模擬電子技術(shù)第3章集成運(yùn)算放大器講解課件

1、模擬電子技術(shù)第3章集成運(yùn)算放大器講解課件模擬電子技術(shù)第3章集成運(yùn)算放大器講解課件教學(xué)要求1. 了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2. 理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想 運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法。3. 理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和 積分運(yùn)算電路的工作原理，了解有源濾波器 的工作原理。4. 理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。2教學(xué)要求1. 了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。4集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路。3.

2、1 集成運(yùn)算放大器的基本概念3集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏 差方向一致，溫度均一性好。（2）電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到 20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有 源元件代替或外接。（3）幾十 pF 以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu) 成、大電容要外接。（4）二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。3.1.1 集成運(yùn)放的組成原理4集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參-UCC+UCC u+uo u反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)與uo反相與uo同

3、相5-UCC+UCC u+uo u反相同相T3T4T5T1T2對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高 KCMRR , 輸入阻抗 ri 盡可能大。對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io 。即輸出阻抗 ro小。集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)（1）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。（2）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。（3）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，以進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載的能力。6對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高 KCMRR , ic =ic1+ ic2 = 1 ib + 2(

4、1+ 1 ) ib = 1 + 2(1+ 1 ) ibT1、T2采用復(fù)合三極管 = ic / ib = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2 R2T3R1R3-UCC+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4ic1ic2ib2icibie127ic =ic1+ ic2T1、T2采用復(fù)合三極管 = ic-UCC+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器差動(dòng)放大器第2級(jí)第1級(jí)：差動(dòng)放大器第3級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃?集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）極性判斷8-UCC+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4 ri 大: 幾十

5、k 幾百 k運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR 很大 ro ?。簬资?幾百 A o 很大: 104 107理想運(yùn)放： ri KCMRR ro 0Ao 運(yùn)放符號(hào)：uu+ uo u u+ uo國(guó)際符號(hào)國(guó)內(nèi)符號(hào)9 ri 大: 幾十k 幾百 k運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR1. 開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ao 無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運(yùn)放的Ao為。3. 共模抑制比KCMRR常用分貝作單位，一般100dB以上。3.1.2 集成運(yùn)放主要性能指標(biāo)2. 最大輸出電壓UOM(約等于UCC)4. 差模輸入電阻ridrid1M, 有的可達(dá)100M以上。101. 開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ao 無(wú)外加反饋回路的差

6、模放6. 輸入失調(diào)電流 Iio 在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。 5. 開(kāi)環(huán)輸出電阻rio運(yùn)算放大器輸出級(jí)的輸出電阻。一般約100。7. 輸入失調(diào)電壓Uio 輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。116. 輸入失調(diào)電流 Iio 5. 開(kāi)環(huán)輸出電阻rio運(yùn)算放大uiuo+UOM-UOM Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使運(yùn)放工作在線性區(qū)。uiuo_+例：若Ucc=12V，Ao=106， 則|ui| u - 時(shí), uo= +uO(sat)=+UCC當(dāng) u +

7、 u - 時(shí), uo= +uO(s3.2.1 負(fù)反饋的概念凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)疊加，就稱為反饋。若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)反饋。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為正反饋。3.2 集成運(yùn)算放大電路中的反饋163.2.1 負(fù)反饋的概念凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電放大器輸出輸入取+ 加強(qiáng)輸入信號(hào) 正反饋 用于振蕩器取 削弱輸入信號(hào) 負(fù)反饋 用于放大器開(kāi)環(huán) 負(fù)反饋的作用 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋信號(hào)實(shí)際輸入信號(hào)17放大器輸出輸入取+ 加強(qiáng)輸入信號(hào) 正反饋 反饋網(wǎng)絡(luò)F放

