模擬電子技術(shù)(第2版)高吉祥課件chapter-5

1、一、集成電路（IC）概述 在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。二、模擬集成電路的分類（三種分類方法） 1、按結(jié)構(gòu)工藝分：半導(dǎo)體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路； 2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路； 3、按功能分：模擬集成電路、數(shù)字集成電路.5.1 反饋的概念和一般表達式三、模擬集成電路的特點 1.同在一塊硅片上制造，元件參數(shù)的一致性很好。 2.電路中電阻元件一般由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐20千歐左右，另外電阻值的精度不易控制

2、，誤差在20%30%左右。 3.電路中電容值也不大(幾十PF)。 4.集成電路存在溫漂。 5.電路中的二極管多用作溫度補償或電位移動.運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。集成電路中第一級常采用差動電路。(為克服或減小溫漂)反饋將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流），以一定的方式送回到輸入回路的過程。5.1 反饋的概念和一般表達式幾個基本概念1.開環(huán)與閉環(huán)只有正向傳輸，沒有反向傳輸，稱為開環(huán)狀態(tài)。正向傳輸信號從輸入端到輸出端的傳輸反向傳輸信號從輸出端到輸入端的傳輸既有正向傳輸，又有反饋 稱為閉環(huán)狀態(tài)。信號的正向傳輸信

3、號的正向傳輸反饋傳輸(通路)（反饋網(wǎng)絡(luò)）直流反饋若電路將直流量反饋到輸入回路，則稱直流反饋。2.直流反饋與交流反饋 該電路引入直流反饋的目的，是為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q。交流反饋若電路將交流量反饋到輸入回路，則稱交流反饋。（如去掉電容Ce）交流反饋，影響電路的交流工作性能。直流反饋交流反饋ic 解：根據(jù)反饋到輸入端的信號是交流還是直流還是同時存在，來進行判別。例：判斷下圖中有哪些反饋回路，是交流反饋還是直流反饋。交、直流反饋交流反饋注意電容的“隔直通交”作用！例：基本放大器，無反饋，凈輸入量ube=ui，電壓放大倍數(shù)為：3.負反饋與正反饋負反饋輸入量不變時，引入反饋后使凈輸入量減小，放大倍數(shù)減小。

4、引入反饋后，凈輸入量ube =ui-uf ，電壓放大倍數(shù)為：凈輸入量減小，放大倍數(shù)減小，所以是負反饋。正反饋輸入量不變時，引入反饋后使凈輸入量增加，放大倍數(shù)增加。本級反饋反饋只存在于某一級放大器中級間反饋反饋存在于兩級以上的放大器中例題1:4.本級反饋與級間反饋級間反饋本級反饋本級反饋基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F放大：迭加：A稱為開環(huán)放大倍數(shù)+反饋：AF稱為閉環(huán)放大倍數(shù)AF=Xo / Xi輸出信號輸入信號反饋信號凈輸入信號F為反饋系數(shù)設(shè)Xf與Xi反相任何反饋電路總可用如下方框圖來表示：負反饋放大器負反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：放大：反饋：迭加：AF=Xo / Xi =Xo / (Xd+ Xf

5、)= Xo / ( + XoF) =XoA11A+F=A1+AF 當(dāng)|1+AF|1時，|Af|A|。由于反饋，使進入基本放大電路的輸入信號削弱，反饋電路的電壓放大倍數(shù)下降，稱為負反饋。 當(dāng)|1+AF|A|。由于反饋，使進入基本放大電路的輸入信號加強，反饋電路的電壓放大倍數(shù)增大，稱為正反饋。 當(dāng)|1+AF|=0時，|Af|=。即使沒有輸入信號，也會有輸出信號，稱為放大電路自激。負反饋類型有四種組態(tài):電壓串聯(lián)負反饋 電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋 電流并聯(lián)負反饋5.2 負反饋放大電路的組態(tài)5.2.1 電壓串聯(lián)負反饋放大電路反饋電壓：因為反饋量與輸出電壓成比例，所以稱電壓反饋。從輸入端看，有：ud =

6、 ui -uf故為串聯(lián)反饋。根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電壓串聯(lián)負反饋。用“瞬時極性法”判斷反饋極性： 假設(shè)某一瞬時，在放大電路的輸入端加入一個正極性的輸入信號，按信號傳輸方向依次判斷相關(guān)點的瞬時極性，直至判斷出反饋信號的瞬時極性。如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小，則為負反饋；反之為正反饋。根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電壓串聯(lián)負反饋。id = ii -if從輸入端看有：因為反饋量與輸出電壓成比例,所以是電壓反饋。反饋電流：故為并聯(lián)反饋。5.2.2 電壓并聯(lián)負反饋放大電路根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電流串聯(lián)負反饋。又因為在輸入端有:id = ii -if反饋電流：

