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1、 第十章第十章 多级放大电路多级放大电路耦合方式：耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。多级耦合放大电路多级耦合放大电路耦合：耦合：即信号的传送。即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合电路要求：1. 静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置2. 动态动态: 传送信号。传送信号。第一级第一级放大电路放大电路输输 入入 输输 出出第二级第二级放大电路放大电路第第 n 级级放大电路放大电路 第第 n-1 级级放大电路放大电路功放级功放级要求：要求：波形不波形不失真，减少压失真，减少压降损失。降损失。 多级放大电路的动态分
2、析多级放大电路的动态分析 前级前级后级后级+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET2多级阻容耦合放大器的特点：多级阻容耦合放大器的特点：(1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。点相互独立，分别估算。(2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4) 总电压放大倍数总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。各级放大倍数的乘积。(
3、5) 总输入电阻总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻即为第一级的输入电阻ri1 。(6) 总输出电阻即为最后一级的输出电阻。总输出电阻即为最后一级的输出电阻。uiRC1R1T1 直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题R2 、RE2 : 用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。问题问题 1 :前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。+UCCuoRC2T2R2RE2问题问题 2 :零点漂移零点漂移。uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没 当当 ui 等于零时，等于零时， uo不等于零。不等于零。基本型结构基本型结构特点：特点：结构对称。结构对称。差动放大电路差动放大电路ui1ui2uoRCR
4、1T1RBRCR1T2RB二、二、 抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo= uC1 - uC2 = 0uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2三、三、 共模电压放大倍数共模电压放大倍数AC+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同）（大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0 共模电压放大倍数：共模电压放大
5、倍数：（很小，（很小，1)设设uC1 =UC1 + uC1 ， uC2 =UC2 + uC2 。因因ui1 = -ui2， uC1 =- uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2 uC1 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：+UCC五、共模抑制比五、共模抑制比(CMRR)的定义的定义例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)1. 集成电路与集成运算放大器集成电路与集成运算放大器 集成电路是利用半导体制造工
6、艺，将整个电路所含有的集成电路是利用半导体制造工艺，将整个电路所含有的元器件及相互连接导线全部制作在一块半导体基片上，封装元器件及相互连接导线全部制作在一块半导体基片上，封装在管壳内，能完成特定功能的电路块。在管壳内，能完成特定功能的电路块。 集成运算放大器实质上是一种高放大倍数、多级直接耦合的放大电路。 集成电路集成电路按其功能可按其功能可分为模拟集成电路分为模拟集成电路和和数字集成电路数字集成电路两大类。模拟集成电路品种繁多，主要分为两大类。模拟集成电路品种繁多，主要分为集成运算放大器集成运算放大器、集成功率放大器集成功率放大器和和集成稳压器集成稳压器等，其中应用最为广泛的是集等，其中应用
7、最为广泛的是集成运算放大器。成运算放大器。集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路内部结构的特点：集成电路内部结构的特点：1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外接。3. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。二
8、极管一般用三极管的发射结构成。UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：原理框图：输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高 KCMRR , , 输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗即输出阻抗 ro小。小。1.1. 集
9、成运放的封装和引脚排列集成运放的封装和引脚排列封装形式封装形式:金属圆形、双列直插式金属圆形、双列直插式、扁平式扁平式封装材料封装材料:陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料例例: 塑封双列直插式塑封双列直插式( (DIP) )CF741DIPDual In-Line Pakage2.1 集成运放的封装形式与电路符号集成运放的封装形式与电路符号 集成运放外形结构示意图集成运放外形结构示意图运算放大器外形图运算放大器外形图2集成运放的电路符号集成运放的电路符号集成运放集成运放有两个输入端有两个输入端，N端称为端称为反相输入反相输入端，用端，用“”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出表示，说明
10、输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位反相。信号与输入信号相位反相。P端称为端称为同相输入同相输入端，用端，用“+”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位相同。出信号与输入信号相位相同。 习惯用符号习惯用符号uid+VCCVEE国家标准符号国家标准符号uouid+VCCVEE82.2 集成运放的分类集成运放的分类 集成运放种类较多，按性能不同可分为集成运放种类较多，按性能不同可分为通用型通用型和和专用型专用型两大两大类。专用型又有高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压类。专用型又有高阻型、低温漂型、高速型、
