汽车电工电子技术-吉林大学6228

○○○＋UCCRRB2RC1RB1VT1RC2VT2V3○○

*直流信号：变化比较缓慢且极性往往不变的信号。7.1

直接耦合放大电路与差动放大电路7.1.1直接耦合放大电路返回

*直接耦合：级与级之间用导线直接相连的方式。

零点漂移—

当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。产生原因—

温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。7.1.2差动放大电路1.基本差动放大电路ui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo2电路结构特点：左右两边对称输入输出形式：双端输入、双端输出uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo21)抑制零点漂移的原理静态时，ui1=ui2=0，由于电路对称温度上升，引起两边电流变化零漂被抑制。uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo22)动态工作原理①差模输入*差模信号：极性相反，大小相同的信号。*1bi1ci01u2bi2ci02u有放大作用*差模电压放大倍数：uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo2②共模输入*共模信号：极性相同，大小相同的信号。*1bi1ci01u2bi2ci02u理想化对共模信号的不放大就是对零点漂移的抑制*共模电压放大倍数：(由于两侧不完全对称,uo≠0，很小，即AC«1)ui③任意输入*任意信号：既非差模，又非共模的，大小和相位都任意的一对信号。放大任意信号中的差值成份**共模抑制比差模电压放大倍数Ad共模电压放大倍数AC2.典型差动放大电路

由于电路仍然保持对称，所以该电路对零点漂移的抑制和对输入信号的处理过程与基本差动放大电路相同。但电路中增加了RE、RP、-UEE三个元件。RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoVT1VT2T↑IC1↑IC2↑IE↑UE↑UBE1↓UBE2↓IB1↓IB2↓IC1↓IC2↓

RE对共模信号有强烈的负反馈作用，进一步抑制零漂。但对差模信号相当于短路毫不影响Ad，同时，也可克服电路不对称引起的零漂。

加入射极公共电阻RE（共模反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂。

RE的作用：RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoVT1VT2

负电源UEE

(EE)的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。

但当RE越大时，虽然抑制零漂作用越强，但UEE也需增大。

RP为调零电位器，用来改变两边晶体管的工作状态，使输出电压为零，一般取值不大。差动放大电路四种输入输出方式性能比较

利用半导体集成制造技术，将一个具有高放大倍数，多级的直接耦合的放大电路，集中制造在一个半导体硅基片上，并进行封装，引出功能引脚所形成的集成电子电路，简称集成运放。7.2

集成运算放大器简介*集成运算放大器返回7.2.1集成运算放大器的电路构成简单介绍1.集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入输出抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流2.集成运放的管脚图及符号F007管脚图

F741（F007）12348765符号A—反相输入端B—同相输入端F—输出端

Au－＋u+u－uoABF＋

信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。7.2.2集成运算放大器的主要技术指标1.输入失调电压Uio

当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（0.5～5mV）2.输入失调电流Iio

输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。

Iio＝IB1－IB2

其值越小越好（1~10nA）3.输入电阻与输出电阻输入电阻大，ri>1MΩ，有的可达100MΩ以上；输出电阻小，ro＝几Ω～几十Ω。4.开环差模放大倍数Auo

运放在开环时的差模放大倍数其值越高越好（104～107）5.最大输出电压Uopp

输出不失真的最大输出电压值，通常小于近似等于集成运放的供电电压。共模抑制比KCMR

集成运放的开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比，大于100dB。

实际运放

u+u－uoriroAuoUiuiAuo很高，>104ri很高，几十~几百kΩro很低，几十~几百ΩKCMR很高

理想运放

u+u－uoAuoUiuiAuo＝∞ri=∞ ro=0KCMR＝∞u+uo

∞－＋＋u-集成运放图形符号7.2.3集成运算放大器的电压传输特性及其

分析特点

运算放大器的电压传输特性

集成运放的输出电压uo与输入电压ui(u+－u－)之间的关系uo＝f(ui)称为集成运放的电压传输特性。uoui+UOM－UOMuo＝Auo

ui

=Auo(u+－u－)ui<|UiM|

，运放工作在线性区线性区非线性区ui>|UiM|

，运放饱和，工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。O

∞－＋uo＋ud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uoui+UOM－UOM理想运放的电压传输特性ui≠0，|uo|＝±UOM即u+≠

