运放放大小信号分析.ppt

1、模块1 常用三极管小信号放大电路分析与制作 模块2 分压偏置式放大电路分析与制作 模块3 其它组态放大电路分析与制作 模块4 多级放大电路分析与制作 模块5 带有反馈的放大电路分析与制作 模块6 放大电路的频率响应 模块7 场效应管基本放大电路分析与制作 模块8 集成运算放大电路分析与制作 模块9 功率放大电路的分析与制作 模块10 综合放大电路（扩音机）的分析与制作,项目二 小信号放大电路的分析与制作,8.1 差动放大电路 8.2 集成运算放大电路 8.3 运算放大器在信号运算方面的应用,模块8 集成运算放大电路的分析与制作,1.结构,对称,一、差动放大电路的工作情况,8.1 差动放大电路,

2、2.抑制零漂的原理,uo= VC1 - VC2 = 0,当ui1 = ui2 = 0 时,IC1=IC2,VC1=VC2,uo= (VC1 + VC1 ) - (VC2 + VC2 ) = 0,当温度变化时,IC1=IC2,VC1=VC2,静态时,3.信号输入,1)共模信号,ui1=ui2,uo = VC1VC2=0, AC=0,2)差模信号,ui1=-ui2,设ui10,则ui20,IC10, VC10,IC20,uo=VC1VC2,设VC!=-1V, VC2=1V,则uo=-2V,VC1= VC2,3)比较输入,ui1与ui2是任意,则设ui1为给定信号,ui2为反馈信号,uo=Au(ui

3、1-ui2,为了便于分析与处理,可以将这种即非共模、又 非差模的信号,分解为共模分量和差模分量,ui1=uc1+ud1,ui2=uc2+ud2,共模分量,差模分量,例题,ui1 = 20 mv , ui2 = 10 mv,则：ud = 5mv , uc = 15mv,ui1 = 15mv + 5mv,ui2= 15mv - 5mv,1.结构,二、 典型差动放大电路,ui1,uo,UCC,RC,T1,RB,RC,T2,RB,ui2,EE,RE,Rp,RE : 强负反馈作用,也叫共模反馈电阻,不影响差模信号的放大,温度T,IE = 2IC,URE,2)EE,抵偿RE的压降,3)RP,调零电位器,2

4、. 静态分析,设IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC,则:RBIB+UBE+2REIE=EE,RBIB+UBE 2REIE,则:ICIE,VE0,1) 双端输入双端输出,3. 动态分析,双端输出电压为,uo=uo1-uo2=Ad1ui1-Ad2ui2,Ad1(ui1-ui2)=Ad1ui1,a): 电压放大倍数,双端输入双端输出差动电路 的差模电压放大倍数为,加负载时,ro = 2 RC,输入电阻,输出电阻,b）输入输出电阻,同相端输出,反相端输出,2) 双端输入单端输出,UCC,ui1=ui,ui2=0,尽管信号是由单端输入,但由于RE的耦合作用,事实上是两管同时取了信号的,3) 单端

5、输入单端输出,当T1管输入信号电压ui且极性如图所示,T1的集电流 增大,其增大量为IC(正值),流过RE的电流也增大,因 而发射极电位升高,使T2基射极电压减小UBE2,T2的 集电极电流也就减小,其减小量为IC2(负值)。IC1和 IC2的相对大小,取决于RE的大小,RE大,T1的输入信号 耦合(传送)到T2管的作用也强,VE=RE(IC1+IC2,是一有限值,当RE足够大时, IC1+IC20对信号讲,RE电路可 认为是开路的,如图所示,ui11/2ui,ui2-1/2ui,在单端输入的差动放大电路中,只要共模反馈电阻RE 足够大时,两管所取得的信号就可以认为是一对差模 信号,从这一点来

6、看,单端输入和双端输入是一样的,ui1=ui,ui2=0,是一对比较信号， 可分解为一对 共模信号和 一对差模信号,4) 共模抑制比,1,差模输入,ui1 = -ui2= ud,差模电压放大倍数,共模输入,2,ui1 = ui2 = uC,共模电压放大倍数,共模抑制比,KCMRR,KCMR,dB)(分贝,Common - Mode Rejection Ratio,differential mode,common mode,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上,集成电路的优点,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小,集成电路的分类,模拟集成电路、数字集成电路,小、中、大、超

7、大规模集成电路,一 集成运放的内部结构及特点,8.2 集成运算放大电路,集成电路内部结构的特点,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接,4. 二极管一般用三极管的发射结构成,UEE,UCC,u,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,原理框图,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗Ri 尽可能大,对中间级的要求：足够大的电压放大倍

8、数,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流Io 。即输出阻抗 Ro小,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,IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管,= IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,集成运放内部结构（举例,极 性 判 断,

9、Ri 大: 几十k 几百 k,运放的特点,KCMRR 很大,Ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,运放符号,国际符号,国内符号,一、开环差模电压放大倍数Aod,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为,二、共模抑制比KCMR,常用分贝作单位，一般100dB以上,三、差模输入电阻Rid,Ri1M, 有的可达100M以上,四、输出电阻Ro,Ro =几-几十,二 集成运放的主要性能指标,五、最大共模输入电压UIcmax,六、最大差模输入电压UIdmax,七、-3dB带宽fH,运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号,关于集成运放的应用下