11、低功耗型、高压大功率型等。大功率型等。1. 通用型通用型2. 高速型和宽带型高速型和宽带型3. 高精度高精度(低漂移型）低漂移型）4. 高输入阻抗型高输入阻抗型5.低功耗型低功耗型6. 功率型功率型通用型通用型专用型专用型性能指标比较适中性能指标比较适中某些技术指标某些技术指标比较突出比较突出集成运放的使用常识集成运放的使用常识 1 1、集成电路器件命名、集成电路器件命名1) 国标国标 GB-3430-82 对集成电路的规定对集成电路的规定第一部分第一部分第二部分第二部分第三部分第三部分第四部分第四部分第五部分第五部分字字 母母符号国标符号国标字字 母母器件类型器件类型数数 字字系列品种系列品
12、种字字 母母工作条件工作条件字字 母母封封 装装符符号号意义符符号号意 义符符号号意 义符符号号意 义C中中国国制制造造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS线性放大线性放大音响电视音响电视稳压器稳压器接口电路接口电路非线性非线性CERM.0 70 C 40 85 C 55 85 C 55 125 CWBFDPJKT陶瓷扁平陶瓷扁平塑料扁平塑料扁平全封闭扁平全封闭扁平陶瓷直插陶瓷直插塑料直插塑料直插黑陶瓷直插黑陶瓷直插金属菱形金属菱形金属圆形金属圆形 2) 2) 型号命名型号命名 数字序号数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如其
13、它例如:集成功率放大器的型号命名集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的型号命名集成稳压器的型号命名CW4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR uo+ u+u+UCCUEE 2. 2. 理想运放工作在线性区的特点理想运放工作在线性区的特点理想运放工作在线性区的特点理想运放工作在线性区的特点因为因为 uo = Auo( (u+ u )所以所以(1) 差模输入电压约等于差模输入电压约等于 0 即即 u+= u ,称称“虚短虚短” (2) 输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 i+= i 0 ,称称“
14、虚断虚断” +uouu+i+i 虚短虚短 虚断虚断2 运算放大器在信号运算方面的运用运算放大器在信号运算方面的运用 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。反对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构的关系
15、基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。实现不同的运算。2.1 比例运算比例运算1 1. . . . 反相比例运算反相比例运算反相比例运算反相比例运算（1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。（2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，称称反相输入端反相输入端“虚地虚地” 反相输入的重要特反相输入的重要特点点因因虚断，虚断，
16、i+= i = 0 ， ifi1ii+uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RF 结论：结论： A Au uf f为负值，即为负值，即为负值，即为负值，即 u uo o与与与与 u ui i 极性相反。极性相反。极性相反。极性相反。因为因为因为因为 u ui i 加加加加 在反相输入端。在反相输入端。在反相输入端。在反相输入端。 A Au uf f 只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻 R R1 1、R RF F 有关，与运放本有关，与运放本有关，与运放本有关，与
17、运放本 身参数无关。身参数无关。身参数无关。身参数无关。 | | A Au uf f | | 可大于可大于可大于可大于 1 1，也可等于，也可等于，也可等于，也可等于 1 1 或小于或小于或小于或小于 1 1 。 因因因因u u = u= u+ += 0 = 0 ， 所以所以所以所以反相输入端反相输入端反相输入端反相输入端“ “虚地虚地虚地虚地” ”。例：例：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不变，要求不变，要求Auf为为 10，则，则RF 、 R2 应为应为 多少多少？解：解：1. Auf =
18、 RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ 2. 2. 同相比例运算同相比例运算同相比例运算同相比例运算因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui （1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数uoRFuiR2R1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ， 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同，
19、电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFu+u 结论：结论： A Au uf f 为正值，即为正值，即为正值，即为正值，即 u uo o与与与与 u ui i 极性相同。极性相同。极性相同。极性相同。因为因为因为因为 u ui i 加加加加 在同相输入端。在同相输入端。在同相输入端。在同相输入端。 A Au uf f只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻 R R1 1、R RF F 有关，与运放本有关，与运放本有关，与运放本有关，与运放本 身参数无关。身参数无关。身参数无关。身参数无关。 A Au uf f 1 1 ，不能小于不能小于不能小于不能小于 1 1 。 u u
20、= u = u+ + 0 0 ，反相输入端不存在反相输入端不存在反相输入端不存在反相输入端不存在“ “虚地虚地虚地虚地” ”现象。现象。现象。现象。 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时， uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ 2.2 加法运算电路加法运算电路 1. 1. 反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路因因虚短虚短, u= u+= 0 平衡电
