中南大学电子技术课件-运放和负反馈电路

(3-1)

第3章集成放大电路的基本概念——是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。它的体积小，而性能却很好。3.1集成电路基本概叙：IntegratedCircuit（IC）1958年，第一块集成电路诞生（4个晶体管）1969年，大规模集成电路（上千个晶体管）1975年，超大规模集成电路（上万至百万晶体管）*集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC。*模拟IC：通用模拟IC和专用模拟IC。*通用模拟IC：运算放大器、宽带放大器、功率放大器、

模拟乘法器、稳压器、锁相环等。二、集成运放及其基本构成——集成运放即集成运算放大器，是一个高性能的直接耦合多级放大器，是模拟电路中最重要的通用型集成电路。输入级中间级输出级偏置电路u+u-uO集成运放的基本组成偏置电路：向各放大级提供偏置电流，常用电流源电路。输入级：应尽量减小零点漂移，常用差动放大电路；中间级：输出级：主要承担电压放大作用，常用共射或共源放大电路；应有较强的带负载能力，常用互补推挽功放电路。一、模拟IC的工艺特点EC-ECC1C2CeRb1Rb2ReRLRCRSuSEC+-+-uoEC-EC1．制造数十皮法以上的电容将占用很大的硅片面积，电路中

使用电容非常不合算，无法集成电感元件，所以集成运放

都是采用直接耦合方式。2．元器件参数精度差，但对称性好，所以大量采用对管结构。1、晶体管(BJT)按标准工艺制作，成本低且占用硅片面积小。

二极管一般都用BJT的一个PN结担任，不再用专门工艺生产。2、生产电阻的工艺不比生产晶体管的工艺简单，而且电阻值越

大，占用硅片面积越大，所以大电阻常用BJT或FET代替。

3、

集成运放中的BJT（FET）除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态偏置；或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高电路的放大能力。电流源分为理想电流源（恒流源）和实际电流源（电流源），3.2集成运放中的电流源电路理想电流源可以向外电路提供恒值电流，具有两个基本特征：（1）输出的电流是恒定值，与端电压大小无关；

（2）端电压的大小与电流源本身无关，而由外电路决定。实际电流源的输出电流随端电压的变化而变化。uiiSuiiS

实际的电流源是利用某些器件的伏安特性具有接近理想电流源的特性构造而成，如硅光电池，BJT的输出特性曲线（放大区）和FET的输出特性曲线（恒流区）。一、BJT的基本恒流原理i+-uiSRL理想电流源i+-uiSRLRS实际电流源电流源内阻集成运放中的电流源电路uiiSuiiS一、BJT的基本恒流原理i+-uiSRL理想电流源i+-uiSRLRS实际电流源ECRbDTRc+-uCEiCiCuCE0ICQUCEQΔiCΔuCErOuCE+-ICQrOiCEC1、

三极管电流源RB1+ECRCRB2RERL三极管电流源电流源的特点:端口电流恒定，交流等效电阻大。作用：1）为放大电路提供稳定的偏置电流；2）为放大电路的有源负载，提高放大电路的增益。2、

镜像电流源+ＶＣＣ1）电路

T1、T2的特性相同

2）电流估算当b>>2

时提高镜像精度+ＶＣＣ的引入减少对的分流利用T3的电流放大作用，减小IB对IREF的分流作用，从而提高IC2与IREF互成镜像的精度。镜像电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。+ＶＣＣ根据PN结的伏安特性可知，BJT发射结的电压ＵBE和电流IE的关系:

为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻RＥ2，由电路可得：整理可得：3、

微电流源用阻值不大的RＥ2就可获得微小的工作电流。一般ＵBE2<<ＵBE1，T2工作在输入特性曲线的弯曲部分。4、比例电流源+ＶＣＣ5、多路电流源电路源

集成运放是多级放大电路，需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以用一个基准电流获得多个不同的输出电流，以适应各级需要。1、基于比例电流源的多路电流源VCCRT1T2IRIC2T3IC3IcnRe1Re2Re3Ren2、多集电极管构成的多路电流源IRIBVCCIC1IC2IC3通过改变发射极电阻获得各种数值的电流通过改变集电区面积获得各种数值的电流6、

电流源用作有源负载由于所以有源负载大大提高了放大电路的电压增益。VCCTRVZRe三种基本电流源比较ECRT1T2ECRT1T2R1R2ECRT1T2R2其他电流源电路1、稳压管式电流源-VEETR1R2Re2、分压式电流源IOIOIOIOIO基本镜像电流源比例电流源微电流源对输入级的要求：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。集成运放的结构（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。集成电路内部结构的特点(1)

差分输入级（组合电路）(2)

中间级（提供高增益，差分、CE）(3)

输出级（互补输出）(4)

