電子技術(shù)第三章集成電路課件

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路:是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。*集成運(yùn)算放大器:是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。*集成電路優(yōu)點(diǎn):工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小,可靠性高、價(jià)格低。*集成電路分類：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；集成電路簡介www.themeg1

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路結(jié)構(gòu)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。元器件參數(shù)的一致性和對稱性好.(2)電阻的阻值受到限制,由硅半導(dǎo)體構(gòu)成,范圍在幾十到20千歐。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。(3)電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；電容值在幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容通常外接。(4)二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。(5)電路結(jié)構(gòu)是直接耦合方式.集成電路特點(diǎn)www.themeg2

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu):(1)輸入級：輸入電阻高,能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào),都采用帶恒流源的差分放大器。(2)中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。(3)輸出級：與負(fù)載相接,要求輸出電阻低,帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。(4)偏置電路:多由鏡像恒流源等電路組成,提供合適工作電流.

輸入級中間級輸出級偏置電路集成電路結(jié)構(gòu)www.themeg3

3.2

直耦放大電路問題*零漂現(xiàn)象：輸入ui=0時(shí)，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。*產(chǎn)生零漂的原因:由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí),這種變化量會(huì)被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。*零漂的衡量方法：將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。零點(diǎn)漂移問題www.themeg4

3.2

直耦放大電路問題*零漂現(xiàn)象示例:假設(shè)一個(gè)2級放大器,Au1=100,Au2=100.則總Au=10000.若輸出有1V的漂移電壓,那么,等效輸入端有100μv的輸入.*減小零漂的措施:(1)用熱敏元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償;(2)引入直流負(fù)反饋以穩(wěn)定Q點(diǎn)；(2)采用差動(dòng)放大電路(常用且有效的方法).零點(diǎn)漂移問題等效100μV漂移1Vwww.themeg5

3.3

差動(dòng)放大電路*差分放大電路的組成:差分放大電路是由對稱的兩個(gè)基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的。*對稱的含義:是兩個(gè)三極管的特性一致，如放大倍數(shù),動(dòng)態(tài)輸入電阻,反向飽和電流等電路參數(shù)對應(yīng)相等.即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg6

3.3

差動(dòng)放大電路*幾個(gè)基本概念:1.差動(dòng)放大電路一般有兩個(gè)輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時(shí)加信號(hào)。單端輸入——僅從一個(gè)輸入端對地加信號(hào)。2.差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸出端。雙端輸出——從C1和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg7

3.3

差動(dòng)放大電路*幾個(gè)基本概念:3.差模信號(hào)與共模信號(hào)差模信號(hào)——2個(gè)輸入信號(hào)相減，uid=ui1-ui2。共模信號(hào)——2個(gè)輸入信號(hào)相加，uic=(ui1+ui2)/2。差模電壓增益——差模信號(hào)輸入時(shí),電壓放大倍數(shù)，共模電壓增益——共模信號(hào)輸入時(shí),電壓放大倍數(shù)，總輸出電壓——差模和共模輸出之和：4.共模抑制比——差模電壓增益/共模電壓增益的絕對值。可以用來反映電路抑制共模信號(hào)的能力。典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg8

3.3

差動(dòng)放大電路*原理分析要點(diǎn):(1)差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。為了使差分放大電路在靜態(tài)時(shí),其輸入端基本上是零電位，將Re從接地改為接負(fù)電源－VEE。(2)分析方法要注意2個(gè)等效關(guān)系:①對每個(gè)三極管Re等效2倍Re,②差模輸入的虛地問題.IE1IE2典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg9

3.3

差動(dòng)放大電路*靜態(tài)分析:由于對稱性,兩個(gè)管子的參數(shù)相同,所以,只需用分析一個(gè)管子的電壓電流就可以了.因?yàn)镽b較小，其上的電壓降可忽略不計(jì)。根據(jù)直流通路知，輸入為零時(shí),可忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V.Re上的電流為2管子的電流和.即IE=(UEE―UBE)∕Re=2IE1=2IE2IE1=IE2=IE∕2=(UEE―UBE)∕2Re≈UEE∕2Re;所以,對每個(gè)三極管來說,此處的Re等效2個(gè)Re.典型結(jié)構(gòu)與原理IE1IE2UBEwww.themeg10

3.3

差動(dòng)放大電路*靜態(tài)分析:基極電流,UCE和輸出電壓分別為IB1=IB2=IE1/(1+β);UCE1=UCE2≈UCC+UEE-(RCIE1+ReIE)=UCC+UEE―(RC+2Re)IE1Uo=UC1-UC2=0；典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg11

3.3

差動(dòng)放大電路*動(dòng)態(tài)分析:(1)對共模信號(hào)的抑制作用:由于對稱,射極電阻Re對共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制了每只晶體管集電極電流的變化，從而抑制集電極的電位的變化。共模信號(hào)的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化.所以,uoc=uoc1-uoc2≈0.*對溫度抑制作用:電路參數(shù)的理想對稱性，溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同，使差分放大電路對共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。由于溫度對電路的影響是同步的,故可以將溫度漂移等效成共模信號(hào)，所以,差分放大電路能很好地抑制零漂(溫漂).典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg12

3.3

差動(dòng)放大電路*動(dòng)態(tài)分析:(2)對差模信號(hào)的放大作用:(下面的特點(diǎn)對共模信號(hào)不成立)對差模信號(hào)有二個(gè)“虛地”:①E點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下不變，相當(dāng)于接“地”。因?yàn)槿魎i1,ui2ib1,ib2ie1,ie2IRe不變