21、阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if 2. 2. 同相加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路方法方法方法方法1: 1: 根据叠加原理根据叠加原理根据叠加原理根据叠加原理 u ui1i1单独作用单独作用单独作用单独作用( (u ui2i20)0)时，时，时，时，同理，同理，ui2单独作用时单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2： 平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻： R Ri1 i1 / R/ Ri2i2 = R
22、= R1 1 / / R RF Fu+思考思考u+=?也可写出也可写出也可写出也可写出 u u 和和和和 u u+ +的表达式，利用的表达式，利用的表达式，利用的表达式，利用 u u = = u u+ + 的性质求解。的性质求解。的性质求解。的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+1. 1. 输入电阻低；输入电阻低；输入电阻低；输入电阻低；2. 2. 共模电压低；共模电压低；共模电压低；共模电压低；3. 3. 当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；对其它路无影响；对其它路无影响；对其它路无影响；同相加法运
23、算电路的特点：同相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：1. 1. 输入电阻高；输入电阻高；输入电阻高；输入电阻高；2. 2. 共模电压高；共模电压高；共模电压高；共模电压高；3. 3. 当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时， 对其它路有影响；对其它路有影响；对其它路有影响；对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+)(21221112iiouRRfuRR
24、fu+-=2.3 减法运算电路减法运算电路由虚断可得：由虚断可得：由虚短可得：由虚短可得：分析方法分析方法分析方法分析方法1 1：ui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF 如如 R1 = R2 = R3 = RF R2 / R3 = R1 / RF输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量常用做测量放大电路放大电路分析方法分析方法分析方法分析方法2 2：利用叠加原理：利用叠加原理：利用叠加原理：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相减法运算电路可看作是反相比
25、例运算电路与同相减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。比例运算电路的叠加。比例运算电路的叠加。比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2+ R1+2.4 积分运算电路积分运算电路 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = ifif =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例比例比例- -积分运算电路。积分运算电路。积分运算电路。积分运算电路。uoCFuiR2R1+ RFifi1电路的输出电压电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入
26、电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的以满足控制系统的要求。要求。2.5 微分运算电路微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = ifuoC1uiR2RF+ 比例比例比例比例- -微分运算电路微分运算电路微分运算电路微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制
27、系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。PDPD调节器调节器调节器调节器uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC3 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用3.1 电压比较器电压比较器电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的功能： 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平
28、，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。用途：用途：用途：用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合术领域，以及波形产生及变换等场合 。 运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点： 1. 1. 输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 + +U Uo
29、 o (sat)(sat) 或或或或 U Uo o (sat)(sat) 当当当当 u u+ + u u 时，时，时，时， u uo o = += +U Uo o (sat)(sat) u u+ + u u 时，时，时，时， u uo o = = U Uo o (sat)(sat) 不存在不存在不存在不存在 “ “虚短虚短虚短虚短” ”现象现象现象现象 2. 2. i i+ += i= i 0 0 仍存在仍存在仍存在仍存在“ “虚断虚断虚断虚断” ”现象现象现象现象电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O输出带限幅的电压比较器
30、输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i U UR R，u uo o = = U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat)(sat) 过零电压比较器过零电压比较器过零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )u ui iu uo oO OU UR R= 0= 0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O第十章第十章 结束结束模拟电路模拟电路