8、大：迭加：負(fù)反饋框圖AO稱為開(kāi)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(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)凈輸入信號(hào)負(fù)反饋放大器F稱為反饋系數(shù)設(shè)Xf與Xi同相基本放大電路Ao18反饋網(wǎng)絡(luò)放大：迭加：負(fù)反饋框圖AO稱為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)+反饋負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：放大：反饋：疊加：ioFXXA&=ioFXXA&=19負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：放大：反饋：疊加：ioFAF=Ao1+ AoF負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)Ao很大時(shí),AoF1,AF 1 F結(jié)論: 當(dāng)Ao很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無(wú)關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。20AF=Ao1+

9、AoF負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)Ao很大時(shí)3.2.2 負(fù)反饋的類型及分析方法負(fù)反饋的類型電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋?zhàn)饔茫悍€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶作用負(fù)反饋交流負(fù)反饋直流負(fù)反饋213.2.2 負(fù)反饋的類型及分析方法負(fù)反饋的類型電壓串聯(lián)負(fù)反輸出量、輸入量、凈輸入量、反饋量的量綱各不相同。四種反饋組態(tài)22輸出量、輸入量、凈輸入量、反饋量的量綱各不相同。四種反饋組態(tài)1. 有反饋和無(wú)反饋：“ 找聯(lián)系”uiuo_+Aouiuo_+Aouiuo_+Ao 有無(wú)反饋主要觀察是否有反饋電路將放大電路的輸出回路和輸入回路聯(lián)系在一起。231.

10、有反饋和無(wú)反饋：“ 找聯(lián)系”uiuo_+AouiAo+uiuo+F反饋量是僅僅決定于輸出量的物理量。2. 正反饋和負(fù)反饋反饋極性通常采用“瞬時(shí)極性法”判斷。24Ao+uiuo+F反饋量是僅僅決定于輸出量的物同一電路的不同畫(huà)法Ao+uiuo+FAouiuo+F習(xí)慣畫(huà)法一+_+R2R1uiuo習(xí)慣畫(huà)法二25同一電路的不同畫(huà)法Ao+uiuo+FAouiAo引入負(fù)反饋引入正反饋Ao3.直流反饋和交流反饋 如果反饋電路僅反映放大電路中的直流分量變化，則為直流反饋。 如果反饋的是放大電路中的交流分量則為交流反饋。26Ao引入負(fù)反饋引入正反饋Ao3.直流反饋和交流反3.2.3 具體負(fù)反饋電路分析1. 并聯(lián)電

11、壓負(fù)反饋i1if iduoRFuiR2R1+RL設(shè)輸入電壓 ui 為正，差值電流 id = i1 if各電流的實(shí)際方向如圖if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負(fù)反饋反饋電流取自輸出電壓電壓反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電流的形式比較并聯(lián)反饋 特點(diǎn)：輸入電阻低、輸出電阻低273.2.3 具體負(fù)反饋電路分析1. 并聯(lián)電壓負(fù)反饋i1if 2. 串聯(lián)電壓負(fù)反饋+uf+uduoRFuiR2R1+RL設(shè)輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui uf各電壓的實(shí)際方向如圖uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電壓電壓反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋 特點(diǎn)：輸

12、入電阻高、輸出電阻低282. 串聯(lián)電壓負(fù)反饋+uf+uduoRFuiR2R1+3. 串聯(lián)電流負(fù)反饋uouiR2RL+ioR+uf+ud設(shè)輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui uf各電壓的實(shí)際方向如圖uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電流 電流反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋uf =Rio 特點(diǎn)：輸出電流 io 與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān) 同相輸入恒流源電路或電壓-電流變換電路293. 串聯(lián)電流負(fù)反饋uouiR2RL+ioR+4.并聯(lián)電流負(fù)反饋RFR1uiR2RL+ioRi1ifid設(shè)輸入電壓 ui 為正，差值電流 id = i1 if各電流的實(shí)