UE不變②負(fù)載電阻的中點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下不變，相當(dāng)于接“地”。因?yàn)?若設(shè)u01,u02,又有u01=u02,相當(dāng)于RL的中點(diǎn)電位為0,等于每個(gè)負(fù)載只有RL/2.典型結(jié)構(gòu)與原理ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1+uId--++-+uod-Ewww.themeg13

3.3

差動(dòng)放大電路*動(dòng)態(tài)分析:(2)對差模信號(hào)的放大作用:因?yàn)閡i1=-ui2,設(shè)ui1,ui2uo1,uo2。電路對稱│uo1│=│uo2│

uod=uo1–uo2=2uo1

差模uid=ui1–ui2=ui1–(-ui1)=2ui1

差模電壓放大倍數(shù):典型結(jié)構(gòu)與原理差模信號(hào)虛地www.themeg14

3.3

差動(dòng)放大電路*動(dòng)態(tài)分析:(3)差模輸入電阻:典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg15

3.3

差動(dòng)放大電路*動(dòng)態(tài)分析:(4)輸出電阻(輸入信號(hào)源短接,負(fù)載電阻開路,三極管好像開路,在輸出回路中,就只有2個(gè)RC并聯(lián))典型結(jié)構(gòu)與原理RCiowww.themeg16

3.3

差動(dòng)放大電路*差動(dòng)放大器有4種輸入輸出的形式1.雙端輸入、雙端輸出（雙----雙）:輸入輸出端沒有接地.2.雙端輸入、單端輸出（雙----單）:輸入端沒有接地,輸出端有一個(gè)端口接地輸出.3.單端輸入、雙端輸出（單----雙）:輸入端口有一個(gè)接地輸入,輸出端口沒有接地.4.單端輸入、單端輸出（單----單）:輸入和輸出端口都是用一個(gè)端口接地輸入和輸出.輸入和輸出方式www.themeg17

3.3

差動(dòng)放大電路1.雙端輸入、雙端輸出:輸入輸出端沒有接地.(1)差模電壓放大倍數(shù):(2)共模電壓放大倍數(shù)

(3)差模輸入電阻(4)輸出電阻輸入和輸出方式www.themeg18

3.3

差動(dòng)放大電路2.雙端輸入、單端輸出:輸入端沒有接地,輸出端有一個(gè)端口接地輸出.這種方式適用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號(hào)。(1)差模電壓放大倍數(shù):

RL輸入和輸出方式負(fù)載接地www.themeg19

3.3

差動(dòng)放大電路2.雙端輸入、單端輸出(2)差模輸入電阻(同第一種情況)(3)輸出電阻(同普通情況,負(fù)載開路,信號(hào)源短接)(4)輸出電壓因?yàn)楣材］敵霾荒艿窒?所以輸出包含有共模信號(hào)(雖然共模信號(hào)很小).輸入和輸出方式RLwww.themeg20

3.3

差動(dòng)放大電路(5)共模電壓放大倍數(shù)先畫出畫出共模等效電路,即交流通路.輸入和輸出方式等效2Rewww.themeg21

3.3

差動(dòng)放大電路(6)共模抑制比根據(jù)定義得輸入和輸出方式www.themeg22

3.3

差動(dòng)放大電路3.單端輸入、雙端輸出:因?yàn)?差模信號(hào)uid=ui1-0=ui1,相當(dāng)于T1和T2都只得到一半的輸入信號(hào).即ui1=－ui2=ui/2.可以把它們當(dāng)成雙端輸入來處理.結(jié)論也一致.這種情況下,輸出也減少1半.(1)差模電壓放大倍數(shù):(2)共模電壓放大倍數(shù)

(3)差模輸入電阻(4)輸出電阻輸入和輸出方式www.themeg23

3.3

差動(dòng)放大電路4.單端輸入、單端輸出:同雙入單出分析相同.結(jié)論也一樣.(1)差模電壓放大倍數(shù):(2)共模電壓放大倍數(shù)

(3)差模輸入電阻(4)輸出電阻輸入和輸出方式www.themeg24

3.3

差動(dòng)放大電路*差動(dòng)放大器動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié)(P130.表)(1)差模電壓放大倍數(shù)——與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)。(2)共模電壓放大倍數(shù)——與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)。(3)差模輸入電阻——與輸入輸出的形式無關(guān)，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。由于共模信號(hào)通常是要減少的量,如溫度等,所以,不討論共模輸入電阻問題.(4)輸出電阻——由輸出決定，單端輸出為Rc，雙端輸出為2Rc。輸入和輸出方式www.themeg25

3.4

放大器中的反饋*在電子設(shè)備中經(jīng)常采用反饋的方法來改善電路的性能,欲穩(wěn)定某個(gè)電量，將該電量反饋回輸入回路。就可以達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)。例如，采用直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法.*放大電路中的反饋，是指將放大電路輸出電量(輸出電壓或輸出電流)的一部分或全部，通過一定的方式，反送回輸入回路中。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的電路，UBEQ

UBQ–ICQRE，

ICQ(IEQ)反饋回輸入回路.反饋的基本概念UB一定TUBEICICUEIBwww.themeg26

3.4

放大器中的反饋*正向傳輸——信號(hào)從輸入端向輸出端的傳輸。*反向傳輸——信號(hào)從輸出端向輸入端的傳輸.*開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng):(1)開環(huán):電路中只有正向傳輸，沒有反向傳輸，稱為開環(huán)系統(tǒng)。(2)閉環(huán):既有正向傳輸，又有反向傳輸?shù)南到y(tǒng),稱為閉環(huán)系統(tǒng)。信號(hào)的正向傳輸信號(hào)的正向傳輸反饋傳輸(通路)（反饋網(wǎng)絡(luò)）反饋的基本概念www.themeg27

