负反馈放大器与集成运算放大器

实际应用中，一个稳定的系统或多或少存在着自动调节过程。前述基本放大电路能稳定工作的前提是应具有静态工作点自动调节功能。这种自动调节过程，实际上就是负反馈过程。集成电路中，由于采用直接耦合，在构成应用电路时。更需要引入反馈。本章将着重介绍交流负反馈对放大器性能的影响；集成运算放大器组成的应用电路及应用电路中的反馈。第8章负反馈放大器与集成运算放大器8.1.1反馈的基本概念1．概述在电子电路中，反馈定义为：将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过一定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。一个反馈放大器的框图如图8.1所示。图8.1反馈放大电路的框图8.1负反馈放大器2．反馈放大器分类(1)根据输出端取样对象分类可分为电压反馈和电流反馈两类。电压反馈的反馈信号取自输出电压，反馈量与输出电压成正比。如图8.2（a）和（b）。电流反馈的反馈信号取自输出电流，反馈量与输出电流成正比。如图8.2（c）和（d）。(2)根据与输入端的连接方式分类可分为串联反馈和并联反馈两类。串联反馈是输入信号与反馈信号两者串联后获得净输入信号，如图8.2（a）和（c）所示。并联反馈是输入信号与反馈信号两者并联后获得净输入信号，如图8.2（b）和（d）。图8.2反馈的分类(3)根据反馈极性分类可分为负反馈和正反馈。若反馈信号与原来输入信号相位相反，削弱原来的输入信号，这种反馈称为负反馈。若反馈信号与原来输入信号相位相同，加强了原输入信号，这种反馈称为正反馈。(4)根据反馈电路组成分类可分为直流反馈和交流反馈。直流通路中存在的反馈称为直流反馈。交流通路中存在的反馈称为交流反馈。若两个通路中都存在的反馈称为交、直流反馈。8.1.2负反馈放大器的分析方法1.瞬时极性法瞬时极性法主要用来判断放大电路中的反馈是正反馈还是负反馈。具体方法是：先假设放大电路输入端信号在某一瞬间对地的极性为（+）或（-）；然后根据各级电路输出端与输入端信号的相位关系（同相或反相），标出反馈回路中各点的瞬时极性；再得到反馈端信号的极性；最后，通过比较反馈端信号与输入端信号的极性来判断电路的净输入信号是加强还是削弱，从而确定是正反馈还是负反馈。2.框图分析法框图分析法主要用来确定负反馈放大器的一般表达式。一般表达式为：(1)若|1+AF|1则|Af||A|，加入反馈后闭环放大倍数变小，属于负反馈。(2)若|1+AF|1，则|Af||A|，加入反馈后闭环放大倍数增加，为正反馈。(3)若|1+AF|=0，则Af→∞。即没有输入信号时，也会有输出信号，这种现象称自激振荡。AFAAFXXXXXXXAididofidoiof18.1.3负反馈的四种组态1．电压串联负反馈电压、电流反馈简易判别方法是：令输出端短路，若反馈电压消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。串联、并联反馈简易判别方法是：输入信号和反馈信号在不同节点引入为串联反馈，在同一节点引入为并联反馈。图8.3电压串联负反馈电路2．电压并联负反馈图8.4电压并联负反馈电路3．电流串联负反馈图8.5电流串联负反馈4．电流并联负反馈图8.6电流并联负反馈8.1.4负反馈对放大器性能的影响1．提高放大倍数的稳定性2．扩展带宽3．减小非线性失真4．负反馈对输入电阻和输出电阻的影响(1)负反馈对输入电阻的影响①串联负反馈使输入电阻增大②并联负反馈使输入电阻减小（2）负反馈对输出电阻的影响①电压负反馈使输出电阻减小②电流负反馈使输出电阻增大8.2.1基本差分放大器差分放大器又称差动放大器，主要用作直流放大的输入级，具有很强的“零点漂移”抑制作用。这里所说的直流是指变化比较缓慢的电信号，如由温度传感器检测出的反映温度变化的电信号等。