10、面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种,通用型 高速型和宽带型 高精度(低漂移型） 高输入阻抗型 低功耗型 功率型,三 集成运放的种类,通 用 型,通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741 (A741)为例，输入失调电压12 mV、输入失调电流20 n

11、A、差模输入电阻2 M，开环增益100 dB、共模抑制比90 dB、输出电阻75 、共模输入电压范围13 V、转换速率0.5 V/s,高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重转换速率SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,高精度(低漂移型,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如： OP177 CF714,高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。 例如： AD549 CF

12、155/255/355,低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如： OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。 OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W 。 CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W,功 率 型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。 例如： LM12 TP1465,ri 高:几十k 几百k,运放的特点,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A uo 很大:104以上 107,运放的特点,Uo(sat,Ao越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区,运算放的器的传输特性,uo=Auo(u

13、-u,线性区,Uo(sat,u+-u,理想特性,实际特性,运算放大器工作在线性区时，分析依据,1)由于运算放大器的差模输入电阻rid ,可认为两个输入端的输入电流为零。即,2)由于运算放大器的开环电压放大倍数 Auo ,而输出电压是一个有限的数值,即,uo=Auo(u+-u,虚短路,运算放大器工作在饱和区时，分析依据,当u+u-时, uo=+Uo(sat,当u+u-时, uo=-Uo(sat,8.3 运算放大器在信号运算方面的应用,1) 反相比例运算放大器,i1if,1、 比例运算,根据线性区的两条依据,解,反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小,RP=R1/RF,2. 同相输入,u- u+=

14、 ui,电压串联负反馈输入电阻高，输出电阻低,i1if,举例: 电压跟随器,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好,2、 加法运算,当R11=R12=R13=R1 时,uo=-(ui1+ui2+ui3,3、 减法运算,解出,当R1=R2,R3=RF时,当R1=RF时,4、 微分运算,u- u+= 0,若输入,则,应用举例,5、积分运算,1、输入方波，输出是三角波,2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和,U,积分时限,思考,如果输入是正弦波，输出波形怎样，运放实验中请自己验证,例:电路如

15、图所示，已知uO= -55uI其余参数如图所示，试求R5的值,解：第一级运放构成同相比例运算电路,第二级运放构成反相比例运算电路,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：同相求和和反相求和,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,一、(1)反相求和运算,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,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便,虚断,虚短,也可应用叠加 定理进行求解,一、(2)同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，

16、以适应不同的需要,节点P的电流方程为,节点N的电流方程为,则,也可应用叠加 定理进行求解,与反相求和电路比较,虚短路,虚断路,虚断路,二、加减运算电路,也可应用叠加定理进行求解,优点：元件少，成本低,缺点：阻值的调整计算不方便,改进：采用双运放电路,单运放的加减运算电路,Rf=100k R1=10k,双运放的加减运算电路,第一级为同相比例运算电路,第二级为双输入加减运算电路,若,对于uI1和uI2输入电阻为无穷大,1. 都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小,2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高,3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小,比例运算电路与加减运算

17、电路小结,设计一个运算电路，要求输出电压与输入电压之间的关系为,接于同相输入端,接于反相输入端,微分运算电路与积分运算电路的应用,输入方波，输出是三角波,1、积分运算,uN= uP= 0,uN= uP= 0,2、微分运算,其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等,积分电路的主要用途,1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相,运算电路要求,1. 熟知各种单运放组成的基本运算电路。 2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 3. 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定运算

18、电路的 放大倍数,1、滤波电路的分类,按信号性质分类,按电路功能分类,低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器；全通滤波器,按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,按阶数分类,一阶，二阶 高阶,8.4 有源滤波电路,一、 滤波电路的基础知识,传递函数,幅频特性,相频特性,二，传递函数的定义,低通,高通,带通,带阻,三，四种典型的频率特性,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。 图13.02 滤波过程,滤波电路的用途,一）无源滤波电路（以一阶滤波器为例,传递函数,四，无源滤波电路和有源

19、滤波电路,1. 带负载能力差,2. 无放大作用,3. 特性不理想，边沿不陡,截止频率处,此电路的缺点,二、一阶有源低通滤波器,传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器,幅频特性,相频特性,0通带截止角频率,3. 运放输出，带负载能力强,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,电路的特点,2. =o 时,1. =0 时,通带增益Aup,有源滤波器的优点,1. 不使用电感元件，体积小重量轻,2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响,3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节,有源

20、滤波器的缺点,1. 不宜用于高频,2. 不宜在高电压、大电流情况下使用,3. 使用时需外接直流电源,解出,其中,二阶有源低通滤波器,传递函数中出现 的二次项，故称为二阶滤波器,一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别,阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器,如何组成高通滤波器,将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤波器就变成了高通滤波器,三、一阶有源高通滤波器,幅频特性,小 结,集成运放的两个工作区 信号的运算和处理所采用的集成运放都工作在线性区， 即：从电路结构上看，运算电路和滤波电路都引入了 深度负反馈。虚短，虚断 运算电路:就是电路的输出信号与输入信号之间存在某种数学运算关系。这一类电路具有以下几个共同的特点 运算电路中一般都引入了深度的负反馈。 无论输入端采用同相输入或反相输入方式，反馈信号 总是引回到反相输入端。 分析方法：利用虚短和虚断的概念，列关键节点的电流方程， 或利用叠加定理,有源滤波器