3.4

放大器中的反饋*直流反饋與交流反饋:根據(jù)反饋信號(hào)的性質(zhì),可以分為直流反饋和交流反饋.(1)直流反饋:只在直流通路中存在的反饋,而在交流通路中沒有反饋的反饋.(2)交流反饋:只在交流通路中存在的反饋,而在直流通路中沒有反饋的反饋.(3)交直流反饋:反饋量中既有直流分量也有交流分量的反饋.反饋的類型直流反饋交流反饋www.themeg28

3.4

放大器中的反饋*正反饋與負(fù)反饋:根據(jù)反饋效果,可分為正反饋和負(fù)反饋.(1)正反饋:輸入量不變時(shí)，引入反饋后使凈輸入量增加，放大倍數(shù)增加。即Xd>Xi(Xd=Xi-Xf).(2)負(fù)反饋:輸入量不變時(shí)，引入反饋后使凈輸入量減小，放大倍數(shù)減小。即Xd<Xi.(3)反饋系數(shù):反映出反饋的大小,F=xf/xo.+–AF反饋電路比較環(huán)節(jié)基本放大電路反饋的類型www.themeg29

3.4

放大器中的反饋*電壓反饋和電流反饋：根據(jù)反饋在輸出端所采樣的信號(hào)不同,可以分為電壓反饋和電流反饋。(1)電壓反饋:如果反饋信號(hào)取自輸出電壓，叫電壓反饋。(2)電流反饋:如果反饋信號(hào)取自輸出電流，叫電流反饋。判斷方法：假設(shè)將輸出端交流短路，如果反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋;否則為電流反饋。例：Re1兩端的電壓與輸出信號(hào)無關(guān)，短路輸出反饋信號(hào)沒消失，所以為電流反饋。反饋的類型www.themeg30

3.4

放大器中的反饋*串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋:根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式的不同,可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋.若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入回路中以電壓形式求和,為串聯(lián)反饋；如果二者以電流形式求和，為并聯(lián)反饋。并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋反饋的類型www.themeg31

3.4

放大器中的反饋*串并聯(lián)類型的判斷總結(jié)(1)對于三極管電路并聯(lián):若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同時(shí)加在三極管的某個(gè)極,如基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋。串聯(lián):若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)分別加在兩個(gè)不同的極,如一個(gè)在基極,一個(gè)加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。反饋的類型www.themeg32

3.4

放大器中的反饋(2)對于運(yùn)放電路并聯(lián):若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同時(shí)加在同相端或反相端，則為并聯(lián)反饋。串聯(lián):若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)一個(gè)加在同相端,一個(gè)加在反相端則為串聯(lián)反饋。反饋的類型www.themeg33

3.4

放大器中的反饋*反饋極性判別——瞬時(shí)極性法判別反饋極性的步驟：1.設(shè)接“地”參考點(diǎn)的電位為零。2.按信號(hào)的放大過程,逐級推出輸出信號(hào)的瞬時(shí)極性.若電路中某點(diǎn)的瞬時(shí)電位高于參考點(diǎn)(對交流為電壓的正半周)，則該點(diǎn)電位的瞬時(shí)極性為正(用(+)表示)；反之為負(fù)(用(-)表示)。3.若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在不同輸入端(或兩個(gè)電極)上,兩者極性相同時(shí)，凈輸入電壓減小,為負(fù)反饋；反之，極性相反為正反饋。4.若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在同一輸入端(或同一電極)上,兩者極性相反時(shí)，凈輸入電壓減小,為負(fù)反饋；反之，極性相同為正反饋。反饋極性的判斷www.themeg34

3.4

放大器中的反饋*極性正、負(fù)判斷的原則：對分立元件而言，C與B極性相反，E與B極性相同。對集成運(yùn)放而言，uO與uN極性相反(uN又叫反向輸入端，也可用“-”表示)，uO與uP極性相同(uP又叫同向輸入端，也可用“+”表示)。正反饋負(fù)反饋uNuPuPuN++反饋極性的判斷www.themeg35

3.4

放大器中的反饋*反饋的極性判別舉例:(1)用瞬時(shí)極性判斷極性如圖;(2)反饋采樣信號(hào)是電流(輸出對地短路判斷);(3)反饋在輸入端是串聯(lián)(信號(hào)加在不同的端口)；(4)反饋是抵消作用，是負(fù)反饋；(5)反饋信號(hào)包括交直流；(6)引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn);(7)引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能(減小失真);(8)如果加交流旁路電容，可消除交流反饋。RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––ie+–uf(+)(-)(+)反饋極性的判斷www.themeg36

3.4

放大器中的反饋*反饋類型:從輸入端看,反饋有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式,從輸出端看,有電流和電壓兩種方式.所以,反饋可以組成四種型式,電壓串聯(lián)型,電壓并聯(lián)型,電流串聯(lián)型和電流并聯(lián)型.(1)電壓串聯(lián)負(fù)反饋—反饋信號(hào)與輸出電壓成正比(輸出短路,反饋電壓為0)，放大器的凈輸入電壓等于輸入電壓與反饋電壓之差。電壓負(fù)反饋的特性：負(fù)載變化時(shí)，穩(wěn)定輸出電壓。對于電壓源來說，等效于輸出電阻下降。負(fù)反饋放大器的組態(tài)RLuOufud(ube)

uOwww.themeg37

3.4

放大器中的反饋(2)集成運(yùn)放的電壓串聯(lián)負(fù)反饋形式反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓與反饋電壓之差：反饋電壓為:開環(huán)(無反饋)電壓增益：閉環(huán)電壓增益：反饋系數(shù)：負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg38