13、際方向如圖if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負(fù)反饋反饋電流取自輸出電流電流反饋特點(diǎn)：輸出電流 io 與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)反相輸入恒流源電路304.并聯(lián)電流負(fù)反饋RFR1uiR2RL+ioRi3.2.4 反饋類型的判別方法 1. 反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋； 2. 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個(gè)輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋； 3. 對(duì)串聯(lián)反饋，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的極性相同時(shí)，是負(fù)反饋；極性相反時(shí)，是正反饋； 4. 對(duì)并聯(lián)反饋，凈輸入電流等于輸入電流和反饋電流之差時(shí)，是負(fù)反饋；否則是

14、正反饋。313.2.4 反饋類型的判別方法 1. 反饋電路直接從輸例1試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。uf+uo1uiR+uo+RLA1A2解： 因反饋電路直接從運(yùn)算放大器A2的輸出端引出，所以是電壓反饋； 因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在反相輸入端和同相輸入端上，所以是串聯(lián)反饋； 因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的極性相同，所以是負(fù)反饋。 串聯(lián)電壓負(fù)反饋 先在圖中標(biāo)出各點(diǎn)的瞬時(shí)極性及反饋信號(hào)；ud+-ud =ui uf32例1試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端例2試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電

15、路。解： 因反饋電路是從運(yùn)算放大器A2的負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，所以是電流反饋； 因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)均加在同相輸入端上，是并聯(lián)反饋;因凈輸入電流 id 等于輸入電流和反饋電流之差，是負(fù)反饋。并聯(lián)電流負(fù)反饋uo1uiR+uo+RLA1A2i1ifidid = i1 if33例2試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端3.2.4 負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響反饋電路的基本 方程基本放大電路Ao反饋網(wǎng)絡(luò)F+FAo開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)AF閉環(huán)放大倍數(shù)Xf與Xi同相343.2.4 負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響反饋電路的基本 方程基本放負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。同相，所以

16、AFAFA01+A0FA01=AF=Ao1+ AoF則有：|AF|Ao|1. 對(duì)放大倍數(shù)的影響35負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。同相，所若:稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)： 在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。反饋深度36若:稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)： 在深度負(fù)反饋的情況下，放大2. 交流負(fù)反饋能改善波形的失真Aouiufuiuoud加反饋前加反饋后AoF+失真改善uouo372. 交流負(fù)反饋能改善波形的失真Aouiufuiuoud加3. 展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fABoAoAFBf383. 展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fABo 在具有負(fù)

17、反饋的放大電路中，不論引入的反饋信號(hào)取自輸出電壓還是輸出電流，輸入電阻取決于反饋電路與基本放大電路輸入回路的連接方法。4. 改變輸入電阻和輸出電阻1）對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加例如:射極輸出器并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減?。?9 在具有負(fù)反饋的放大電路中，不論引入的反饋信號(hào)2）對(duì)輸出電阻的影響電壓反饋使電路的輸出電阻減小例如:射極輸出器電流反饋使電路的輸出電阻增大 在具有負(fù)反饋的放大電路中，輸出電阻僅取決于反饋電路與基本放大電路輸出回路的連接方式。402）對(duì)輸出電阻的影響電壓反饋使電路的輸出電阻減小例如:射極輸RB1+UCCRCC1C2RB2RERLuoBCRFRECEE+接有

18、發(fā)射極交流負(fù)反饋電阻的放大器(電流串聯(lián)負(fù)反饋)uiubeufui = ube + ufube = ui - uf負(fù)反饋電阻RF其中uf = RF ie ie ic = io符合公式：分立元件放大電路中的反饋41RB1+UCCRCC1C2RB2RERLuoBCRFRECE性能比較結(jié)論: （1）放大倍數(shù)減小了，但穩(wěn)定了，即受晶體管的影響減小。 （2）輸入電阻提高了。無(wú)RF有RF放大倍數(shù) -93 -19輸入電阻 1.52k 5.9k 輸出電阻 5 k 5 k RB1=100kRB2=33kRE=2.4kRF=100RC=5kRL=5k=60UCC=15Vrbe=1.62 k分立元件放大電路中的反饋42性能比較結(jié)論: 無(wú)RF有RF