附加电路(直流偏置、相位补偿、调零电路等）差分输入级电压放大级输出级偏置电路+vid-vo一、组成框图T1—T7共集-共基组合差分电路通用型集成运算放大器

F007电路简介T5---T7有源负载构成双端变单端电路T16、T17复合管，共发射极具有高增益T18T19、T14甲乙类互补对称功率放大电路(OCL)F007的结构框图21F007的偏置电路二、等效电路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–uid—差模输入电压uid=u

–u+Aud—开环差模电压放大倍数

uo=Aud(u+–u)(1-23)理想运算放大器理想运算放大器(1)

高增益Aod

=∞(2)失调小Ri=∞(3)恒压输出Ro=0(4)频带宽BW=∞(5)零输入零输出

u+=u-时uo=0(6)没有温度漂移KCMR=∞传输特性曲线线性区OuiduoUomax–Uomax正饱和区负饱和区(1-24)由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点3、在分析信号运算电路时对运放的处理(1-25)4、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚开路放大倍数与负载无关，

可以分开分析。u+uo_++u–Ii(3-26)

第4章放大电路中的负反馈(3-27)第4章放大电路中的负反馈§4.1负反馈的概念§4.2负反馈的类型及分析方法§4.3负反馈对放大电路的影响(3-28)反馈在电子电路中应用极为广泛。按照极性的不同，反馈可分为负反馈和正反馈两种类型，它们在电子电路中的作用不同。在所有实用的放大电路中都要适当地引入负反馈，用以改善放大电路的一些性能指标。正反馈会造成放大电路的工作不稳定，但在波形产生（即振荡）电路中则要引入正反馈，以满足自激振荡的条件。

本章首先介绍反馈的基本概念及负反馈放大电路的类型，然后介绍负反馈放大电路的分析方法、负反馈对放大电路性能的影响。(3-29)§4.1负反馈的概念1.什么叫反馈

定义：把电路的输出量（一部分或全部）通过反馈网络送回到输入端，从而影响净输入的过程。

判断：反馈网络――连接输入与输出回路。(3-30)例1：反馈的判断直流负反馈――稳定ICQ直流：交流：交流负反馈――稳定(3-31)例２：＋－Ａ＋－Ａ＋－Ａ有无反馈？直流反馈还是交流反馈？？(3-32)2．反馈极性(1)

定义：

负反馈：反馈回的信号与原输入信号的作用相反；使净输入下降；增益下降。

正反馈：反馈回的信号与原输入信号的作用相同；使净输入增加；增益增加。(2)

极性判断方法――瞬时极性法

先假定输入量的瞬时极性(+、正、↑)

由输出通过反馈网络确定反馈信号极性。

观察反馈量与原输入对净输入的作用：

按信号正向放大（入→出）路径，根据输入、输出相位关系，确定输出量的瞬时极性。相同――正反馈相反――负反馈(3-33)例３：反馈网络：R4、R3、R7，π型原输入现输入正反馈反馈极性(3-34)反馈网络：RF原输入现输入负反馈反馈极性(3-35)反馈极性＋＋＋＋－Ａ＋－Ａ＋＋正反馈负反馈＋(3-36)例

：输入回路输出回路判断电路是否存在反馈。是正反馈还是负反馈？直反馈还是交流反馈？RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使

uid减小，为负反馈。既有直流反馈，又有交流反馈。6.1.2反馈的判断（6）(3-37)例：判断下图电路的反馈极性。6.1.2反馈的判断（7）(3-38)3.本级反馈与级间反馈的判断本级反馈

—

反馈信号取自本级输出，回送到本级的输入回路。级间反馈

—反馈信号取自后一级输出，回送到前一级的输入回路。整体反馈

—反馈信号取自最后一级输出，回送到最前一级的输入回路。(3-39)例：+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+–T1T2Rf(3-40)３、负反馈放大电路的组成信号源求和基本放大电路取样负载输入量净输入输出量开环反馈网络反馈量反馈环闭环(3-41)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络1．基本放大电路（无反馈）(3-42)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络反馈网络二端口反馈系数F(3-43)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络输出取样(1)电压取样（电压反馈）连接方式――并联反馈网络输入为VO(3-44)输出取样(续一）(1)电压取样（电压反馈）连接方式――并联反馈网络输入为VO＋－Ａ(3-45)RLuoRLuo电压反馈采样的两种形式采样电阻很大输出取样(续二）(3-46)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络输出取样(续三）(1)电流取样（电流反馈）连接方式――串联反馈网络输入为ＩO(3-47)输出取样(续四）(1)电流取样（电流反馈）连接方式――串联反馈网络输入为ＩO＋－Ａ+_(3-48)输出取样(续五）电流反馈采样的两种形式：RLioiERLioiERf采样电阻很小(3-49)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络输入求和连接方式――串联(1)串联求和（串联反馈）（信号源、放大器、反馈网络）

