第3章-集成运算放大器

第三章集成运算放大器3.2集成运放常用电路3.1概述3.3负反馈放大电路3.1概述【教学目的】1．了解集成运放的电路结构及电路符号。2．了解零漂对放大电路的危害及差分放大电路抑制零漂的原理。3．理解集成运放的主要参数。【教学重点】1．集成运放电路输入与输出信号之间的相位关系。2．产生零漂的原因、零漂对直接耦合放大电路的危害。3．差分放大电路的组成、特点。4．差分放大电路放大差模信号及抑制零漂（共模信号）原理。【教学难点】1.差分放大电路放大差模信号及抑制零漂（共模信号）原理。2.集成运放的主要参数。3.1.1集成运放的电路结构3.1.2零点漂移的抑制方法3.1.3集成运放的主要参数3.1.1集成运放的电路结构集成运算放大器一般由输入级、电压放大级、输出级和偏置电路四个部分组成。1．集成运放的电路结构输入级又称前置级：由一个高性能的差动放大电路构成，具有较高的共模抑制比。差动放大电路的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级：由多级共射放大电路组成，以获得高的电压放大倍数。输出级：由电压跟随器或互补电压跟随器组成，能够输出足够大的电压和电流。偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电压。2.集成运放的电路符号集成运放电路符号“”——同相输入端，集成运放输出信号与该输入信号相位相同；“”——反相输入端，集成运放输出信号与该输入信号相位相反；“”——输出端；“”——表示运算放大器；“∞”——表示开环放大倍数极高。IvIvOv实际集成运放的引脚除了两个输入端和一个输出端外，还有电源端、调零端等。3.1.2零点漂移的抑制方法零点漂移简称零漂：输入电压为零,输出电压偏离零值，发生缓慢的、无规则的变化。1．零点漂移的危害2．零点漂移的抑制方法造成测量误差、使自动控制系统发生错误动作；淹没真正的信号，使放大电路无法正常工作。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差分放大电路。3.差分放大电路（1）电路的构成及工作原理1V2V1BR2BRCR当温度变化引起三极管集电极电流变化时，由于电路对称，存在，导致两管集电极电位的变化量必然相等，即，所以输出电压。21CCII21CCVV021CCOVVv由两个完全对称的单管放大电路连接而成。在该电路中，晶体管、型号一样、特性相同，为输入回路限流电阻，为基极偏流电阻，为集电极负载电阻。输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取。在理想情况下，由于电路的对称性，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。差模输入：在电路的两个输入端输入大小相等、极性相反的信号电压，即。差模信号：大小相等、极性相反的信号。VdVVAAA21差模放大倍数与单管放大倍数相同，即。共模输入：在电路的两个输入端输入大小相等、极性相同的信号电压，即。差模信号：大小相等、极性相同的信号。21IIvv21IIvv在实际应用中，如果信号源两端均不接地，则差分放大电路应选择双端输入方式；如果信号源有一端接地，则差分放大电路应选择单端输入方式。（2）差模输入差分放大电路对差模信号具有较好的放大作用。（3）共模输入差分放大电路对共模信号无放大作用，共模信号的电压放大倍数为零。VdAVdA310710idRidRoRoR3.1.3集成运放的主要参数集成运放在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数。越小，运放带负载能力越强。一般在几十欧到几百欧。集成运放开环时，输出端的对地电阻。3．输出电阻越大，集成运放对信号源的影响就越小。目前一般在几十千欧到几兆欧。集成运放的两个输入端之间对差模输入信号所呈现的电阻。2．差模输入电阻很高，一般在～之间。1．开环电压放大倍数4．输入失调电压IBIIBICMRKVCVDCMRAAKCMRKdBIOVIOV集成运放开环电压放大倍数与其共模电压放大倍数之间的比值，即。常用分贝表示，其值越大越好，一般大于80。6．共模抑制比越小越好，一般为10nA～1mA。集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值。5．输入偏置电流越小，表示输入级的对称性越好，一般为几毫伏。为了抵消内部电路的不对称，保证当输入电压为零时输出电压也为零，在输入端所加的补偿电压。3.2集成运放常用电路1．理想集成运放的两个重要结论，“虚短”与“虚断”的含义。2．集成运放差动输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。3．由集成运放组成的运算电路的分析思路和计算方法。【教学难点】1．理想集成运放的两个重要结论。2．集成运放反相输入电路和同相输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。【教学重点】1．掌握理想集成运放的两个重要结论。2．掌握集成运放反相输入电路和同相输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。3．理解集成运放差动输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。【教学目的】3.2.1反向输入电路3.2.3其他形式的电路3.2.2同向输入电路在分析集成运放电路时，一般将集成运放看成是一个理想的运放。理想运放的等效电路集成运放理想状态下的参数是：开环电压放大倍数→∞差模输入电阻→∞输出电阻→0共模抑制比→∞VDAidRoRCMRK根据上述的理想条件，若运放工作在线性放大区，便可得出如下两个重要结论：IIvv0IIii相当于同相端和反相端均断开，但又不是实际断路，故称为虚假断路，简称虚断。（2）理想运放输入电流等于零，即。