差动放大电路及运放课件

(4-*)

差动放大电路及运放

(4-*)4.1.1直接耦合电路因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。(4-*)+UCCuoRC2T21.前后级Q点相互影响。（须增加RE2）问题:uiRC1R1T1R2RE22.零点漂移:前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（须增加两级之间的直流负反馈）直接耦合放大器的级联(4-*)1.结构:对称性结构4.1.2基本型差动放大器+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2(4-*)2.优点：抑制温漂原理如下:uo=uC1-uC2

=0uo=(uC1+

uC1

)-(uC2+

uC2)=0当ui1

=

ui2

=0时，当温度变化时：对称性uC1=uC2

uC1=

uC2+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2(4-*)3.共模电压放大倍数ACuo=uC1-uC2

+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2

当ui1=ui2（大小相等，极性相同），共模输入信号

设ui1

，ui2

，使uC1

，uC2

。因ui1=ui2，

uC1=uC2

uo=0(理想化)。但因两侧不完全对称，uo≠0共模电压放大倍数AC=uoui1（很小，<1)(4-*)+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC24.差模电压放大倍数Ad

当ui1=-ui2（大小相等，极性相反），差模输入信号

(很大，>1)设ui1,ui2,使uC1,uC2

。设uC1=uC1-

uC1,uC2=uC2+

uC2

。因ui1=-ui2，

uC1=

uC2

uo=uC1-uC2=-

uC1-

uC2=-2

uC1

差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=uo2ui1

(4-*)5.共模抑制比(CMRR)的定义CMRR=20logdb(分贝)ACAd例:Ad=-200Ac=0.1CMRR=20log(-200)/0.1=66dbCMRR—CommonModeRejectionRatio(4-*)1.结构:4.1.3双电源长尾式差放特点：加入射极电阻RE加入负电源-UEE，采用正负双电源供电+UCC(+15V)RCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2-UEE（-15V）RE(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）RE2.双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0(4-*)双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用射极电阻RE的作用：T°C

IC1

IC2

IE

=IC1+IC2UE

=IERE+（-UEE）UBE1

、UBE2

IB1

、IB2

IC1

IC2

uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流负反馈，稳定静态工作点(4-*)射极电阻RE的作用：（2）RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）（3）RE对差模信号相当于短路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REIEui1=-ui2，设ui1

,ui2

ib1

,ib2

ie1

,ie2

ie1=-ie2

IE不变

结论：IE具有恒流特性用恒流源代替RE

，可使电路进一步改善(4-*)放大倍数(1)共模信号输入ui1=ui2共模电压放大倍数AC=uoui1(2)差模信号输入ui1=-ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=–

RCrbe

(4-*)放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2(3)如果ui1≠

ui2ud差模分量:2ui1-

ui2=共模分量:uC2ui1

+

ui2=ui1

=uC+

udui2=uC-

ud

叠加分解uC+

uduC-

ud结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存(4-*)放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2uC+

uduC-

ud只考虑共模输入时:uoC=ACuC只考虑差模输入时:

uod=Ad(2ud)总输出:

uo=uoC+uod=ACuC+Ad(2ud)

Ad(2ud)=Ad(2

)=Ad(ui1-

ui2)2ui1-

ui2ud2ui1-

ui2=uC2ui1

+

ui2=(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2总输出:

uo=Ad(ui1-

ui2)反相输入端u-同相输入端u_+放大倍数单端输入:当ui2=0时,双端输入uo=Adui1(4-*)§4.2负反馈凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。4.2.1负反馈的概念(4-*)反馈放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器开环闭环负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带反馈网络±迭加反馈信号实际被放大信号(4-*)基本放大电路Ao反馈网络F放大：迭加：负反馈框图：AO称为开环放大倍数+–

反馈：AF称为闭环放大倍数AF=Xo/Xi输出信号输入信号反馈信号差值信号负反馈放大器F称为反馈系数设Xf与Xi同相(4-*)负反馈放大器的一般关系闭环放大倍数：放大：反馈：迭加：AF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)=XoAo11Ao+F=Ao1+AoF(4-*)AF=Ao1+AoF负反馈放大器的闭环放大倍数当Ao很大时,