7、因為反饋量與輸出電流成比例,所以是電流反饋。故為并聯(lián)反饋。5.2.3 電流串聯(lián)負反饋放大電路反饋電壓：uf=ioRf根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電流串聯(lián)負反饋。ud = ui -uf又因為在輸入端有：因為反饋量與輸出電流成比例,所以是電流反饋。故為串聯(lián)反饋。5.2.4 電流并聯(lián)負反饋放大電路反饋類型及判別方法總結(jié)1.直流反饋與交流反饋注意電容的“隔直通交”作用例題1:試判斷下圖電路中有哪些反饋支路，各是直流反饋還是交流反饋？2.反饋極性：正反饋與負反饋判定方法“瞬時極性法”例題2:試判斷下列電路中反饋支路的反饋極性。對于串聯(lián)反饋：輸入量與反饋量作用在不同的兩點上，若輸入量與反饋量的瞬

8、時極性相同為負反饋，瞬時極性相反為正反饋。對于并聯(lián)反饋：輸入量與反饋量作用在同一點上，若反饋元件兩端瞬時極性相反為負反饋，瞬時極性相同為正反饋。3.取樣方式電壓反饋與電流反饋假設(shè)輸出端交流短路(RL=0），即uo=0，若反饋信號消失了，則為電壓反饋；若反饋信號仍然存在,則為電流反饋。電壓反饋：反饋信號的大小與輸出電壓成比例。判斷方法“輸出短路法”電流反饋：反饋信號的大小與輸出電流成比例。例題3:試判斷下列電路中引入的反饋是電壓反饋還是電流反饋。 4.比較方式串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號加在放大電路輸入回路的兩個電極。有：ud = ui -uf 并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號加在

9、放大電路輸入回路的同一個電極。有：id = ii -if 此時反饋信號與輸入信號是電壓相加減的關(guān)系。此時反饋信號與輸入信號是電流相加減的關(guān)系。對于三極管電路： 若反饋信號與輸入信號同時加在三極管的基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋。 若反饋信號與輸入信號一個加在基極一個加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。對于運放電路： 若反饋信號與輸入信號同時加在同相端或反相端為并聯(lián)反饋。 若反饋信號與輸入信號一個加在同相端一個加在反相端則為串聯(lián)反饋。例題4:試判斷下列電路中引入的反饋是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。例題5:試判斷下列電路中的反饋組態(tài)。解:電壓串聯(lián)負反饋。解:電壓并聯(lián)負反饋。例題6:試判斷下列電路中的反饋組態(tài)。(1)串聯(lián)

10、反饋5. 信號源對反饋效果的影響ud = ui -uf 所以us應(yīng)為恒壓源，即信號源內(nèi)阻RS越小越好。 要想反饋效果明顯，就要求uf變化能有效引起ud的變化。(2)并聯(lián)反饋id = ii -if 所以is應(yīng)為恒流源，即信號源內(nèi)阻RS越大越好。 要想反饋效果明顯，就要求if變化能有效引起id的變化。1.估算的依據(jù)深度負反饋：即，深度負反饋條件下，閉環(huán)增益只與反饋系數(shù)有關(guān)。由得方法一：一. 估算電壓增益5.3 深度負反饋放大電路的計算方法二：根據(jù)將代入上式得即：輸入量近似等于反饋量凈輸入量近似等于零 由此可得深度負反饋條件下，基本放大電路“虛短”、“虛斷”的概念或深度負反饋條件下：Xd=Xi-Xf

11、0u+=u-（運放電路）ue=ub（三極管電路）(1)“虛短”ud0(2)“虛斷”id0ii+=ii-=0 （運放電路）ib=0（三極管電路）“虛短”與“虛斷”(1)電壓串聯(lián)負反饋例1.分立電路電壓串聯(lián)負反饋2.舉例 解：用方法一。求反饋系數(shù)：求閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：例2.運放組成的電壓串聯(lián)負反饋電路解：用方法二。利用虛短和虛斷的概念得知：閉環(huán)電壓增益則(2)電流并聯(lián)負反饋放大器反饋系數(shù)：閉環(huán)增益：閉環(huán)電壓增益：解：用方法一。例1.分立電路電流并聯(lián)負反饋閉環(huán)電壓增益：利用虛短和虛斷可知例2. 運放組成的電流并聯(lián)負反饋放大器解：用方法二。ui=ii R1 ii=if（3）電壓并聯(lián)負反饋例1.分立電路

12、電壓并聯(lián)負反饋閉環(huán)增益：閉環(huán)電壓增益：解：用方法一。反饋系數(shù):例2.運放組成的電壓并聯(lián)負反饋利用虛短和虛斷可知u+=u-=0ii=if閉環(huán)增益：閉環(huán)電壓增益：例1.分立元件組成的電流串聯(lián)負反饋解：用方法一。反饋系數(shù):由第二章知，該電路閉環(huán)電壓增益:（4）電流串聯(lián)負反饋例2.運放組成的電流串聯(lián)負反饋閉環(huán)電壓增益:利用虛短和虛斷可知:解：用方法二。二. 估算輸入輸出電阻在深度負反饋條件下：注：表中的輸入、輸出電阻均指反饋環(huán)中的輸入、輸出電阻。 提高增益的穩(wěn)定性 減少非線性失真 擴展頻帶 改變輸入電阻和輸出電阻在放大器中引入負反饋降低了放大倍數(shù)使放大器的性能得以改善：5.4 負反饋對放大電路性能的影

