电子线路第八章...ppt

1、电子技术第八章集成运算放大器及其应用,武科大信息学院电工电子课部,分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路 集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。 优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜 分类：集 成 度SSI（小规模)、MSI、LSI、VLSI 导电类型双极型、单极型、兼容型 功 能数字、模拟、混合,模拟集成电路,集成运算放大器 集成功率放大器 集成稳压电源 集成数模转换电路,第8章 集成运算放大器及其应用,为了能对缓慢变化的信号或直流信号进行放大，不能采用阻容耦合而只能采用直接耦合将前级的输出信号直接接到后级的输入端

2、。,直接耦合的结构虽然简单，但存在着严重问题 一是前后级静态工作点的相互影响； 二是所谓的零点漂移。,由于直接耦合不采用电容，特别适合于集成化的要求；具有良好的低频特性，通频带宽。,8.1 直接耦合放大电路的主要特点,RC1不仅是第一级的负载电阻又是第二级的偏置电阻，它们之间的静态值是相互影响的,用的解决方法是提高第二级的基极电位。如在第二级加发射极电阻或稳压管进行改进，既能有效传递信号，又使每一级都有合适的静态工作点。,+ uo1 -,+ ui2 -,8.1.1 静态工作点的相互影响,零点漂移:,当 ui= 0 时：,特殊问题:,有时会将信号淹没,8.1.2 零点漂移,理想的直接耦合放大电路

3、应在输入为零时，保持输出不变。但实际的放大电路往往在输入端短接时( u i = 0 )，所测得的输出电压并不恒定，而是缓慢地、无规则地变化着，这就是零点漂移。,抑制零漂的方法？,有时会将信号淹没,8.1.2 零点漂移,引起零点漂移的因素很多，有晶体管参数随温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等，但温度变化的影响是最严重的,抑制零点漂移的办法可加入深度的负反馈。特别要注重对第一级零点漂移的抑制。,通常把温度每变化一度在输出端的漂移电压折合到输入端作为衡量放大电路灵敏界限的指标UId=UOd/|AU|,8.1.2 零点漂移,8.2 差动放大电路,8.2.1 差动放大电路的工作原理,由电路

4、的对称结构，两只晶体管具有相同的静态工作点，而有温度变化所引起的参数的变化也具有对称性。,1. 零点漂移的抑制,在静态时，ui1=ui2=0，相当于输入端短接，考虑对称性，有,当温度升高时，集电极的电流都要升高；电位都要下降，在完全对称时，它们的变化量也都相同，即,IC1=IC2,uo= VC1-VC2 =0,、,VC1=VC2,IC1= IC2,uo= VC1- VC2 =0,虽然每管各自都产生了零漂，但由于两管集电极电位的变化量相同，相互抵消。,VC1= VC2,及,及,、,双端输出差动放大电路利用对称性可抑制零漂。,两个输入信号的大小相等，极性相同，ui1=ui2,2. 信号输入,(1)

5、 共模输入,(2) 差模输入,两个输入信号的大小相等，极性相反，ui1=-ui2,(3)比较输入,ui1 ui2 共模信号uic =(ui1+ui2 )/2 及差模信号uid =(ui1ui2 )/2,前面指出差动放大电路是靠对称性来抑制零点漂移的，但实际上的对称性是不存在的。因而零点漂移并不能完全被抑制，为此采用下面的典型电路：,+ ui1 -,RC,+Ucc,+ uo-,T2,RB1,RC,RB1,T1,+ ui2 -,共模抑制电阻,调零电阻,负电源,8.2.2 典型差动放大电路,+ ui1 -,RC,+Ucc,+ uo-,T2,RB1,RC,RB1,T1,+ ui2 -,RE的作用是稳定

6、静态工作点，限制单管的零漂。,T,IC1,IC2,IE,UBE1,UBE2,IC1,IB1,IC2,IB2,当温度升高时,共模抑制电阻,8.2.2 典型差动放大电路,+ ui1 -,RC,+Ucc,+ uo -,T2,RB1,RC,RB1,T1,+ ui2 -,UEE,RE,RE愈大抑制零点漂移的作用愈显著，但UCC一定时， RE过大将使集电极电流过小而影响电压放大倍数。为此，接入负电源UEE来抵偿RE两端的直流压降，以获得合适的静态工作点。,调零电阻Rp作用是调平衡，因实际电路不完全对称，可用Rp调节静态时输出电压。 Rp对差模信号有反馈作用，不宜过大，阻值一般在101-102。,8.2.2