基本差分放大电路如图8.8所示。8.2差分放大器图8.8基本的差分放大电路2．工作原理（1）对零点漂移的抑制作用零点漂移(简称零漂)指：放大电路输入信号为零时，输出信号不为零的现象。①无信号输入时，由于两管的特性相同，元件参数相等，输出信号为零，避免了零点漂移现象。②当环境温度发生变化或电源电压出现波动时，将引起三极管参数的变化，由于两管特性相同，电路对称，ΔIC1=ΔIC2；ΔUC1=ΔUC2。于是输出电压变化量为：ΔUo=ΔUC1-ΔUC2=0故“零漂”现象消失。1．各元件作用V1、V2是两只特性相同的三极管，实现电流放大；两管的集电极电阻RC，实现将集电极电流变化转变为相应的电压变化；两管的RB1、RB2为三极管提供合适的静态工作；输入端两个电阻R将输入信号电压Ui转化成大小相等，方向（相位）相反的一对输入信号Ui1和Ui2，分别加到V1和V2的基极。习惯上称这对大小相等，方向（相位）相反的输入信号为差模信号，对应的输入方式称为差模输入；RL是负载，接两管集电极构成双端输出。（2）对差模信号的放大作用当加到图8.8所示的放大电路输入端时，V1、V2的基极获得一对差模信号、。此时两管集电极电位不再相等，差分放大电路输出端有电压输出，即,此过程可简述为：idU1idU2idU021CCodUUU111121CCBididUIIUUidUodU021CCUU222221CCBididUIIUU图8.9单级微变等效电路3．动态性能指标估算（1）差模电压放大倍数Aud差分放大电路对差模信号的电压放大倍数与单管电压放大倍数相等。单管电压放大倍数可由微变等效电路求得。[例8.1]在图8.8电路中，已知三极管，，RB1=220kΩ，RB2=5.1kΩ，RC=18kΩ，RL=39kΩ。求：差模电压放大倍数。5021krbe0.1分析：由于整个差分放大电路的差模放大倍数Aud等于一个管子的电压放大倍数，故可通过单管(比如V1)的微变等效电路求出Aud。在差模输入时，两管集电极输出一增一减，且变化量相等，负载RL的中点电位是不随信号而变的，该中点可看作等效的交流地，因此单管放大电路的负载为，于是求Aud的微变等效电路如图8.9所示。解：由图8.9可知(2)共模电压放大倍数共模信号指：大小相等，方向(相位)相同的一对输入信号，对应的输入方式称共模输入。一般来说，共模输入信号是一对等效的输入信号，由环境温度变化、电源电压波动引起输出端漂移电压折合到输入端而获得；或由差分放大电路两个输入端输入电压不相等而获得。实用中，没有可以用仪表检测到的，确实独立存在的共模信号，这一点要特别注意理解。1011//2201.5)239//18(50//)2//(12111beBBLCidodududrRRRRUUAA[例8.2]在图8.10所示电路中，已知差分放大电路的输入信号。试求差模信号和共模信号。图8.10[例8.2]的电路VUVUii525.521，分析：当差分放大电路两输入端信号不相等到时，可分离出等效的差模信号和共模信号。其中差模信号为：共模信号为：两边输入的差模信号分别为：两边输入的共模信号分别为：21iiUU，21iiidUUU)(2121iiicUUU)(2121211iiididUUUU)(2121212iiididUUUU)(212121iiicicUUUU解：由上述分析可得=说明：实用中，真正能用仪表检测到的信号只有和，是用仪表检测不到的。V25.00.525.521iiidUUUV125.0211ididUUV125.0212ididUUicUV125.5)0.525.5(21)(2121iiUU1iU2iUicU在共模输入时，；于是==由于电路对称，三极管特性相同,,故=0即：差分放大电路参数完全对称时，共模放大倍数为0。