3.4

放大器中的反饋(3)電壓并聯(lián)負(fù)反饋——反饋信號(hào)與輸出電壓成正比(輸出端短路反饋電壓為0)，放大器凈輸入電流等于外加輸入電流與反饋電流之差.從輸入端看:id=ib=is–if,故為并聯(lián)負(fù)反饋。從輸出端看反饋電流：與電壓成比例,因此是電壓反饋.所以該電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋.負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg39

3.4

放大器中的反饋(4)集成運(yùn)放的電壓并聯(lián)負(fù)反饋形式——從輸入端看:

故為并聯(lián)負(fù)反饋。反饋電流(利用虛地,V+=V-≈0)：，故為電壓負(fù)反饋。放大倍數(shù)(開環(huán)互阻增益)：放大倍數(shù)(閉環(huán)互阻增益)：(互導(dǎo))反饋系數(shù)：負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg40

3.4

放大器中的反饋(5)電流串聯(lián)負(fù)反饋——反饋信號(hào)與輸出電流成正比(輸出短路反饋信號(hào)不為0)，凈輸入電壓等于外加輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。在輸入端有ud=ui–uf,所以,是并聯(lián)負(fù)反饋。因?yàn)榉答伭縰f=ioRf=icRe與輸出電流成比例,所以是電流反饋。引入電流負(fù)反饋的目的是當(dāng)負(fù)載變化時(shí),輸出電流保持穩(wěn)定。對于電流源來說，等效于輸出電阻提高。ioufudioRL負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg41

3.4

放大器中的反饋(5)集成運(yùn)放的電流串聯(lián)負(fù)反饋形式——從輸入端看，,輸出短路,反饋不消失,故為串聯(lián)電壓負(fù)反饋。反饋電壓：閉環(huán)互導(dǎo)增益：開環(huán)互導(dǎo)增益:互阻反饋系數(shù)：負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg42

3.4

放大器中的反饋(7)電流并聯(lián)負(fù)反饋——反饋信號(hào)與輸出電流成正比(輸出短路反饋不為0)，輸入端凈輸入電流等于外加輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。因?yàn)?id=ib1=is-if,所以,是并聯(lián)負(fù)反饋。引入電流負(fù)反饋的目的是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電流保持穩(wěn)定。對于電流源來說，等效于輸出電阻提高。id(ib)RLio(ic2)ifio(ic2)負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg43

3.4

放大器中的反饋(8)集成運(yùn)放的電流并聯(lián)負(fù)反饋形式——從輸入端看，，故為并聯(lián)負(fù)反饋。

反饋電流：(R3與RF并聯(lián)分流)電流放大倍數(shù)(閉環(huán)電流增益)：電流增益(開環(huán)電流增益):反饋系數(shù)：負(fù)反饋放大器的組態(tài)www.themeg44

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器增益:反饋后的輸入量:xid=xi-

xf

;開環(huán)增益:A=xo

/xid

;反饋系數(shù):F=xf

/xo

;環(huán)路放大倍數(shù)：AF=xf/xid

;閉環(huán)增益(負(fù)反饋放大器增益):Af=xo

/xi=xo/(xid+xf)=Axid/(xid+AFxid)

Af=A/(1+AF)

,|1+AF|叫做反饋深度；深度負(fù)反饋條件:|1+AF|>>1,有?f≈A/AF=1/F;負(fù)反饋條件:|1+AF|>1,|?f|<|?|；正反饋條件:|1+AF|<1,|?f|>|?|；自激振蕩條件:|1+AF|=0,|?f|→∞.+–AFxixidxoxf...........負(fù)反饋放大器的組態(tài)...www.themeg45

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器對穩(wěn)定性的影響——提高穩(wěn)定性穩(wěn)定性的定義——增益的相對變化率，dA/A越小，穩(wěn)定性就越好。根據(jù)關(guān)系A(chǔ)f=A/（1+AF），對A求導(dǎo)，得dAf/A=1/(1+AF)2;可以得到dAf/Af=(dA/A)(1/(1+AF)).式中dA/A為無反饋的相對變化率,式子表明，有反饋的穩(wěn)定性是無反饋的穩(wěn)定性的1/(1+AF)倍。因?yàn)椋?+AF>>1,所以，dAf/Af<<(dA/A).說明有反饋的增益的相對變化率要小于無反饋的很多倍。那么有反饋的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無反饋的穩(wěn)定性.負(fù)反饋對電路性能影響www.themeg46

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器對輸入電阻和輸出電阻的影響:1.串聯(lián)負(fù)反饋能使電路的輸入電阻增加無負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：在同樣的

ib下，ui=ube+uf

>ube，所以

rif

提高了(|1+?F|倍)。uiubeib++––.負(fù)反饋對電路性能影響uiubeib++––uf+–www.themeg47

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器對輸入電阻和輸出電阻的影響:2.并聯(lián)負(fù)反饋能使電路的輸入電阻減小無負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：在同樣的ube下，ii

=ib+if>ib，所以

rif

降低了(1/|1+?F|倍)。.ifiiibube+–負(fù)反饋對電路性能影響www.themeg48

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器對輸入電阻和輸出電阻的影響:3.電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻減小設(shè)輸入信號(hào)為零,放大電路的輸出電阻定義為：