7、 典型差动放大电路,差模信号,1 静态分析,温度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,RE 的作用,设ui1 = ui2 = 0,RE 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,由于电路对称，只需计算一个管的静态值即可 。 因为RP很小，略去 。,+ ui1 -,RC,+Ucc,+ uo -,T2,RB1,RC,RB1,T1,+ ui2 -,UEE,RE,VE=0,. Q点的计算,RE对差模信号(ui1= - ui2)不起作用，单管差模电压放大倍数：,同理,双端输出电压放大倍数,2. 动态分析,RC,+Ucc,T2,RB,RC,RB,T1,Rp,UEE,RE,+,-,

8、+,uo1,uo2,(1) 双端输入双端输出,+ ui1 -,+ ui2 -,T1单边微变等效电路,当两管集电极之间接入负载RL时，差模电压放大倍数：,其中,两输入端之间的差模输入电阻：,两集电极之间的差模输出电阻：,(1) 双端输入双端输出,因为当输入差模信号时，一管VC下降，另一管的VC增高，在RL中点相位相当于“零”电位（接“地”），所以每管各带一半负载电阻。,如果从T1集电极或T2集电极单端输出,电压放大倍数（空载）分别为：,RC,+Ucc,T2,RB,RC,RB,T1,Rp,UEE,RE,+,(2) 双端输入单端输出,+ ui1 -,+ ui2 -,反相输出,同相输出,单端输出的差动

9、放大电路的电压放大倍数只有双端输出差动放大电路的一半。,差动放大器各点极性：,ui1 与uo1 、ui2 uO 反相 。与uo 2 、同相,ui2与uo2 、ui1 反相 。与uo 1 、 uo 同相,共模抑制比(CMRR),例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分贝),总结,直接耦合放大电路以差动放大器的性能为最好。 尽量选择对称电路参数，更好地抑制零点漂移。 RE的存在对提高共模抑制比具有很好的效果。 双入双出的电压放大倍数

10、与单管放大电路的放大倍数相同；单端输出的电压放大倍数又减小为一半。,在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容大电阻元件，所以需要时一般都采取外接的方法。而制造晶体管却最容易，一般采用晶体管恒流源代替电阻；把晶体管的三极适当组配作二极管用。,同时也出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温度漂移很小的差动放大器。,1. 集成运算放大电路的特点,8.3.1 集成运算放大器的特点,8.3 集成运算放大器的简单介绍,输入级：由差放构成。减小零漂和抑制干扰。 中间级：共射

11、放大电路。用于电压放大。 输出级：互补对称电路。 降低输出电阻，提高带载能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。 确定运放各级的静态工作点。,2. 电路的简单说明,8.3.1 集成运算放大器的特点,集成运放的基本结构示意图,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,T3,T4,T5,T1,T2,基本原理框图,运放举例：F007,2反相输入端,6输出端,3同相输入端,4正电源端,7负电源端,8闲置端（NC）,1、5接调零电位器,2. 电路的简单说明,反相输入端：由此端接输入信号，则输入输出信号反相。 同相输入端：由此端接输入信号，则输入输出信号同相。,8.3.1 集成

12、运算放大器的特点,简化电路符号,1,5,4,2,3,7,6,10K,-15V,+15V,电路符号,为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了解集成运算放大器的各主要参数的意义。 1开环电压放大倍数AUO 在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。 AUO越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高，一般约为104 107。 2共模抑制比KCMRR 它表示运算放大器的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC 之比的绝对值。若用分贝（dB）为单位，则称KCMR F007型晶体管的KCMR约为80dB，目前有的晶体管的KCMR已高达160dB，KCMR越大，说明集成运算放大器的共模抑制性能越

13、好。,8.3.2 主要参数,3开环（差模）输入电阻rid 运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态电阻称为开环输入电阻。rid越大说明集成运算放大器由差模信号源输入的电流就越小，F007的rid约为12M。 4开环输出电阻ro 运算放大器输出级的输出电阻。ro越小，集成运算放大器带负载的能力越强。F007的ro约为500 。 5最大输出电压Uopp 能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。F007的Uopp约为1213V。,8.3.2 主要参数,6输入失调电压UIO 理想的运算放大器，当输入电压为零时，即ui1=ui2=0，输出电压uo=0。但在实际的运算放大器中，由于制造中也

14、很难做到参数完全对称，因此当输入电压为零时， uo0 。反过来说，如果要，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。 UIO一般为几毫伏，显然它越小越好。 7输入失调电流IIO 输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即IIO =IB1-IB2， IIO一般在零点零几微安级，其值越小越好。,8.3.2 主要参数,8输入偏置电流IIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即IIB =（IB1-IB2）/2 。这个电流也是越小越好，一般在零点几微安级。 集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高

15、、输入电阻高（约几兆欧）、输出电阻低（约几百欧）、零点漂移小、体积小、可靠性高等优点，因此它被广泛地应用于各个技术领域，已成为一种通用器件。,8.3.2 主要参数,3）开环输出电阻 ro0,2）差模输入电阻 rid,4）共模抑制比 KCMRR,在分析运算放大器构成的各种电路时，通常将它看成是一个理想运算放大器。,1）开环电压放大倍数 Auo,1. 理想运算放大器,理想化的条件是：,8.3.3理想运算放大器及其分析依据,实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。,右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的