icuicuCUAUAU1111icuicuCUAUAU222221CCocUUUicuicuUAUA21icuuUAA)(2121uuAAicocucUUA21uuAA(3)共模抑制比KCMR共模抑制比是用来表明差分放大电路对共模信号抑制能力的一个参数，定义为差模放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的比值，用KCMR表示，即KCMR=||此值越大，说明差分放大电路分辨差模信号的能力和抑制零点漂移的能力越强，放大电路的性能越好，一般差分放大电路的KCMR=。ucudAA6310~10(4)差分放大电路的改进改进的差分放大电路如图8.11所示。图8.11改进的差分放大电路8.2.2带恒流源的差分放大器带恒流源的差分放大电路，如图8.12所示。图8.12带恒流源的差分放大电路图中RE越大，对温度变化引起的零点漂移抑制作用也越大。抑制过程可表示如下：IC1↑→IE1↑UBE1↓→IB1↓→IC1↓T↑IE↑→IERE=UE↑IC2↑→IE2UBE2↓→IB2↓→IC2↓1．静态分析(1)求IE3从恒流源入手先求UB3，然后求UE3、IE3。由图8.12可知=7.02)]([2123EECCBUURRRU4.1)(212EECCUURRR333BEBEUUU33333)(EEEEEEEEERUURUUI2．动态分析恒流源不影响差模输入时放大电路的工作状态，因此动态分析不变。[例8.3]在图8.13所示电路中，V1、V2、V3均为3DG4C，β为50，RB=10kΩ，RC=30kΩ，R=510Ω，R1=5kΩ，RE3=18kΩ，V4为2CW15，稳定电压为8V。求：10各管的静态工作电压与电流。20差模电压放大倍数。30当输入电压Ui=30mV时的输出电压及V1、V2管的集电极电压。(2)求IC1、IC2由于电路对称，故，因此(3)求IB1、IB2(4)求UC1、UC232121EEEIII312121EECCIIII2121CCBBIIIICCCCCCCCCRIURIUUU2121图8.13[例8.3]的电路图解:10求各管的静态工作电压与电流由图8.13可知所以V3.77.08333BEBEUUUmA4.0183.7333EEERUImA2.021321ECCIIIV6302.012221CCCCCCRIUUU20求差模电压放大倍数由于=Ω可得1mV26)1(300EbeIrk93.6mA2.0mV26)501(3008893.610350beBCudrRRA30Ui=30mV时，由图8.13可知，差模输出电压为Uo=AudUi=88×30mV=2.64V由于差分放大电路对称，故单管输出电压为V又差模输入时，V1、V2集电极电位一升一降，不妨设下降，上升，则VV1Cu2Cu32.12121oooUUU68.432.16111oCCUUu32.732.16222oCCUUu8.2.3差分放大器的输入、输出方式1.单端输入、单端输出在单端输入的差分放大电路中，虽然信号是从一个管子的输入端加入，但另一个管子仍然有信号输入。与双端输入、双端输出差分放大电路比较，输入信号一样，但输出信号只是从一个管子的集电极输出。所以，输出信号减小一半，因而电压放大倍数也减小了一半。也就是说，单端输入、单端输出电路的电压放大倍数只是单管电压放大倍数的一半。单端输出不能抑制温度变化，元件老化等因素引起的零点漂移，因而，必须采取工作点稳定措施，保证差分放大电路的正常工作。(a)反相输出(b)同相输出图8.14单端输入、单端输出的差分放大电路2.单端输入，双端输出图8.15所示的电路是单端输入、双端输出的差分放大电路，它的电压放大倍数与双端输入、双端输出的差分放大电路相同，且具有抑制温度、元件老化等因素引起的零点漂移。图8.15单端输入、双端输出的差分放大电路2.双端输入、单端输出图8.16所示电路是双端输入，单端输出的差分放大电路，这种电路的电压放大倍数与单端输入、单端输出差分放大电路相同，且也要采取工作点稳定措