可見,引入電壓負(fù)反饋后,放大電路的輸出電阻減小到無反饋時(shí)的倍。負(fù)反饋對電路性能影響Rof。Xf.Xi′.www.themeg49

3.4

放大器中的反饋*負(fù)反饋放大器對輸入電阻和輸出電阻的影響:4.電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻增大按前面相同的方法,得到可見,引入電壓負(fù)反饋后,放大電路的輸出電阻增大到無反饋時(shí)的倍。負(fù)反饋對電路性能影響。RofXf.Xi′.www.themeg50

3.4

放大器中的反饋*四種負(fù)反饋對ri和ro的影響總結(jié):負(fù)反饋對電路性能影響串聯(lián)電壓串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電流riro減低增高增高增高增高減低減低減低電壓電流并聯(lián)串聯(lián)riro減小增大增大減小www.themeg51

3.4

放大器中的反饋*擴(kuò)展放大器的通頻帶:放大電路加入負(fù)反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了?？梢宰C明：fbwf=(1+AF)fbw.即,擴(kuò)展了(1+AF)

倍.放大器的一個(gè)重要特性：增益與通頻帶之積為常數(shù)。即：

Amf×fbwf=Am×fbw

無反饋時(shí)放大器的通頻帶：fbw=fH－fLfH有反饋時(shí)放大器的通頻帶：fbwf=fHf－fLffHf020lg|A|（dB）F（Hz）AmfLfHfLffHfAmf....負(fù)反饋對電路性能影響www.themeg52

3.4

放大器中的反饋*改善放大器的非線性失真:放大電路加入負(fù)反饋后，能減少環(huán)內(nèi)放大電路產(chǎn)生的失真,比如無負(fù)反饋時(shí)產(chǎn)生正半周大負(fù)半周小的失真。加入反饋后,這種失真反饋到輸入端,與輸入信號(hào)反相疊加，得到的凈輸入信號(hào)為正半周小而負(fù)半周大。剛好彌補(bǔ)這種失真.但是,如果輸入波形本身就是失真的，即使引入負(fù)反饋，也無濟(jì)于事。負(fù)反饋對電路性能影響www.themeg53

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)放——一種高放大倍數(shù),高輸入阻抗,低輸出阻抗的多級直接耦合放大器.是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成運(yùn)放基本概念集成運(yùn)放741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C反相輸入輸出www.themeg54

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器符號(hào):國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)：國內(nèi)外常用符號(hào):u-u+

＋－uoNP反相輸入端同相輸入端輸出端NP實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)集成運(yùn)放基本概念實(shí)際電路符號(hào)管腳765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出21876345www.themeg55

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod:無反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右(>105倍)，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上.Aod愈高,所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。(2)最大輸出電壓UOPP:能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓的峰-峰值。一般其幅值比電源電壓小1~2v.(3)差模輸入電阻rid:是反向輸入端與同向輸入端對差模信號(hào)源表現(xiàn)出的等效電阻.雙極型管輸入級約為105～106歐姆,場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上.理想運(yùn)放可以當(dāng)成無窮大.

集成運(yùn)放基本概念www.themeg56

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)(4)共模抑制比

KCMRR：與差動(dòng)放大器的定義相同,差模電壓增益/共模電壓增益的絕對值。

KCMRR=20lg(Avd/Avc)(dB)反映出運(yùn)放對共模信號(hào)的抑制能力.其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。理想的可以看作無窮大.(5)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)部電路對稱性的指標(biāo)。因?yàn)?實(shí)際的運(yùn)放不可能真正做到完全對稱,所以,在輸入為零時(shí),輸出不可能也為零.為了使其為零,在輸入端加一個(gè)補(bǔ)償電壓,使輸出為零.這個(gè)補(bǔ)償電壓,就叫做輸入失調(diào)電壓.即UIO=-(UO|U=0)/Aod.一般為1~10mv.I集成運(yùn)放基本概念www.themeg57

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)(6)輸入偏置電流IIB：輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，IIB=(IB-+IB+)/2.用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。該值越小越好.(7)輸入失調(diào)電流IIO：在零輸入時(shí)，差分輸入級的差分對管基極電流之差，IIO=|IB+-IB-|U=0.用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。要求是越小越好,一般為1nA~100nA.(8)輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO/dT:在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。(9)輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。與(8)一起反映運(yùn)放的溫度漂移特性.i集成運(yùn)放基本概念www.themeg58

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器的模型和電壓傳輸特性(1)理想模型:在低頻情況下，忽略失調(diào)電壓電流及溫漂等因素的影響，運(yùn)放可以看成一個(gè)高開環(huán)放大倍數(shù)(Aod>106)，高輸入電阻(>106),低輸出電阻(<100Ω)的電壓放大器.Aoduidroriuouid集成運(yùn)放基本概念www.themeg59

3.5

集成運(yùn)算放大器*集成運(yùn)算放大器的模型和電壓傳輸特性(2)電壓傳輸特性——是輸出電壓與差模輸入電壓之間的關(guān)系：uo=f(uid).**線性區(qū)：當(dāng)-usat<uid<+usat,uo=Aod(u+–u–);**非線性區(qū)(正負(fù)飽和區(qū))：Uid>+usat

時(shí)，uo=+Uom

Uid<-usat

時(shí)，uo=–Uom.運(yùn)放的Aod越大，線性范圍越小，很容易進(jìn)入飽和狀態(tài)。要讓運(yùn)放穩(wěn)定工作在線性區(qū)，必須引入負(fù)反饋。

+Uo(sat)

uid=u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性負(fù)飽和區(qū)O正飽和區(qū)+Uom-Uom集成運(yùn)放基本概念www.themeg60