AoF»1,AF

1F结论:当Ao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。即负反馈可以稳定放大倍数。反馈深度(4-*)4.2.2负反馈的类型及分析方法一、负反馈的类型负反馈交流负反馈直流负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈作用：稳定静态工作点稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带作用(4-*)1、交流反馈与直流反馈交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用。二判断反馈类型的分析方法(4-*)增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1C(4-*)增加旁路电容C后，Rf只对直流起反馈作用。C+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1(4-*)2、判断反馈极性的方法瞬时极性法来判断反馈的极性

设放大器输入端的瞬时值为正极性，然后沿反馈环路逐级判断反馈到输入端信号的瞬时极性，如果反馈信号增强了输入信号的作用，则为正反馈，否则为负反馈

(4-*)3、判别负反馈类型的方法1)判断电压反馈还是电流反馈如果输出端短路（ＲL＝０）,反馈信号Ｘf＝０，则判断为电压反馈，否则为电流反馈基本放大器

A(s)Uo反馈网络B(s)UoIo基本放大器

A(s)Uo反馈网络B(s)Io(参考)一般uo的正端加在反馈网络上则为电压反馈，否则为电流反馈(4-*)如果输入端短路（Ｒs＝０）,反馈信号Ｘf加不到基本放大器输入端，则判断为并联反馈。否则为串联反馈。基本放大器

A(s)Ui反馈网络B(s)IiIdIf基本放大器

A(s)反馈网络B(s)UfUdUi(参考)一般ud的正端和反馈网络相接则为并联反馈，否则为串联反馈2)判断并联反馈还是串联反馈(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反馈网络电阻Rf和Re2

iiidif(参考)一般uo的正端加在反馈网络上则为电压反馈，否则为电流反馈电流反馈(a)如果输出端短路（ＲL＝０）,反馈信号Ｘf＝０，则判断为电压反馈，否则为电流反馈(b)如果输入端短路（Ｒs＝０）,反馈信号Ｘf加不到基本放大器输入端，则判断为并联反馈。否则为串联反馈。并联反馈(参考)一般ud的正端和反馈网络相接则为并联反馈，否则为串联反馈负反馈电流并联负反馈电路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反馈网络电阻RfRe1和Re2

(参考)一般uo的正端加在反馈网络上则为电压反馈，否则为电流反馈电流反馈(a)如果输出端短路（ＲL＝０）,反馈信号Ｘf＝０，则判断为电压反馈，否则为电流反馈(b)如果输入端短路（Ｒs＝０）,反馈信号Ｘf加不到基本放大器输入端，则判断为并联反馈。否则为串联反馈。串联反馈(参考)一般ud的正端和反馈网络相接则为并联反馈，否则为串联反馈正反馈电流串联正反馈电路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1反馈网络电阻Rf和Re1(参考)一般uo的正端加在反馈网络上则为电压反馈，否则为电流反馈电压反馈(a)如果输出端短路（ＲL＝０）,反馈信号Ｘf＝０，则判断为电压反馈，否则为电流反馈(b)如果输入端短路（Ｒs＝０）,反馈信号Ｘf加不到基本放大器输入端，则判断为并联反馈。否则为串联反馈。串联反馈(参考)一般ud的正端和反馈网络相接则为并联反馈，否则为串联反馈负反馈电压串联负反馈电路(4-*)集成运放简介及其线性、非线性应用4.3集成运算放大器主要授课内容第6讲(4-*)集成运算放大器学习目的与要求1.了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；2.掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；3.理解集成运放的线性应用及其工作原理；4.了解一般集成运放的简单非线性应用。(4-*)

1．集成运算放大器概述

集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。4.3.1集成运算放大器(4-*)

输入级一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同相输入端两个输入端；中间级的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。(4-*)集成电路的几种外形左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图(4-*)1μA7412876543空脚正电源端输出端调零端调零端反相输入端同相输入端负电源端集成运放的电路图符号∞＋＋－U0U+U-同相输入反相输入∞＋＋－+12V输出6513724-12V调零电位器外部接线图(4-*)