u－时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。O

运算放大器的分析特点1.线性区

集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。

虚短

uo＝Auo（u＋－u－）

Auo≈∞u＋－u－≈uo／Auo≈0u＋≈u－

当u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈

0

称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。

u+u－uoui

虚断

流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。∵ri≈∞ I－≈I+≈02.非线性区

在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。

u+I－uou－I+1.5kΩ

例、利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过VD的电流iD及VD两端的电压uD。

∞－＋uo＋ui15V－0.67VVDiDiRi＋i

－解：虚地点R2

∞－＋uo＋uiifi1R1Rf7.3集成运放在信号运算电路中的应用1.比例运算电路1)反相比例运算电路∵i+≈0（虚断）∴u

+＝0

u

+≈u

－≈0（虚地点）i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f即ui/R1=－uo/

Rf

返回uo、ui符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf

与运放的Au无关，仅与R1、Rf

有关。

R2—平衡电阻同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。

R2＝R1//Rf

当R1＝Rf时，uo＝－ui，该电路称为反相器。R2

∞－＋uo＋uiifi1R1RfR22)同相比例电路

∞－＋uo＋uiR1Rf∵i+≈0（虚断）∴u

+＝ui

u

+≈u

－≈ui（虚短）i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo)／Rf

=(ui－uo)／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝ififi1

当Rf＝0或为有限值时，R1＝∞

∞－+uo＋ui

R2—平衡电阻

R2＝R1//RfAuf=1→电路成为电压跟随器。

uo＝ui

此电路输入电阻大，输出电阻小。例1、应用运放来测量电阻的电路如图，U＝10V，R1=1MΩ，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。Rx

∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此电路为反相比例电路例2、理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4解:此电路为同相比例电路判断这个等式、×√

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4u+解:此电路为同相比例电路RP2.加法运算电路uo

∞－＋＋ui2ifi2R2Rfui3i3R3ui1i1R1

在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。

求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。3.减法运算电路（差动运算电路）

∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入当R1=R2=R3=Rf=R

时，uo=ui2－ui1(减法器）R2//R3=

R1//

Rf当例3、用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求Io与US的关系。解:电路实为反相比例电路

∞－＋Uo＋USI2I1R1R1mAIoIRUo=－USI1=I2(虚断）Io=I－I2=Uo/R－US/R1I=Uo/RI1=I2=US/R1=－US(1/R+1/R1)例4、已知RF＝4R1，求uo与ui1、ui2的关系式。

A1－

+＋ui1

A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1为跟随器；A2为差放。uo′=ui1uo＝5ui2－4ui130kΩ10kΩ10kΩ例5、如图，求uo与ui1、ui2的关系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui2uo′10kΩ6kΩ解:A1为反向加法器；A2为反相比例电路。4.

积分运算电路

∞－＋uo＋uiiCi1RRPCuituot－UOMuo正比于ui的积分OO

延迟积分电路的应用uitUuotT－U信号延迟时间T后，电压值达到U

方波转化为三角波uituotOOOO例6、电路如图，已知运放±UOM=±10V，输入信号波形如图，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求输出波形。（电容初始能量为零）

∞－＋＋uiRRPCuoui/vt/s1ORC=1×106×0.05×10－6s=0.05suo=

UOMAX＝－10V=－20tt=0.5suo/vt/s－100.5解:O-1uo/Vt(ms)－5+5OOui/Vt(ms)1O2O3O例7、在积分运算电路中，R＝50KΩ，C＝1μF，输入波形如图，求uO。设电容的初始电压为零。当t＝0～10ms时当t＝10～20ms时解：例8、电路如图所示，已知R1=R2=10kΩ,C=0.1μF,集成运放±UOM=±18V,求：

试导出uo与u1、u2关系式；

已知u1、u2波形，试画出uo波形。

∞－＋＋u1R1RCuou2R2t=10mst=20msu1/vt/ms1－0.50.5t/ms10102020u2/vuo/vt/ms－151020－10－12OO5.