3.6

理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)放指標(biāo)*理想運(yùn)算放大器的指標(biāo)在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod→∞;2.開環(huán)(差模)輸入電阻rid→∞;3.(開環(huán))輸出電阻ro≈0;4.共模抑制比KCMRR→∞;5.輸入失調(diào)電流IIO=0;6.輸入偏置電流IIB=0;7.輸入失調(diào)電壓UIO=0;www.themeg61

3.6

理想運(yùn)算放大器線性工作區(qū)特點(diǎn)*理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)(1)“虛短”的意義:指的是差模輸入電壓約等于0.因?yàn)閡o

=Aod(u+–

u–

),uid=u+–

u–

=uo/Aod≈0,有u+≈u–

,好像2個(gè)輸入端短路似的,故稱“虛短”.(2)“虛斷”的意義:因?yàn)椴钅］斎腚娮鑢id→∞,i+=i–=(u+–

u–

)/rid0，好像2個(gè)輸入端斷開似的，故稱為“虛斷”。(3)“虛短”和“虛斷”是分析運(yùn)放工作在線性區(qū)的重要方法,應(yīng)用該方法,很方便計(jì)算出輸入和輸出的關(guān)系.++∞uou–u+i+i––www.themeg62

3.6

理想運(yùn)算放大器非線性工作區(qū)特點(diǎn)*理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn):當(dāng)運(yùn)放未引入負(fù)反饋,或引入正反饋,此時(shí),電路工作在飽和狀態(tài).(1)在飽和狀態(tài)不存在“虛短”現(xiàn)象.輸出只有兩種可能,+Uom或–Uom.

這時(shí),輸入不再近似相等,只要二者有很小的差值,輸出就很快到達(dá)正負(fù)飽和值,即當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uom

u+<u–

時(shí)，uo=–Uom(2)仍存在“虛斷”現(xiàn)象.這是因?yàn)?差模輸入電阻仍然很大,電路輸入電流幾乎為零:i+=i–0.

u+–u–

uo–Uom+Uom負(fù)飽和區(qū)O正飽和區(qū)www.themeg63

3.7

基本運(yùn)算電路理想運(yùn)算的應(yīng)用*集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。www.themeg64

3.7

基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算(1)電路組成：因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//Rf。(2)分析:根據(jù)“虛短”和“虛斷”知，i+=i–0，u+≈u–≈0

,有i1=if，則ifi1i–i+uoRfuiR2R1++––++–u+u-www.themeg65

3.7

基本運(yùn)算電路(2)分析：上式表明，輸出與輸入成比例，且相位相反。當(dāng)Rf=R1時(shí)，為反向電路。由于同向端接地,根據(jù)“虛短”知，u+≈u–≈0

,稱為反相輸入端“虛地”,這是反相輸入的一個(gè)重要特點(diǎn).(3)反向比例運(yùn)算的特點(diǎn):*在深度負(fù)反饋的條件下,輸入電阻ri=ui/i1=R1.*由于是電壓并聯(lián)負(fù)反饋,運(yùn)放本身輸出電阻很小,所以,電路輸出電阻幾乎為零.*由于“虛地”的原因,輸入的共模電壓幾乎為零.*Auf

只與外部電阻R1、Rf

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。比例運(yùn)算www.themeg66

3.7

基本運(yùn)算電路2.同相比例運(yùn)算(1)電路組成：因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//Rf。(2)分析:根據(jù)“虛斷”和“虛短”知，i+=i–0，ui=u+≈u–(此時(shí),u+不虛地,因?yàn)檩敵霾粸?,u-不為0)

,有i1=if，則uoRfuiR2R1++––++–u+u–比例運(yùn)算www.themeg67

3.7

基本運(yùn)算電路上式表明，輸出與輸入成比例，且相位相同。由于反向端接地,所以反相輸入端沒有“虛地”這個(gè)概念.(3)同向比例運(yùn)算的特點(diǎn):*該電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋,輸入電阻ri=ui/i+→∞.輸出電阻r0=0.*由于u-=u+=ui≠0的原因,輸入的共模電壓存在,并且共模輸入電壓可能較高。故該電路不如反向比例用得多.*Auf

只與外部電阻R1、Rf

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。*當(dāng)Rf=0,且R1→∞,得到uo=ui，Auf=1，叫做電壓跟隨器.由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好,有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。uoui++––++–比例運(yùn)算www.themeg68

3.7

基本運(yùn)算電路加減運(yùn)算1.加法運(yùn)算(a)反相加法運(yùn)算電路(1)電路組成：因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R’=R1//R2//Rf。(2)分析:根據(jù)“虛斷”和“虛短”知，i+=i–0，u+≈u–≈0

,所以ii1+ii2=if

,則uoui2Rfui1R2R1++–R’+–i2i1ifwww.themeg69

3.7

基本運(yùn)算電路(2)由上面得從這顯然看出,輸出電壓等于輸入的和.負(fù)號(hào)是反向的結(jié)果.如果,R1=R2=Rf,則u0=-(ui1+ui2).加減運(yùn)算www.themeg70

3.7

基本運(yùn)算電路(b)同相加法運(yùn)算電路結(jié)果表達(dá)式比較復(fù)雜,一般很少直接用.通常是用2級反相運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)同相加法運(yùn)算.前級反相加法,后級反相比例,取放大倍數(shù)為1.直接用的結(jié)果是(利用虛短u+≈u–)解得ui2uoRfui1R2R1++–R3+–R4加減運(yùn)算www.themeg71