相当于同相端与反相端之间短路，但不是实际短路，故称为虚假短路，简称虚短。（1）理想运放两输入端电位相等，即。3.2.1反相输入电路输入电压经电阻从集成运放的反相输入端加入，同相输入端经电阻接地，在输出端与反相输入端之间接有负反馈电阻。Iv1R2RfR1．电路结构与特点2．输入、输出电压关系IfOvRRv11RRvvAfIOvf输出电压的大小与输入电压的大小成正比、相位相反，又称反相比例运算电路。选择不同的与比值，就可以得到所需的放大倍数。fR1R3.2.2同相输入电路输入电压经电阻从集成运放的同相输入端加入，输出端与反相输入端之间接有负反馈电阻和。Iv2RfR1R1．电路结构与特点2．输入、输出电压关系输出电压的大小与输入电压的大小成正比、相位相同，又称同相比例运算电路。选择不同的与比值，就可以得到所需的放大倍数。fR1RIfOvRRv)1(111RRvvAfIOvf3.2.3其他形式的电路在反相输入电路的基础上，增加二个输入端，就可以实现、、三个电压的加法运算。其中为平衡电阻。1Iv2Iv3Iv4R1．加法运算电路输入、输出电压关系：输出电压是三个输入电压、、之和，实现了三个信号的加法运算。式中的负号表出输出电压与输入电压之和的相位相反。如果取，则)111(332211IIIfFfOvRvRvRRiRvfRRRR321)(321IIIOvvvv1Iv2Iv3Iv2．减法运算电路在反相输入电路的基础上，将同相输入端作为电路的另一个输入端，便可实现两个输入信号电压的减法运算。当电路满足，且时，输入、输出电压关系：输出电压是两个输入电压、之差，实现了两个信号的减法运算。如果取，则fRRRR3211Iv2Iv21RRfRR3)(121IIfOvvRRv12IIOvvv3.3负反馈放大电路1．负反馈类型的判别。2．负反馈对放大电路性能的影响。【教学难点】1．负反馈放大电路的组成结构。2．负反馈类型的判别方法。3．负反馈对放大电路性能的影响。【教学重点】1．理解负反馈的定义，了解负反馈放大电路的组成结构。2．掌握负反馈放大电路的类型和分析方法。3．了解负反馈对放大电路性能的影响。【教学目的】3.4.1负反馈放大电路的组成与分类3.4.3负反馈放大电路分析3.4.2负反馈对放大器性能指标的影响3.4.1负反馈放大电路的组成与分类负反馈放大电路由基本放大电路和反馈电路两部分组成。它们有两个连接点，一个称“取样”点，取出反馈信号；另一个是“比较”点，将输入信号与反馈信号进行相减后送到基本放大电路的输入端。1.负反馈放大电路的组成负反馈放大电路与基本放大电路的主要区别：（3）净输入信号＝输入信号－反馈信号，小于输入信号，因此，负反馈放大电路的电压放大倍数小于基本放大电路的电压放大倍数。（2）负反馈放大电路的输出信号在送到负载的同时还要取出一部分送回到原放大电路的输入端。（1）负反馈放大电路的净输入信号不只是由信号源单方面提供，还有反馈过来的信号。2.负反馈放大电路的分类（1）直流反馈和交流反馈交流反馈：在负反馈放大电路中，如果反馈到输入端的信号是交流电压或电流，称为交流反馈。交流反馈主要用于改善放大电路的交流性能。直流反馈：在负反馈放大电路中，如果反馈到输入端的信号是直流电压或电流，称为直流反馈。直流反馈主要用于稳定放大电路的静态工作点。（2）电压反馈和电流反馈电压反馈：反馈电路与基本放大电路在输出端并联，反馈信号取自基本放大电路的输出电压。放大电路中引入电压负反馈后，将使输出电压保持稳定。电流反馈电流反馈：反馈电路与基本放大电路在输出端串联，反馈信号取自基本放大电路的输出电流。放大电路中引入电流负反馈后，将使输出电流保持稳定。电压反馈（3）串联反馈和并联反馈串联反馈：反馈电路与基本放大电路在输入端串联，反馈信号以电压的形式出现在输入回路。串联反馈并联反馈：反馈电路与基本放大电路在输入端并联，反馈信号以电流的形式出现在输入回路。并联反馈负反馈放大电路有4种类型：电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。3.4.2负反馈对放大器性能指标的影响1.提高放大倍数的稳定性2．减小非线性失真3．展宽通频带4．改变输入、输出电阻放大电路中加入负反馈之后，以牺牲放大倍数为代价，换来了放大电路性能指标的改善。负反馈放大电路对输入电阻的影响主要取决于反馈信号在输入端的连接方式。串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。负反馈放大电路对输出电阻的影响主要取决于反馈信号在输出端的连接方式。电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。在设计放大电路时，可根据不同的需要，通过引入不同类型的负反馈，来达到电路设计的目的。3.4.3负反馈放大电路分析1.判别电路是否存在反馈找出电路的反馈元件，一般来说，任何连接输出回路与输入回路之间的元件，都是反馈元件。有反馈元件，电路就存在反馈。2.判别是正反馈还是负反馈采用瞬时极性法。先假定输入信号在某一瞬时的极性为正，分析放大电路各点相位的变化，最后看反馈到输入端的反馈信号的极性：如果反馈信号极性与输入信号极性相反，则为负反馈；如果反馈信号极性与输入信号极性相同，则为正反馈。假设输入信号在某一时刻的极性为“＋”，由于信号从集成运放的反相输入端输入，则集成运放输出信号的极性为“－”，反馈信号的极性与输出信号极性相同，也为“－”。从输入端可以看到，反馈信号的极性与输入信号的极性相反，所以电路中的反馈为负反馈。3.判别反馈类型（1）电压反馈、电流反馈的判别最常用的方法是输出信号短路法。即将输出信号（负载两端）短接，使输出电压等于零，若反馈信号随之消失，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。（2）串联反馈、并联反馈的判别从输入端的连接方式来判别。对于集成运放来说，如果反馈信号与输入信号均加在放大电路的反相输入端，则为并联反馈；如果反馈信号与输入信号分别加在放大电路的两个不同输入端，则为串联反馈。