16、传输特性与理想运放比较接近。,运算放大器的传输特性,2电压传输特性,8.3.3理想运算放大器及其分析依据,虚地,虚断,虚短,从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，工作在不同区时的分析方法不同：,线性区： uo=Auo(u+-u-),rid ，故 两输入端的输 入电流为零。,Auo ，uo为有限值 故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-,分析依据,当有信号输入时，如同相端接地，即u+=0 则u- 0,2电压传输特性,uo,饱和区： uoAuo(u+-u-) 当u+ u- 时,uo=+uo(sat) 当u+ u- 时,uo=-uo(sat) 但两输入端的输入电流仍为零,o,+Uo(sa

17、t),-Uo(sat),实际特性,u+ - u-,线性区,饱和区,饱和区,2电压传输特性,uo,8.3.3理想运算放大器及其分析依据,ri 高:几十k M,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104以上 107,理想运放：,ri ,KCMRR ,ro 0,Ao ,运放符号：,总结：运放的特点和符号,运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等运算。,Auo ，uo为有限值 故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-,rid ， 故 两输入端的输 入电流为零。,分析方法：,8.4运算放大器在信号运算方面的应用,1. 反相输入比例运算,由KCL、KVL和运

18、放工作在线性区的分析依据：,及,RF 反馈电阻； R2 平衡电阻，保持两个输入端外接电阻相等，保证运算放大器工作在对称平衡状态。 R2= R1RF,虚断,虚地,8.4.1 比例运算,说明： 1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器； 2、如R1和RF的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性,8.4.1 比例运算,1. 反相输入比例运算,及,有,得,2. 同相输入比例运算,当R1=；RF=0Auf=1 这就是电压跟随器uo=ui,在反相端输入若干路信号

19、，构成反相加法运算电路。,由此得,当R11=R12=R13=R1时,再若R1=RF，则,8.4.2 加法运算,8.4.2 加法运算,例：,uo1=-ui1,uo1,反相器,当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可进行减法运算,8.4.3 减法运算,当输入信号为阶跃电压时，,8.4.4 积分运算,控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：,可视为反相比例运算和积分运算的叠加。,与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。,8.4.4 积分运算,微分运算是积分的逆运算，,当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳

20、定性不高，用得较少。(波形如右图),在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（PD调节器）,8.4.5 微分运算,在自动控制系统中常需要进行信号处理，如滤波、信号的测量及信号的比较等。,7.5.1 有源滤波器,滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到改善：体积小、效率高、频率特性好等。,8.5运放在信号处理方面的应用,如图为有源低通滤波器,8.5

21、.1 有源滤波器,传递函数为,8.5.1 有源滤波器,可见有源低通滤波器，输入信号的频率0时，输出电压衰减不多，信号容易通过。,当测量微弱信号时，需将信号先放大，再测量。常用的测量放大器电路输入级结构对称且输入电阻很高，抑制零点漂移能力很强。第二级采用减法电路，为了提高运算精度，必须使用共模抑制比很高的运算放大器。,测量放大器原理图,8.5.2 测量放大器,测量放大器原理图,8.5.2 测量放大器,第一级根据理想运放的“虚短”、“虚断”的概念可得,第二级减法电路,uo1,uo2,I,若R4=R5，R6=R,运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，

22、即运放工作于非线性饱和区。,8.5.3 电压比较器,参考电压为零时，称为过零比较器,uiuR，uo=+uo(sat),uiuR，uo=-uo(sat),8.5.3 电压比较器,有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管Dz，作双向限幅用。,8.5.3 电压比较器,ui,+Uz,o,传输特性,uo,-Uz,试分析滞回比较器的工作原理并作出传输特性。,例,-U,+U,设某一瞬时uo=+UZ ， 当ui增大到uiU时，uo变为-UZ，发生负向跃变； 当ui减小到ui-U时，uo又变为+UZ ，发生正向跃变。 如此周而复始，

23、随着ui大小的变化，uo为一矩形波电压。,当输出电压uo=+UZ,当输出电压uo= -UZ,解：,集成运放其它应用*,电压源、电流源与电压、电流的测量,电压源：,要求输出电阻小,电路组成,反向比例放大器,同相比例放大器,反向比例放大器组成的电压源,电流源：,要求输出电阻大，要有电流负反馈。,F,IL,负载悬地！,同相输入的电流源可以作为电压表,输入电阻大，相当于电压表的内阻是无穷。,IG正比于UX,选用：IG=100A，RF=10，则：,UX=IGRG=1mV,此电路的优点,1、能测量较小的电压；,2、输入电阻高，对被测电路影响小；,3、与RG无关，表头的互换性好；,4、RF小，可以做得较精密