3.7

基本運(yùn)算電路2.減法運(yùn)算減法運(yùn)算電路不同于加法電路,只有一種應(yīng)用方式,必須2個(gè)端口都用上.即用差動(dòng)輸入的方式,這樣才能產(chǎn)生減法的作用.(1)電路組成：根據(jù)平衡關(guān)系，得到R2//R3

=R1

//R4。(2)電路分析：分析方法有2種，一是采用疊加原理，二是直接計(jì)算。教材給出了疊加原理，下面給出直接計(jì)算法。ui2uoR4ui1R3R2++–R1+–++––加減運(yùn)算www.themeg72

3.7

基本運(yùn)算電路(2)電路分析——直接計(jì)算法。由虛斷(i+=i–0)可得：由虛短(u+=u-)可得：如果取R1

=R2

，R3

=R4,有如取

R1

=R2

=R3

=RF

,有u0=ui2-ui1,得到輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。ui2uoR4ui1R3R2++–R1+–++––u+u-加減運(yùn)算www.themeg73

3.7

基本運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算*積分和微分是控制和波形產(chǎn)生及其變換電路中常用的運(yùn)算.1.積分運(yùn)算由虛斷和虛短(u+=u-),可知輸入端為虛地.可推出輸出電壓:uOCFuiR2R1++––++–iFi1www.themeg74

3.7

基本運(yùn)算電路1.積分運(yùn)算當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，有若電容CF的初始電壓為零,有說明輸出是輸入對時(shí)間的積分.負(fù)號(hào)表明反相的關(guān)系.uOCFuiR2R1++––++–ifi1積分和微分運(yùn)算www.themeg75

3.7

基本運(yùn)算電路若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，有輸出呈現(xiàn)一個(gè)斜線,輸出達(dá)到飽和后,積分停止,輸出保持不變.–UomuotO+Uomui=Ui>0

ui=–Ui<0

uitOUi–Ui積分飽和線性積分時(shí)間輸出電壓隨時(shí)間線性變化積分和微分運(yùn)算www.themeg76

3.7

基本運(yùn)算電路*積分電路特點(diǎn)和應(yīng)用:(1)采用集成運(yùn)算組成的積分電路,由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，有很好的線性度。(2)很方便實(shí)現(xiàn)三角波,鋸齒波.積分和微分運(yùn)算www.themeg77

3.7

基本運(yùn)算電路(3)將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。此時(shí)的輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分.這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。根據(jù)虛地原理,可推出電壓輸出的形式如下:積分和微分運(yùn)算uoCFuiR2R1++––++–RFwww.themeg78

3.7

基本運(yùn)算電路2.微分運(yùn)算由虛斷(i1=if)和虛短可知輸入端為虛地(u+≈u-≈0).可推出輸出的電流和電壓的關(guān)系:說明輸出是輸入對時(shí)間的微分.負(fù)號(hào)表明輸入在反相端.ifi1uoC1uiR2RF++––++–積分和微分運(yùn)算www.themeg79

3.7

基本運(yùn)算電路2.微分運(yùn)算輸入輸出關(guān)系是微分的形式:輸入信號(hào)輸出信號(hào)Ut0t0輸入方波電壓輸出電壓t0TUt0積分和微分運(yùn)算www.themeg80

3.7

基本運(yùn)算電路*微分電路應(yīng)用:比例-微分運(yùn)算電路—PD調(diào)節(jié)器.其輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分形式.控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。根據(jù)虛地原理,可以推出電路的輸出形式為:uoC1uiR2RF++––++–R1iFiRiC積分和微分運(yùn)算www.themeg81

3.8

電壓比較器電壓比較器概況*電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號(hào)的大小和極性。*用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。*運(yùn)放工作特征:用于電壓比較器的運(yùn)放,必須工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。由于u+和u-=均有輸入,所以,只有虛斷的情況沒有虛短(u+=u-=0)的情況.輸出只有兩種可能+Uom

或–Uom.

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uom

u+<u－

時(shí)，uo=–Uomwww.themeg82

3.8

電壓比較器基本電壓比較器*基本(單門限)電壓比較器——只有一個(gè)參考電壓(閾值電壓)的比較器.閾值電壓(門限電平)是輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。電路中運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài),在ui=UR處,輸出電壓uo發(fā)生躍變。當(dāng)u+>u–

時(shí)，即ui<UR時(shí)，uo=+Uom;

u+<u–

時(shí)，即ui

>UR

時(shí)，uo=–

Uom

.URuouiR2++–R1+–++––參考電壓電壓傳輸特性–Uom+UomuiuoOURwww.themeg83

3.8

電壓比較器同相電壓比較器*同相電壓比較器——與基本比較器一樣,不同的是,反相端接參考電位UR,同相端接輸入ui.當(dāng)u+<u–

時(shí)，即ui<UR時(shí)，uo=-Uom;

u+>u–

時(shí)，即ui

>UR

時(shí)，uo=+

Uom

.uiuoURR2++–R1+–++––

–Uom

+UomuiuoOURwww.themeg84

3.8

電壓比較器過零電壓比較器*過零電壓比較器——與基本比較器一樣,不同的是,參考電位UR=0.可以是同相,也可以是反相.對于同相,有當(dāng)u+<u–

時(shí)，即ui<0

時(shí)，uo=-Uom;

u+>u–

時(shí)，即ui

>0

時(shí)，uo=+

Uom

.uiuoURR2++–R1+–++––

–Uom

+UomuiuoOUR利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╰uiOtuo+Uom–UomOwww.themeg85

