电子技术基础——电路与模拟电子(第8章)

重点难点重点：集成运算放大器电路分析方法；难点：理解差模信号和共模信号；差放电路抑制共模信号的原理；差放电路的分析；集成电路的特点电路结构与元件参数对称性好电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用BJT的发射结构成。不能制作大电阻。电阻用BJT的体电阻（Rb）代替，大电阻恒流源代替；不能制作大电容。电容用BJT结电容代替，大电容只能外接；级间采用直接耦合方式采用复合管集成电路：将二极管、三极管、电阻等器件及导线共同制作在一块半导体基片上完成特定的功能的电子电路。耦合方式：阻容耦合；直接耦合；变压器耦合；光电耦合。多级放大电路耦合：即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：1).静态：保证各级Q点设置2).动态:传送信号。第一级放大电路输入输出第二级放大电路第n级放大电路……第n-1级放大电路功放级要求：波形不失真，减少压降损失。集成运算放大器主要采用直接耦合8.0零点漂移ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB差动放大电路的引入抑制零点漂移uo=uC1-uC2=0uo=(uC1+uC1)-(uC2+uC2)=0当ui1=ui2=0时：当温度变化时：8.1差动放大电路共模抑制比差分式放大电路中的一般概念idi1i2=uuu差模信号ici1i21=()2uuu共模信号oVDid=uAu差模电压增益VCic=ouAu共模电压增益总输出电压'ooVDidVCic=uouuAuAu差模信号输出共模信号输出VCVDCMR=AAKVi1与vi2大小相等,方向相反Vi1与vi2大小相等,方向相同dBAAKVCVDCMRlog20为了使左右平衡，可设置调零电位器:uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE1、电路组成uo+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE2.静态分析直流通路IC1=IC2=IC=IBQUC1=UC2=UCC－IC×RCUCE1=UCE2=UC1－UE1IBIC1IC2IB2IE2EEBECQEEUUIIR()EBEBBUUIRCECCBECCBBCCCQCBEQUUUIRIRUIRUEEBbBEEe2UIRUIR忽略IBRb3.共模输入信号RE对共模信号起作用，并且iRE=2ie1。uCic1、ic2iRE、uRE+UCCuocRCT1RBRCT2RBRE–UCCuCuoc2uoc1ic1ic2iREuRE零点漂移是共模信号4.差模输入均压器diiuuu211diiuuu212RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UCCRE对差模信号作用ui1ui2ib1,ic1ib2,ic2ic1=-ic2iRE=ie1+ie2=0uRE=0RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UCCib2ib1ic2ic1iRERE对差模信号不起作用差动放大倍数uo=uc1-uc2=-uc1-uc2=-2uc11112//2occLvdvdiiBbeuuRRAAuuRrRB用于提高Ri2、输入电阻3、输出电阻4、共模放大倍数5、共模抑制比不考虑RW时：Rid=2(RB+rbe)Rod=2Rc0ocvcicUAUKCMR=∞EEBEEEEB120.7mA2231.88mA18.65A1UUIRII例1：已知下图所示差分放大电路的UCC=UEE=12V，RC=3kΩ，RE=3kΩ，硅晶体管的β=100，求：（1）静态工作点；（2）Ui=10mV，输出端不接负载时的UO；（3）Ui=10mV,输出端接RL=3kΩ负载时的UO。CECCEECCEE2121231.865231.88V7.12VUUURIRIbeCCdObe2626200(200100)kΩ1.594kΩ1.86531001881.594rIRArLCL//(3//3)kΩ1.5kΩRRR（3）接负载时的差模放大倍数3OdOi1881010V1.88VUAU当Ui=10mV时，A1vivo103A2vivo105答：两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？end增加了Re电压增益输出漂移电压均为200mV输出漂移电压均为200mV输入端漂移电压为0.2mV输入端漂移电压为0.002mVA1不可以，A2可以8.1.2差动放大电路的4种接法差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以信号的输入、输出方式有4种情况。现分别叙述如下：1.双端输入、双端输出2.双端输入、单端输出3.单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出图8.12差动放大电路的4种接法8.1.3恒流源差动放大电路长尾差动电路的Re提高了共模抑制能力，且Re越大效果越好。但Re增大，其上的直流电压增大，为保证管子正，常工作，必须提高UEE，不合算。希望有一种器件交流电阻大而直流电阻小。恒流源有此特性。例：如左图电路。已知差动放大电路中，β1=β2=50，rbe1=rbe2=1.5kΩ，vBE1=vBE2=0.7V，Rw忽略。Rw的滑动头位于中点，试估算：1.静态工作点Ic1、Ic2、ve1、ve22.差模电压增益Avd3.差模输入电阻Rid、输出电阻Rod解：(1)VDZ=VBE3+IC3Re3IC3=IE3=2.03mAIE1=IC1=0.5IC3=1.01mAIB1=IC1/β=0.02mAVE1=VE2=0-IB1Rb1-VBE1=0-0.02×1-0.7=-0.72V静态时输入信号Vi对地短路解：(3)Rid=2(RB+rbe)=5kΩRod=2Rc=10kΩ100beBciovdrRRvvA（2）1.