13、響5.4.1 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性閉環(huán)時則：只考慮幅值有即閉環(huán)增益相對變化量比開環(huán)減小了1+AF倍另一方面:在深度負反饋條件下： 即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)由穩(wěn)定的線性元件組成時，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。5.4.2 改善放大器的非線性失真Auiufuiuoud加反饋前加反饋后AF+失真改善uouo5.4.3 擴展放大器的通頻帶 放大電路加入負反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了。無反饋時放大器的通頻帶： fbw= f HfL f H有反饋時放大器的通頻帶： fbwf= f HffLf f Hf可以證明：fbwf = (1+AF) fbw放大器的一個重要特性：增益與通頻帶之積為常數(shù)。

14、即： Amf fbwf= Am fbw31020lg|A|（dB）F（Hz） Am fL fH fLf fHf Amf5.4.4 負反饋對輸入電阻的影響(1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加無反饋時：有反饋時：(2)并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小無反饋時：有反饋時：5.4.5 負反饋對輸出電阻的影響電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓（當(dāng)負載變化時）恒壓源輸出電阻小。(1)電壓負反饋使輸出電阻減小電流負反饋穩(wěn)定輸出電流（當(dāng)負載變化時）恒流源輸出電阻大。(2)電流負反饋使輸出電阻提高為改善性能引入負反饋的一般原則 要穩(wěn)定直流量引直流負反饋 要穩(wěn)定交流量引交流負反饋 要穩(wěn)定輸出電壓引電壓負反饋 要穩(wěn)定輸出電流引電流負反饋 要

15、增大輸入電阻引串聯(lián)負反饋 要減小輸入電阻引并聯(lián)負反饋5.5.1 產(chǎn)生自激振蕩的原因及條件1.自激振蕩現(xiàn)象 在不加輸入信號的情況下，放大電路仍會產(chǎn)生一定頻率的信號輸出。5.5 負反饋對放大電路的自激及消除基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F+2.產(chǎn)生自激振蕩的原因中頻時： 高頻或低頻時,放大器產(chǎn)生附加相移達到180時.為負反饋。 變?yōu)檎答仭?此時，若滿足則Xi=0,仍會有輸出信號。 3.自激振蕩的條件幅值條件相位條件(附加相移)基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F+自激振蕩條件：分解為幅值條件與相位條件：由以上分析知：5.5.2 利用環(huán)路增益波特圖判別是否產(chǎn)生自激振蕩方法一：則放大器穩(wěn)定。否則自激。00-90-180

16、滿足：同理，為了切實保證穩(wěn)定，要留有-10dB的余量，稱為幅值裕度方法二：滿足：則放大器穩(wěn)定。否則自激。為了切實保證穩(wěn)定，要留有45余量，稱為相位裕度5.5.3 自激振蕩的消除方法 如果 在0dB線以上只有一個轉(zhuǎn)折頻率，則無論反饋深度如何,電路都能穩(wěn)定工作，對嗎？思考0dB線以上只有一個轉(zhuǎn)折頻率，則 在0dB線以上的斜率為-20dB/十倍頻程。無論反饋深度如何,相交點都交在 的-20dB/十倍頻程處，放大電路是穩(wěn)定的。 因此，消除自激振蕩的指導(dǎo)思想是，人為地降低第一個極點的頻率，拉大它與第二個極點頻率之間的距離，確保相交點出現(xiàn)在第一、二極點頻率之間，即相交在-20dB/十倍頻程處。1.滯后補償

17、簡單的滯后補償 換句話說， 負反饋放大電路自激振蕩的消除就是要設(shè)法使電路不存大f0，或存大f0時，滿足fcf0，這時電路必然穩(wěn)定。常用的補償方法有滯后補償和超前補償。在多級放大電路的前兩級之間并聯(lián)上補償電容C ，如圖(a)所示，調(diào)頻等效電路如圖(b)所示。設(shè)前級的輸出電阻為Ro1，后級的輸入電阻為Ri2，后級的輸入電容為Ci2，則補償前的上限頻率為：在加入補償電容C后，上限頻率為：選擇電容C使f =fH2時， 且 ，則f=f c時的相位 于是有足夠的相位裕度，不會產(chǎn)生自激。下圖是電容補償?shù)牟ㄌ貓D(補償后如圖中實線所示)RC滯后補償簡單的滯后補償是以犧牲帶寬為代價的。在這種情況下，頻帶變窄。RC滯后補償對損失有所補償。如圖(a)所示， 高頻等效電路如圖(b)所示。設(shè)CCi2，于是忽略Ci2，利用戴維南定律，可得:其中：如果補償前的環(huán)路增益為：調(diào)整RC值，使 ，于是補償后的環(huán)路增益為:電路中只留下兩個拐點，不可能產(chǎn)生振蕩。下圖是RC補償?shù)牟ㄌ貓D(補償后如圖中實線所示)2.超前補償超前補償是通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)的相位特性，使0dB相位向前移，使之破壞自激的相位條件。本章小結(jié)1將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流），以一定的方式送回到輸入回路的過程稱為反饋。3負反饋電路的四種不同組態(tài)可以