《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 刘述民 第7章 集成运算放大器及其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 刘述民 第7章 集成运算放大器及其应用（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 集成运算放大器及其应用,7.1 差分放大器 7.2 放大电路中的反馈 7.3 集成运算放大器 7.4 集成运放的运用,集成电路是利用半导体三极管常用的硅平面制造技术，把组成电路的电阻、二极管、三极管等有源或无源器件及内部连线同时制造在一块很小的硅基片上，构成的具有特定功能的电子电路。它有体积小、重量轻、耗电省、可靠性高等性能。集成运算放大器是集成电路的一种。集成运算放大器最初应用于模拟电子计算机，用于实现加、减、乘、除、比例、微分、积分等运算功能，并因此而得名。,7.1 差动放大器,在放大电路中，由于电源电压的波动，元器件参数的变化，环境温度的变化等，放大器的输出电压往往会偏离初始静态
2、值，出现了缓慢无规则的漂移，这种现象逐级放大，称为零点漂移。,为了抑制零点漂移，常采用差动放大电路。,a) 基本差放电路 b)差放电路直流通路 图7-1 基本差动放大电路及其直流通路,7.1.1电路组成,如图7-1所示是典型的差分放大电路，由两个完全对称的共发射极电路组成，即V1、V2特性相同，RC1=RC2=RC，同时具有两个电源：正电源UCC和负电源UEE。电路具有两个输入端ui1、ui2和两个输出端uo1、uo2，称为双端输入双端输出（简称双入-双出）；此时，输出信号uo取两输出信号的差值，即uo=uo1-uo2；当然，根据输入输出信号个数，也可以把差放电路组成双入-单出、单入-单出、单
3、入-双出等不同形式，本课程将主要讲解双入-双出差动放大电路。VT1、VT2是两个特性完全相同的晶体管称为差分对管，RE为公共射极电阻，用来决定晶体管的静态上作电流和抑制零漂，Rc为集电极负载电阻。,7.1.2工作原理,1 静态分析,输入信号为零（静态）时，即ui1ui2=0，相当于两输入端短路，直流通路如图7-1(b)所示。由于电路完全对称，RC1=RC2=RC，两管发射结压降UBE1=UBE2=0.7V。为此有,故有两管集电极之间的输出电压为,2 抑制零点漂移的原理,当电源波动或温度变化时，由于电路完全对称，则两管集电极电位将同时变化，又因两管处于同一环境温度中，两管电流变化量和电压变化量必
4、然相等。因此，虽然环境引起每一管子都发生了零点漂移，但由于两集电极电位同时变化，结果使得输出电压uo=0。例如：温度升高会引起两管集电极电流同步增加，使得集电极电位同步下降，由于电路的对称性，有UC1=UC2，则输出电压Uo(Ucl-Ucl)-(Uc2-Uc2)=0，即输出电压没有漂移，其过程表示如下：,所以，差分放大电路是利用电路的对称性来抑制零点漂移的。差动放大电路两边对称性越好，对零点漂移的抑制作用就越强。,差动放大电路不仅可以抑制由于外界因素引起的输出电压的变化，而且还可以抑制两输入端输入大小相等、方向相同的信号对输出端的影响，即uic1uic2，这样的信号称为共模信号，用下标“c”表
5、示。在共模信号电压的作用下，两管的电流同时增加或减少，由于电路对称，输出端的电压uoc1和uoc2也是大小相等，极性相同，如图7-2所示，输出电压uoc=uoc1-uoc2，其输出端的共模电压放大倍数为,外界温度变化使两管的静态电流Ic1和Ic2同时变化，相当于在差动放大电路两输入端施加了大小相等、方向相同的共模信号，如图7-2(a)所示。因此，差动放大器对零点漂移的抑制可以归纳为对共模信号的抑制。,7.1.3对差模信号的放大作用,在差动放大电路的两个输入端之间加入需要放大的输入信号uid，如图7-2(b)所示。由于电路对称，每个输入端得到的输入信号电压总是输入信号电压的一半，即,我们把这样的