24、。,8.6 反馈的基本概念,反 馈：凡是将某系统输出信号的部分或全部通过 某种方式引回到输入端，就称为反馈。,如果反馈所在的系统是放大电路，就是放大电路中的负反馈。其输出信号或输入信号就是电信号(电压或电流)。,负反馈：若反馈信号削弱输入端信号，使电路的放大倍数下降，就称为负反馈。,正反馈：当反馈信号增强了输入端信号，就称为正反馈。,8.6.1 反馈的基本概念,无反馈的放大电路框图如下：,当三者同相时，反馈信号使净输入信号减小。,有反馈的放大电路框图为：,当Xf与Xi比较使净输入信号Xd增大，因而XO增大,电路具有正反馈；,基本放大电路,反馈电路,比较环节,为基本放大电路得到的净输入信号。,在

25、负反馈情况下,当Xf与Xi比较使净输入信号Xd减小，因而XO减小,电路具有负反馈；,8.6.1 反馈的概念,开环放大倍数 （无反馈）,反馈系数,闭环放大倍数（有反馈）,由前面负反馈分析可知，Xf与Xd同是电压或电流并同相，所以AF是正实数，一般AF1。,|1+AF|称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，放大倍数越小。引入深度负反馈后，闭环放大倍数只取决于反馈电路，而与基本放大电路几乎无关。,8.6.2 放大电路的负反馈,按反馈信号和输出信号的关系分：（1）电压 （2）电流 按反馈信号和输入信号的关系分：（1）串联 （2）并联,组合：1、串联电压负反馈 2、并联电压负反馈 3、串联电流负反馈

26、4、并联电流负反馈,负反馈类型,电压并联负反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,电压串联负反馈,电压反馈一般从后级放大器的集电极采样,电流反馈一般从后级放大器的发射极采样,并联反馈的反馈信号接于晶体管基极,串联反馈的反馈信号接于晶体管发射极,分立元件,电流电压反馈判别,电压反馈一般直接从运放的输出端采样,电流反馈一般不直接从运放输出端采样,串并联反馈判别,并联反馈反馈网络接在信号输入端,串联反馈反馈网络接在非信号输入端,集成电路,电流电压反馈判别,串并联反馈判别,反 馈 类 型 的 判 别,负反馈类型的判别步骤,3) 判别是否负反馈？,2) 判别是交流反馈还是直流反馈？,4) 是负反馈！判断是

27、何种类型的负反馈？,1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,判断反馈类型的口诀：,共发射极电路,集出为压，射出为流， 基入为并，射入为串。,1 串联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,特点：输入电阻高、输出电阻低,2 并联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入

28、端以电流的形式比较并联反馈,特点：输入电阻低、输出电阻低,3 串联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电流 电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,uf =Rio,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 同相输入恒流源电路或电压-电流变换电路,4 并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式

29、比较 并联反馈,4 并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 反相输入恒流源电路,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型 并联电压负反馈,例2：,Uo,if,ib,ic,Uo,Ib = Ii - If,反馈类型：并联电流负反馈,（同相相减）,if与ii在输入端以电流形式比较，两者并联，并联反馈,id变小，负反馈,反馈与输入加在同一个输入端，并联反馈,反馈从RL端近地端引出，电流反馈,_,+,+,RL,A1,u

30、i,a,uo,RF,uo1,例：8.6.1多级运放反馈分析,A2,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,开环放大倍数 （无反馈）,反馈系数,闭环放大倍数（有反馈）,由前面负反馈分析可知，Xf与Xd同是电压或电流并同相，所以AF是正实数，一般AF1,引入负反馈，放大倍数降低了,1、降低放大倍数,2、提高放大倍数的稳定性,当外界条件变化时，即使输入一定，输出仍有变化，也就引起放大倍数的变化。如果这种相对变化较小，则说明其稳定性高。,当1+AF=100,有反馈的放大倍数的相对变化是无反馈的百分之一。,反馈放大电路的稳定性提高了,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,3、改善波形失真,注：

31、不能消除失真,标准,失真,小,大,略大,略小,略小,略小,略大,略大,？,负反馈利用已失真的波形改善失真，只能减小失真，不能消除失真。,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,4.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,5. 对输入电阻的影响,在同样的 ib下，ui= ube + uf ube，所以 rif 提高。,1) 串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的ube下，ii = ib + if ib，所以 rif 降低。,2) 并联负反馈,使电路的输入电阻降低,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,5. 对输入电阻的影响,电压负反馈具有稳定输出电压的作用， 即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用， 即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1) 电压负反馈使电路的输出电阻降低,2) 电流负反馈使电路的输出电阻提高,6.对输出电阻的影响,8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,(1)交流反馈