反），差模输入信号(很大，1)设ui1,ui2,使uC1,uC2。设uC1=uC1-uC1,uC2=uC2+uC2。因ui1=-ui2，uC1=uC2uo=uC1-uC2=-uC1-uC2=-2uC1差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=uo2ui15.共模抑制比(CMRR)的定义CMRR=20logdb(分贝)ACAd例:Ad=-200Ac=0.1CMRR=20log(-200)/0.1=66dbCMRR—CommonModeRejectionRatio1.结构:6.1.2双电源长尾式差放特点：加入射极电阻RE加入负电源-UEE，采用正负双电源供电+UCC(+15V)RCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uo=uC1-uC2uC1uC2-UEE（-15V）REui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）RE2.双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用射极电阻RE的作用：T°CIC1IC2IE=IE1+IE2UE=IERE+（-UEE）UBE1、UBE2IB1、IB2IC1IC2uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流负反馈，稳定静态工作点射极电阻RE的作用：（2）RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）（3）RE对差模信号相当于开路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REIEui1=-ui2，设ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2ie1=-ie2IE不变结论：IE具有恒流特性用恒流源代替RE，可使电路进一步改善放大倍数(1)共模信号输入ui1=ui2共模电压放大倍数AC=uoui1(2)差模信号输入ui1=-ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=–RCrbe放大倍数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叠加分解uC+uduC-ud结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2uC+uduC-ud只考虑共模输入时:uoC=ACuC只考虑差模输入时:uod=Ad(2ud)总输出:uo=uoC+uod=ACuC+Ad(2ud)Ad(2ud)=Ad(2)=Ad(ui1-ui2)2ui1-ui2ud2ui1-ui2=uC2ui1+ui2=ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2总输出:uo=Ad(ui1-ui2)反相输入端u-同相输入端u_+放大倍数单端输入:当ui2=0时,双端输入uo=Adui1R2T3R1R3-UEE+UCCui2ERC1T1RC1T2ui1T4T1T2RC2RC2RE2单端输出,至下一级双端输出双端输入如单端输出,此RC2可去消6.1.3差放电路的几种接法接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。6.2运算放大器的基本概述6.1.1运算放大器的概念和指标6.1.2运算放大器在线性状态下的工作6.1.3运算放大器在非线性状态下的工作6.2.1集成运算放大器概述1.结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器极性判断＋－u－u+uo2.集成运算放大器符号－＋＋反相输入端u－同相输入端u+输出端uo美国符号：国内符号：6.2.2集成运算放大器的技术指标(1)开环差模电压放大倍数(开环增益)大Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍;(2)共模抑制比高CMRR=100db以上;(3)输入电阻大ri1M,有的可达100M以上;(4)输出电阻小ro=几-几十6.2.3集成运放的理想化条件与分析依据在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放就是将集成运算放大器的各项技术指标理想化，即具有如下参数：开环差模电压增益Aod＝∞；差模输入电阻rid＝∞；输出电阻ro＝0；共模抑制比KCMR＝∞；-3dB带宽fH＝∞；输入失调电压UIO、失调电流IIO、输入偏置电流IIB以及他们的温漂均为零等等。集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.19所示的电压传输特性来描述。图8.19运算放大器的电压传输特性1.集成运算放大器在线性状态下的工作当工作在线性区时，集成运放的输出电压与两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即（4.1.1）式中uo是集成运放的输出端电压；u+和u-分别是其同相输入端和反相输入端的电压；Aod是其开环差模电压增益。)(uuAuodo1）理想集成运放的差模输入电压等于零由于集成运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式(4.1.1)所示的关系式。而且，因理想运放的Aod＝∞，所以由式(4.1.1)可得即(4.1.2)上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只是表面上似乎短路了，因而是虚假的短路，所以将这种现象称为“虚短”。-Aod+u+i+i-u-uO0odoAuuu0odoAuuu2）理想集成运放的输入电流等于零由于理想集成运放的差模输入电阻rid＝∞，因此在其两个输入端均没有电流，即(4.1.3)此时，运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开了一样，这种现象称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论。这两个重要结论常常作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢记住并掌握。0ii3、运算放大器在非线性状态下的工作如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压不会再随着输入电压的增长线性增长，而将进入饱和状态，集成运放的传输特性如图4.1.3所示。1）理想集成运放输出电压uO的值只有两种可能理想特性实际特性uOOOPP+UOPP-Uu+-u-非线性区非线性区线性区运放输出分别等于运放的正向最大输出电压＋UOPP，或等于其负向最大输出电压－UOPP，如图4.1.3中的粗线所示。当u+u－时,uO＝+UOPP当u+u－时,uO＝－UOPP(4.1.4)在非线性区内，运放的差模输入电压(u+－u-)的值可能很大，即u+≠u-。也就是说，此时，“虚短”现象不复存在。2）理想集成运放的输入电流等于零在非线性区，虽然运放两个输入端的电压不等，即u＋≠u－，但因为理想运放的rid＝∞，故仍可认为此时的输入电流等于零，即(4.1.5)实际的集成运放的Aod≠∞，因此当u+与u-的差值比较小，且能够满足关系Aod(u+－u-)﹤|UOPP|时，运放应该仍然工作在线性范围内。实际运放的传输特性如图4.1.3中细线所示。但因集成运放的Aod值通常很高，所以线性放大的范围是很小的。0ii例如：集成运放F007的UOPP＝±12V，Aod≈6×105，则在线性区内，差模输入电压的范围只有：＝＝＝±20uV如上所述，理想运放工作在线性区或非线性区时，各有不同的特点。因此，在分析各种应用电路的工作原理时，首先必须判断其中的集成运放究竟工作在哪个区域。uuodOPPAU510612V6.3放大电路中的反馈6.3.1负反馈的概念凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。反馈放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器开环闭环负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带反馈网络±迭加反馈信号实际被放大信号基本放大电路AodXoX反馈网络FfX放大：dooXXA迭加：fidXXX负反馈框图：AO称为开环放大倍数iX+–反馈：ofXXFAF称为闭环放大倍数AF=Xo/Xi输出信号输入信号反馈信号差值信号负反馈放大器F称为反馈系数设Xf与Xi同相负反馈放大器的一般关系闭环放大倍数：放大：dooXXA反馈：ofXXF迭加：fidXXXAF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)=XoAo11Ao+F=Ao1+AoFAF=Ao1+AoF负反馈放大器的闭环放大倍数当Ao很大时,AoF»1,AF1F结论:当Ao很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。负反馈放大器的四种连接方式反馈量Xo输入信号的连接方式Uo电压Ic电流Ie串联并联(将反馈信号变为电压信号,与输入电压ui相减,得到被放大的电压信号ube)(将反馈信号变为电流信号,与输入电流ii相减,得到被放大的电流信号ib)四种连接方式:(1)电流串联负反馈(2)电压串联负反馈(3)电流并联负反馈(4)电压并联负反馈6.3.2负反馈的类型及分析方法负反馈的类型负反馈交流负反馈直流负反馈电压串联负反馈电