2．集成运算的主要技术指标

指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为104～107；

集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；（2）差模输入电阻ri和输出电阻r0

（1）开环电压放大倍数Au0

(4-*)

指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。（3）最大共模输入电压Uicmax(4-*)

3．理想集成运算及其传输特性理想特性集成运放的电压传输特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M实际特性线性区饱和区Auo=∞、ri=∞、r0=0

为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：根据集成运放的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。(4-*)

电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。当集成运放工作在线性区（+U0M~－U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态—使输出电压保持稳定。输出、输入电压的关系：(4-*)

根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：（1）虚断：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想运放内部不需要向信号源索取任何电流，两个输入端的电流恒为零。电流为零相当于断路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断；（2）虚短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想运放两个输入端的电位相等。两点等电位相当于短路，实际上两个输入端并未真正短接，因此称为虚短。(4-*)1.集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？2.理想运放的特点是什么？3.工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？何谓“虚断”？“虚短”？(4-*)uo=Ao(u+–u－)

Ao

u+–u－

0u+

u－uo－＋＋

u－u+ib-ib+

u+

=u－（虚短）

ib-=

ib+=0

（虚断）ri

ib-

0ib+

0集成运算放大器的分析方法输出电压变化范围:最大+UCC~-UEE(4-*)集成运算放大器的分析方法:放大倍数与负载无关uo－＋＋

u－u+ib-ib+RL因为ro=0所以放大倍数与负载无关，放大倍数可以独立计算。ro(4-*)运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。4.3.2集成运放的线性应用(4-*)模拟信号的放大和运算电路(1)反相比例运算放大器_+

+

RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虚地点i1=iF+

ib-=iF,ib-=0

ib+=0u+

=0

u－=u+=0平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1//RFF电压放大倍数:iF(4-*)_+

+

RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例题1.R1=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP应为多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k

(4-*)反相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：ri=R1输入电阻(小):uo_+

+

RFR1RPuii1iFib-ib+反馈电阻反馈方式：电压并联负反馈i1=iF+

ib-

ib-=i1-iF(4-*)(2)同相比例运算放大器u-=u+=uiib+=0ib-=0_+

+

RFRfRPuiuoiFifAu=1+RFRfiF=ifRP=Rf//RFFfFf)(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoiFif例题2.Rf=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP应为多大？uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7k

Au=1+=1+20/10=3RFRf(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoAu=1+RFRf当RF=0时,Au=1uo=ui(3)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。(4-*)(4)差动放大器_+

+

R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4-*)以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，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.以上放大器均可级联,级联时放大倍数分别独立计算。(4-*)例题3.R1=10k

,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_+

+

R2R1R1R2ui1_+

+

ui2_+

+

R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V(4-*)例题3.若ui1=sin

tV，ui2=1V，求:uo

uo1=ui1=sin

tVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sin

t

)=6-2sin

tVR2R1(4-*)(5)反相求和运算：_+

+

RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虚地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R1//R2//RFuo_+

+

RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF(4-*)(6)同相求和运算：Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf当R1=R2

时,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++u

i1uoR1R2ui2-u+_+

+

RFRfRPuiuo(4-*)(7)微分运算：u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0(4-*)tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°(4-*)(8)反相积分运算i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(4-*)反相积分器：如果ui=直流电压U,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0Utuo0-UomTM积分时限=–tURC设Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒(4-*)反相积分器：如果ui=-U=-3V，画出uo的波形图。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒设Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F(4-*)应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0三角波发生器将在第六章中讲(4-*)（9）三运放电路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+(4-*)++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+三运放电路(续)ib1-ib2-ib+=0ib-=0,u-=u+,R、RW、R三个电阻可视为串联(4-*)三运放电路(续)uoR1R1++A3R2R2uo1uo2++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=(4-*)三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。三运放电路的特点(4-*)例1:由三运放放大器组成的温度测量电路uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui

ui=Rt-R2(Rt+R)URt热敏电阻uo=

ui=Rt-R2(Rt+R)URt=f(T°C)集成化:仪表放大器(4-*)例2.求电压放大倍数Au=uo