6、大小相等、方向相反的信号称为差模信号，用下标“d”表示。由于两管的输入电压方向相反，流过两管的电流方向也相反，一管电流增加，另一管的电路减少，在电路完全对称的作用下，ic1增加量与ic2的减少量相等，所以流过Re的电流变化为0，可以认为Re对差模信号呈短路状态。,a) 共模输入电路 b) 差模输入电路 图7-2 共模、差模电路,由分析可知，当从两管集电极取电压时，其差模电压放大倍数表示为,由式可以看出，差动放大电路的差模电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相同。可见，差动放大电路是用增加了一个单管共射放电电路作为代价来换取对零点漂移的抑制能力的。,7.1.4共模抑制比,当两个输入信号电
7、压既非共模，又非差模，它们的大小和极性是任意的，可以将其分解为差模信号和共模信号。由差模、共模信号定义可知,则有,此时可用叠加原理来求总的输出电压，即,为了表明差动放大器对差模信号的放大能力及对共模信号的抑制能力，常用共模抑制比作为一项重要技术指标来衡量，其定义为放大电路对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的放大倍数Auc之比的绝对值，即,共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示：,显然，共模抑制比越大，差动电路分辨差模信号的能力越强，受共模信号的影响越小。对于双端输出的差放电路，若电路完全对称，则共模电压放大倍数为0，共模抑制比趋近无穷。对于实际电路，KCMR不能趋近于无穷，但希望其值越
8、大越好。,7.2 放大电路中的反馈,7.2.1反馈的定义,反谓反馈，就是将放大器的输出量(电流或电压)，通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程。,图7-3(a)所示共发射极放大电路、7-3(b)所示共集电极放大电路中，因此都存在反馈。,a) 带射极电阻的共射放大电路 b) 共集放大电路 图7-3 带反馈电阻的放大电路,反馈放大电路由基本放大电路和反馈电路组成。引入反馈的放大器叫做反馈网络，也叫闭环放大器，而未引入反馈的放大器称为开环放大器，也叫基本放大器。如图7-4所示为反馈放大电路的方框图。,图7-4 反馈放
9、大电路的方框图,7.2.2反馈的类型和判断,7.2.2.1反馈的类型,1 直流反馈和交流反馈,2 负反馈和正反馈,1)直流反馈：若反馈环路内，直流分量可以流通，则该反馈环可以产生直流反馈。,2)交流反馈：若反馈环路内，交流分量可以流通，则该反馈环可以产生交流反馈。,若反馈信号使净输入信号减弱，则为负反馈；若反馈信号使净输入信号加强，则为正反馈。,图7-5 交、直流反馈示例,3 电压反馈与电流反馈,反馈信号与输出电压成正比的称为电压反馈；反馈信号与输出电流成正比的称为电流反馈。,a) 电压反馈方框图 b) 电流反馈方框图 图7-6 电压反馈与电流反馈方框图,4 串联反馈和并联反馈,根据反馈信号在
10、放大器输入端与输入信号连接方式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号直接连到三极管基极的是并联反馈，反馈信号直接连到发射极的是串联反馈。串、并联反馈方框图如图7-7所示。,a) 串联反馈方框图 b) 并联反馈方框图 图7-7 串联反馈与并联反馈,5 负反馈放大器的四种基本组态,无论是电压反馈还是电流反馈，反馈信号在输入端都可能以串联、并联两种方式中的一种与输入信号相叠加。从输出端取样与输入端叠加综合考虑，实际反馈放大器可以有四种基本类型（组态）：电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。,7.2.2.2反馈类型的判别,1）正、负反馈的判别,通常采用瞬时极性判别法来判
11、别实际电路反馈极性的正、负。这种方法是首先假定输入信号在某一瞬时对地而言极性为正，然后由各级输入、输出之间的相位关系，分别推出其他有关各点的瞬时极性（用“+”表示升高，用“-”表示降低），最后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。,2）交流、直流反馈的判别,如前所述，交流与直流反馈分别反映了交流量与直流量的变化。因此，可以通过观察放大器中反馈元件出现在哪种电流通路中来判断。若出现在交流通路中，则该元件起交流反馈作用，若出现在直流通路中，则起直流反馈作用。,图7-8 反馈类型的判别,3）电压、电流反馈的判别,这项判别是根据反馈信号与输出信号之间的关系来确定的，也就是要判断