电压加减

Vid

=Vi-Vf

信号源等效成电压源(3-50)＋－Ａ输入求和(续一）连接方式――串联(1)串联求和（串联反馈）（信号源、放大器、反馈网络）

电压加减

Vid

=Vi-Vf

信号源等效成电压源(3-51)信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络输入求和(续二）连接方式――并联(1)并联求和（并联反馈）（信号源、放大器、反馈网络）

电流加减

iid

=ii-if

信号源等效成电流源(3-52)输入求和(续三）连接方式――并联(1)并联求和（并联反馈）（信号源、放大器、反馈网络）

电流加减

iid

=ii-if

信号源等效成电流源＋－Ａ(3-53)iifibib=i-if并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈输入求和(续四）(3-54)用电路结构判断反馈类型运放电路6.1.2反馈的判断（5）(3-55)用电路结构判断反馈类型运放电路(3-56)ufud例1：+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+–T1T2Rf分立元件电路（CE)(3-57)例2：判断如图电路中RE1、RE2的负反馈作用。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiubeie电流串联反馈RE2对交流反馈不起作用1.对交流信号：ieueube=ui-ueibieRE1：电流串联负反馈。(3-58)2.对直流信号：RE1、RE2对直流均起作用，通过反馈稳定静态工作点。反馈过程：IERCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiUBEIEUBUEUE=IE(RE1+RE2)UBE=UB–UEIBIE(3-59)例3：判断如图电路中RE3的负反馈作用。+UCCT1T2T3RB1RC1RB2RC2RB3RC3RE3uiube1ufie3电流串联负反馈。(3-60)负反馈交流反馈直流反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点负反馈的分类电压串联负反馈信号源求和基本放大电路取样负载反馈网络(3-61)4.2负反馈放大电路(四种类型组合）1.电压串联负反馈(1)反馈网络(2)类型电压串联负反馈(3)反馈系数(3-62)运放电路(4)电压串联负反馈特点稳定vO；输出电阻ro变小；输入电阻ri变大；反馈量在输入回路是以电压形式出现串联反馈要求恒压激励(RS→0)反馈失效反馈最强电压负反馈串联负反馈＋－Ａ(3-63)(1)反馈网络：Rf、RE1(2)类型电压串联负反馈(3)反馈系数ufuid例：+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+–T1T2Rf(+)(+)(-)(-)(+)(+)(4)特点（5点）(3-64)2.

电流并联负反馈(1)反馈网络(2)类型电流并联负反馈(3)反馈系数(3-65)

稳定iO；

输出电阻ro变大；

输入电阻ri变小；

反馈量在输入回路是以电流形式出现

并联反馈要求恒流激励(

)反馈失效反馈最强电流负反馈并联负反馈＋－Ａ+_(4)电流并联负反馈特点(3-66)例：判断Rf是否负反馈若是，判断反馈的组态。+UCCRCC2C1Rfuiuoiibif电压反馈并联反馈uoifib=i+ifuo(1)反馈网络Rf

(2)类型电压并联负反馈(3)反馈系数(4)特点（5点）3.电压并联负反馈(3-67)电压并联负反馈（续一）＋－Ａ(+)(-)(-)(3-68)4.电流串联负反馈例:判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。电流反馈串联反馈+UCCuC1uB2uouiuFRE2RfRE1RC1RC2iE2(3-69)＋－Ａ+_(3-70)++-反馈放大电路的简化框图

负反馈放大电路的分析方法1、负反馈放大电路的基本关系式求和：比例系数:开环增益:(基本放大电路)闭环增益:(反馈放大电路)环路增益:(3-71)负反馈放大电路的基本关系式(续一）++-反馈放大电路的简化框图(1)电压串联(2)电流并联(3)电流串联(4)电压并联AF无量纲!(3-72)

负反馈放大电路的基本关系式(续二）反馈深度:D的意义:（稳态条件下）负反馈D>>1时，深度负反馈！正反馈正反馈自激！(3-73)分析举例(黑板）例题:

回答下列问题。

1.若要实现串联电压反馈,

Rf应接向何处?2.要实现串联电压负反馈,运放的输入端极性如何确定？(3-74)4.3负反馈对放大电路性能的影响

提高增益的稳定性

减少非线性失真

扩展频带

改变输入电阻和输出电阻在放大器中引入负反馈

降低了放大倍数

使放大器的性能得以改善：(3-75)一.提高放大倍数的稳定性闭环时则只考虑幅值有此式说明，负反馈放大电路放大倍数的相对变化量是基本放大电路放大倍数的相对变化量的（1+AF)