微分运算电路iR

∞－＋＋uiRRPCiCuouo正比于ui的微分uituotOO例1、如图，求uo。A1：反相比例

A2：同相比例

A3：差动输入解：

A1－

+＋

A3－＋uo＋100kuo150k80k20k

A2－

+＋12k50k100k12k11k30k60kuo2－0.3V0.4V关于推导运算关系的小结1.利用基本单元运算电路的基本关系式例2、如图，求uo1、uo2、uo3的值。A1：反相加法A2：同相比例A3：差动输入4kΩ2kΩ2kΩ3kΩ24kΩ

A1－

+＋

A3－＋uo3＋12kΩuo12kΩ

A2－

+＋4kΩ3kΩuo2－1V3V1.2V例1：求iL与ui的关系式。

∞－＋uo＋uiRR1iLRL2.利用虚断、虚短、虚地重新推导R4R

∞－＋uo＋uii2i1R1R2R3i4i3M例2、图示电路为T形反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。u

+≈u

－≈0（虚地点）∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i2=ui／R1解:

此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。ui

∞－＋uo＋ifiR1R2CfRfR1C1iC1例3：电路如图求运算关系比例——积分——微分放大器即PID调节器例1、理想运放如图，试求证：

A1+－＋

A3－＋uo＋uo1

A2－

+＋uo2RRRR/2R/2R1ui1ui2uR1=ui1－ui2

3.即利用基本单元运算电路的基本关系式，又利用虚断、虚短、虚地，还要利用分析电路的各种定律及分析方法。例2：由仪用放大器组成的温度测量电路

ui=Rt-R2(Rt+R)URt热敏电阻uo=Rt=f(T°C)uoR/2R/2++A3RR++A1_+A2RRR1+

U=+5VRRRRtui＋

集成化:仪表放大器AD520系列例3:按下列运算关系画出运算电路，

给定RF=10k

。答案不唯一！请再设计一个不同的电路。_+

+

RFR1RP1ui2_+

+

RFR3RP2R2ui1uo7.4.1反馈的基本概念

正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。1.反馈：指将放大电路输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响整个放大电路的过程。放大电路反馈电路输出信号反馈信号输入信号比较环节净输入信号7.4放大电路中的负反馈返回2.反馈放大器的一般分析

开环放大倍数：

反馈系数：

闭环放大倍数:放大电路反馈电路

负反馈放大器的一般关系

反馈深度正反馈负反馈深度负反馈

当A很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关，只与反馈网络有关。7.4.2反馈类型及其判别电压负反馈—

反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈—

反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈—

反馈信号与输入信号以串联的形式作用于输入端；并联负反馈—

反馈信号与输入信号以并联的形式作用于输入端。串联电流负反馈电压并联1.反馈类型2.反馈类型的判别

反馈类型的判别包括反馈极性、直流反馈或交流反馈、电压反馈或电流反馈以及串联或并联反馈的分析判定。

正反馈或负反馈的判别—瞬时极性法

假定输入信号在某一瞬时对地极性为正。由各级输入、输出之间的相位关系，分别推出其它有关各点的瞬时极性。判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。若加强则为正反馈，削弱则为负反馈。

电压反馈与电流反馈的判别—输出短路法

令输出电压端口短路，若此时反馈信号仍存在（非0），则电路为电流反馈，反之为电压反馈。

并联反馈或串联反馈的判别净输入信号与负反馈信号是并联关系，且有净输入信号与负反馈信号是串联关系，且有R2

∞－＋uo＋uiifi1R1RfR2

∞－＋uo＋uiR1Rfifi1电压并联负反馈例：电压串联负反馈

A1－

+＋ui

A2－＋uo＋RRRuo′RRF例、判断下图反馈类别。负反馈若ui＝0，uo′＝0，则uo＝0电压反馈İiİf显然有并联反馈交、直流并联电压负反馈RERL○RB++uo＋UCCRSuSui～例、判断下图反馈类别。○C1C2CE直流电流串联负反馈电压串联负反馈＋UCCRER2RPR1例：判别串联型晶体管稳压电路的反馈类型UI=Uo+UCE1UBE1=UB1－UE1

=UC2－Uo采样基准调整比较放大CR3R4RLVZUZUIUBE1UCE2UBE2UoIoUCE1Uo

→UB2

→UC2

→UBE1

Uo

UCE1

7.4.3负反馈对放大器性能的影响1.放大倍数被降低

电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。

增加放大倍数的稳定性

电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放大倍数的稳定性得到提高。

扩展通频带|A|fBOBF

电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF。

减小非线性失真

电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。、|Af|O

串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。

抑制干扰和噪声放大电路反馈电路加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。例：下列情况下，应引入何种组态的负反馈？(1)使放大电路的输出电阻降低，输入电阻降低。(2)使放大电路的输入电阻提高，输出电压稳定。(3)使放大电路吸收信号源的电流小，带负载能力强。电压并联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈(2)滤波器的分类:*