12、输出取样内容是电压还是电流。常采取负载电阻RL短路法来进行判断。,假设将负载RL短路，使输出电压为零，即uo=0，而io0。此时若反馈信号也随之为零，则说明反馈是与输出电压成正比，为电压反馈；若反馈依然存在，则说明反馈量不与输出电压成正比，应为电流反馈。,4）串联、并联反馈的判别,可以根据反馈信号与输入信号在基本放大器输入端的连接方式来判断。如果反馈信号与输入信号是串接在基本放大器输入端则为串联反馈，如果反馈信号与输入信号是并接在基本放大器输入端，则为并联反馈。,如果把输入回路中的反馈节点对地短路，对于串联反馈来说，相当于Uf（反馈信号）=0，于是Ui（输入信号）=Ud（净输入信号）。输入信号
13、还是能加到基本放大器中去；而对于并联反馈来说，将反馈节点对地短路，输入信号则因此被短路，无法加进基本放大器。因此可以假设把输入端的反馈节点对地短路，以此来判断是串联反馈还是并联反馈。,7.2.3负反馈对放大器性能的影响,1负反馈放大器的放大倍数,由图7-4所示负反馈放大器的方框图可得各信号量之间的基本关系式：,净输入信号,开环放大倍数,反馈系数,闭环放大倍数（或闭环增益）,2负反馈对放大器性能的影响,1) 降低放大倍数,2) 稳定被取样的输出信号,3) 减小非线性失真,4) 影响输入电阻和输出电阻,此外，放大电路中引入负反馈后，还能提高电路的抗干扰能力，降低噪声，改善电路的频率响应特性等。,7
14、.3 集成运算放大器,7.3.1集成运放的组成,集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，一般是由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路四部分组成，其结构如图7-10所示,图7-10 集成运算放大器组成,集成运放的符号如图7-11(a)所示。集成运放的外引线排列因型号而异。图7-11（b）所示为国产集成运放F007的管脚排列情况。,a) 集成运放的符合 b) F007的引脚 图7-11 集成运放的符合及引脚图,7.3.2集成运算放大器的主要参数,集成运算放大器性能的好坏常用一些参数表征，这些参数是选用集成运算放大器的主要依据。,1）差模电压增益Aud。差模电压增益是指在标称电源电压和
15、额定负载下，运放在开环时对差模信号的电压放大倍数。它体现了集成运放的电压放大能力，增益一般用对数形式表示，单位为分贝（dB），即20lgAud(dB)，集成运放的一般在60dB80dB之间。 2）共模电压增益Auc。共模电压增益是指运放对输入共模信号的电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力。理想运放的输入级匹配良好，因此共模电压增益为零，但实际运放不可能完全匹配，因而Auc不可能真正为零。 3）共模抑制比KCMR。共模抑制比用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB，且越大越好。 4）差模输入电阻rid。指差模信号作用下集成运放的输入电阻，即运放
16、两输入端之间的电阻。,5）输入失调电压UIO。一个理想的集成运放应实现零输入时输出为零。但实际的集成运放，当输入电压为零时，存在一定输出电压。为了使输出电压为零，在两输入端之间需加的直流补偿电压定义为输入失调电压。它反映差动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好，一般为毫伏级。 6）输入失调电流IIO。一个理想的集成运放的两输入端的静态电流应该完全相等。实际上，当集成运放输出电压为零时，流入两输入端的电流不相等，这两静态电流只差IIO=IB1-IB2就是失调电流。该值越小越好，一般为纳安级 7）输入偏置电流IIB。当输入信号为零时，两输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，该值越小越好。 8）最大输出电压Uomax。是指运放在标称电源电压时，其输出端所能提供的最大不是真峰值电压。其值一般不低于电源电压2V。,7.3.3集成运算放大器的基本特性及其分析方法,7.3.3.1集成运放的传输特性,集成运放的传输特性是指描述其输出电压和输入电压之间关系的特性曲线。如图7-12(b)所示