集成运放内部组成框图8.2理想集成运算放大器集成运放电路四个组成部分的作用输入级：前置级，多采用差分放大电路，抑郁温漂。要求Ri大，Avd大，Avc小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。通用型集成电路运算放大器F0078.2.1理想集成运放的电路模型1.开环差模电压放大倍数Aod=∞2.差模输入电阻Rid=∞3.共模抑制比CMRR=∞4.输出电阻Ro=05.输入偏置电流、输入失调电路、失调电流及温漂均为零－＋＋∞u－u+uoA反相输入端信号从反相输入，则输出信号与输入信号反相，又表示为VN同相输入端信号从同相输入，则输出信号与输入信号同相，又表示为VPu－u+＋－u－u+uo国内符号国际符号uduouduo+UOM-UOMAo越大，线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。_++A08.2.2理想运放的特性因此，引入深度负反馈是集成运放实现线性应用的必要条件。)(0dufu1、线性区:线性区duAuuAu000)(2、饱和区：OMUu0饱和区电压传输特性1、理想运放工作在非线性区uduo+UOM-UOM0AuuuA00即：uu当：输出进入正饱和,uo=+Uomuu当：输出进入负饱和，uo=-Uom2、理想运放工作在线性区“虚短路”1、由于uuuA00uu有：2、由于ir0iddrui有：“虚断路”3、由于00rococLLuuRrRu00有：为提高精度，一般取f12//RRR1.比例运算电路电压并联负反馈由第7章可知，电路为负反馈电路。+0vv即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。（1）反相比例运算电路利用虚短和虚断得OI1fvvvvRRI1fOvRRv运算放大器输入端共模信号很小运算电路输入电阻较小510A由于运放的增益一般有，。11FA所以虚地8.3运算电路R2=R1//Rfri=R1Ro=0vIvO-+RfR1Av-v+R21.比例运算电路vIvO-+RfR1AV。V+电压串联负反馈+Ivvv（2）同相比例运算电路利用虚短和虚断得O1f0vvvRRI1fO)1(vRRv运算放大器输入端共模信号较大运算电路输入电阻很大输出与输入同相输出与输入反相vIvO-+Av-V+电压跟随器IOvvri=∞从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。Oi11fvvvvRR（3）差动比例电路i2++230vvvRRi11fi23231f1O))((vRRvRRRRRRv当f1f212,RRRR则f1Oi2i11()RvvvR若继续有f11,RR则i1i2Ovvv根据虚短、虚断和KCL得：+vv8.3.2加减运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和与反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。1.反相加法电路S11-vvROf-vvR根据虚短、虚断和N点的KCL得：2S2f1S1fO-vRRvRRvf21RRR若+0vvS22-vvRR2RfR1vS2vS1iIvONP+–则有2S1SO-vvv（加法运算）输出再接一级反相电路R2RfR1vS2vS1iIvO1NP+–RRvO+–2S1SOvvv可得例：用集成运放实现如下函数123(25)oiiiUUUU如Rf=100kΩ，电路如下图，只要选取1122332501100520fffRRkRRRkRRRkRri=50kΩ∥100kΩ∥20kΩ≈12.5kΩ2.同相求和电路1(1)foRUUR而U+通过下式求出：3123120()////iiiabciiiabcabcUUUUUURRRUUUURRRRRRRR31233121211(1)()//////()()iiifoaaaabcfiiiiiioffaaaaaaUUURURRRRRRRRRRRRUUUUUURURRRRRRRRR(8―40)(8―41)该式必须在R′=R″的前提下才成立。当改变某一路的电阻时，必须改变其它路电阻，以满足R′=R″关系，所以调节远不如反相求和电路方便。同时，同相求和电路的共模输入信号大，故同相求和电路远不如反相求和电路用得广泛。3.减法电路O1vS111fvRR第一级反相比例第二级反相加法OvS222fvRRO122fvRR（1）利用反相信号求和以实现减法运算Ov即S111f22fvRRRRS222fvRR当时22f11fRRRR，得2S1SOvvv（减法运算）4.单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R//R//RR//R//RR2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))((4433643RuRuR//R//Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚开路虚开路12551212123451234[](1)()iioiiiiuuRuRuRRRRuuuuRRRRR643521R//R//RR//R//R该电路只用一只集成运放，故成本低，但电阻计算和电路调整均不方便。由于理想集成运放输出电阻ro=0，所以多级集成运放相连时，后级对前级基本不影响，计算十分方便。13412112342412341212343412()()()()ffoiifffoiiofffffoiiioiiiifRRUUURRRRRUUUURRRRRRRUUUUURRRRUUUURRRRR由于两级集成运放组成和差电路时，均采用反相求和电路，均存在虚地，共模输入信号均为