按所用元件分:7.5.1有源滤波器(1)滤波器：它是一种选频电路。能使一定频率范围内的信号顺利通过，而在此频率范围以外的信号衰减很大，不易通过。7.5集成运放在信号处理与产生方面的应用1.滤波器概述无源滤波器RC+

+

有源滤波器RR1RFC+-+返回

低通高通带通带阻*

按电路功能分:

*按阶数分：即传递函数中出现信号频率ω的几次项，称为几阶。有一阶、二阶、‥‥‥高阶。RR1RFC+-+2.一阶有源低通滤波器称ω0为截止角频率|Auf|ω|Auf0|0.707|Auf0|ω0幅频特性曲线O

二阶有源低通滤波器RR1RFC+-+CR阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器|Auf|ω|Auf0|理想低通一阶低通二阶低通O7.5.2

电压比较器1.

电压比较器概述1)

电压比较器：

它是一种用来比较输入信号ui和参考电压UR大小的电路。2)

工作状态：

比较器处于开环或正反馈状态，输入与输出之间成非线性关系，因此虚短等深度负反馈概念不再适用。3)

分析方法：*门限电压UT：使u+=u－的ui称为门限电压UT，当ui与UT比较。*使u+>u-

时，比较器输出高电平(无限幅时，uo=+Uom）*使u+<u-时，比较器输出低电平(无限幅时，uo=-Uom）2.

过零比较器

∞－＋＋uiRRPuououi+UOM－UOMO若ui为正弦波uituot－UOM+UOMuo为方波OO限幅措施ui<0正饱和uo＝+(UZ+UD)ui>0负饱和uo＝－(UZ+UD)

∞－＋＋uiRRPuo±UZuoui+UZ－UZOuoui-UZ+0.7VOuoui+UZ－0.7VO

∞－＋＋uiRRPuo±UZ

∞－＋＋uiRRPuo±UZ关于画电压传输特性曲线的小结：1、曲线的跃变点：门限电压UT

2、曲线的扭拐形状：反相输入(ui)：曲线全部(过零电压比较器)

或大部分(任意电压比较器)在2、4象限。同相输入(ui)：曲线全部(过零电压比较器)

或大部分(任意电压比较器)在1、3象限。3、曲线的高度：1)输出无限幅：uO＝±UOM2)输出双向稳压管限幅：uO＝±UZ或±(UZ+0.7V)3)输出单稳压管限幅：+UZ、-0.7V或-

UZ、+0.7VuouiOui<UR

正饱和uo＝+UZui>UR

负饱和uo＝－UZ

uoui+UZ－UZURO3.

任意电压比较器UR

∞－＋＋uiR1R2uo±UZUR

∞－＋＋uiR1R2uo±UZ+UZ－UZUR集成运放的应用——车灯断线监测电路

+-VT正常工作时，车灯全亮，检测电阻R中电流大，R上电压大。UA电位低，使UB>UA即u－>u+，比较器输出u0低电平三极管VT截止，断线报警灯不亮。当有一个或几个车灯断线R中电流小、电压小。uA↑使UA>UB，u0高电平VT导通，报警灯亮。返回例1：已知：UOM＝±15V，UZ＝6V，正向导通电压

0.7V，画出uo1～uo4的波形。

∞－＋＋uiuo11VVSuo1t－6.7+6.7ui/Vt5

∞－＋＋uiuo21VVS过1反相限幅比较器1uo2t－6.7+6.7过1同相限幅比较器OOO

∞－＋＋uiuo41VVD

∞－＋＋uiuo31VVSuo3t－0.7+6.7ui/Vt51uo4t－0.7+15过1反相限幅比较器过1反相限幅比较器OOO例2：已知UOM＝±12V，UZ＝6V，正向导通电压0.7V，ui=12sinωt，UR＝3V，画出电压传输特性曲线和uo波形。ui

<3正饱和VS稳压，uo＝