3.8

電壓比較器限幅電壓比較器*限幅電壓比較器——是具有保護(hù)功能的單限比較器.與基本比較器不同的是,在輸入端口或輸出端口接有二極管或穩(wěn)壓二極管.其作用是用來保護(hù)或限制電壓幅度的.可以是同相,也可以是反相.(1)反相單向穩(wěn)壓管限幅電路(利用正向?qū)?反向擊穿)作用:用來穩(wěn)定或限制輸出電壓的大小,以便與負(fù)載電平配合.當(dāng)u+>u–

時(shí)，即ui<UR時(shí)，uo=+Uz;

u+<u–

時(shí)，即ui

>UR

時(shí)，uo=+

0

.++uiURR1R2uoUZuoui0+Uz-UzURwww.themeg86

3.8

電壓比較器(2)反相雙向限幅電路作用:用來穩(wěn)定或限制輸出電壓的大小,以便與負(fù)載電平配合.當(dāng)u+>u–

時(shí)，即ui<UR時(shí)，uo’

=+Uom;

u+<u–

時(shí)，即ui

>UR

時(shí)，uo’

=-Uom

.設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，DZ1通,DZ2工作,uo

=UZ;

ui>UR，DZ2通,DZ1工作,uo

=–UZ.UZ–UZ電壓傳輸特性–Uom+UomuiuoOUR限幅電壓比較器uo'RDZ1URuouiR2++–R1+–++––DZ2www.themeg87

3.8

電壓比較器(3)輸入保護(hù)反相雙向限幅電路作用:除了輸出限幅外,在輸入端增加了限幅保護(hù).防止輸入電壓過高或過低損壞運(yùn)放.uo'RURuiR2++–R1+++––DZuo–限幅電壓比較器www.themeg88

3.8

電壓比較器滯回電壓比較器1.基本(單限)電壓比較器的缺陷單門限比較器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度比較高,但是,也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是抗干擾性差.例如,在某個(gè)門限電壓附近,有些干擾,那么就會(huì)導(dǎo)致輸出出現(xiàn)錯(cuò)誤.為此,實(shí)際工程中更多的是用滯回比較器(或稱遲滯比較器)理想高電平錯(cuò)誤電平有干擾門檻電壓www.themeg89

3.8

電壓比較器2.無參考電壓的滯回比較器(1)電路組成因?yàn)橛姓答?，所以輸出為飽和值。由于閾值電壓與輸出有關(guān),所以,電路有2個(gè)閾值.(2)閾值電壓當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM),閾值電壓:當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=-UOM),閾值電壓:+om211+UURRRUT=+==UT-om211+UURRRUT=+-=-UT=－++uoRR2R1uiU+U-參考電壓為0滯回電壓比較器www.themeg90

3.8

電壓比較器2.無參考電壓的滯回比較器(3)傳輸特性設(shè)初始值:

uo=+UOM,U+=UT+。當(dāng)ui<U+時(shí)，輸出高電平。隨著ui,當(dāng)ui=>UT+,uo從+UOM-UOM.這時(shí),uo=-UOM,U+=UT-。如果ui

,當(dāng)ui=<UT-,uo從-UOM+UOM。所以，可以看出，輸出不再是一個(gè)折線，而是一個(gè)回線。成回線的原因是閾值不是一個(gè)定值，而是±UT。其中+UT=UT+叫做上門限。-UT=UT-叫做下門限。UT+-UT-稱為回差(門限寬度)。uoui0+Uom-UomUT+UT-滯回電壓比較器www.themeg91

3.8

電壓比較器3.有參考電壓的滯回比較器(1)電路組成與無參考電壓的電路比較，不同之處是參考電壓不為0。另外,因?yàn)橛邢薹敵?，所以輸出飽和值為UZ。閾值電壓也有2個(gè).(2)閾值電壓當(dāng)uo正輸出時(shí)(uo=+UZ),上門限電壓UT+為(根據(jù)疊加原理):R2R8URuIR1R3UZNPuO滯回電壓比較器www.themeg92

3.8

電壓比較器3.有參考電壓的滯回比較器(2)閾值電壓當(dāng)uo負(fù)輸出時(shí)(uo=-UZ),下門限電壓UT-為(由疊加原理得)R2R8URuIR1R3UZNPuO滯回電壓比較器www.themeg93

3.8

電壓比較器3.有參考電壓的滯回比較器(3)傳輸特性閾值也不是一個(gè)定值，而是UR′±UT。其中對比無參考電壓的滯回比較器其上下門限向水平方向平移了UR′單位。門限寬度：UT+-UT-=2UT。uoui0UT+UT-傳輸特性+UZ-UZ滯回電壓比較器www.themeg94

3.8

電壓比較器4.滯回比較器的優(yōu)點(diǎn)和用途滯回比較器雖然靈敏度低了，但是有比較高的抗干擾能力。滯回電壓比較器OuItUTuOUOHUOLOt單門限比較器OuItUT-UT+UOHUOLOtuO滯回比較器抗干擾弱抗干擾強(qiáng)www.themeg95

3.8

電壓比較器4.滯回比較器的優(yōu)點(diǎn)和用途在波形整形，波形變換，以及獲得非正弦波方面應(yīng)用廣泛。tuiUT+UT-tuoUom-UomOuItUT+UT-OuOtUOHUOL滯回電壓比較器www.themeg963.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用信號(hào)測量意義

在自動(dòng)控制和非電測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流)，然后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號(hào)的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號(hào)加以放大。測量放大電路的作用是將測量電路或傳感器送來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，再送到后面電路去處理。一般對測量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。也就是說,儀器所用的放大器(IA),比普通的運(yùn)放(OA)要求更高，性能更好。www.themeg973.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用測量放大器優(yōu)點(diǎn)*測量(儀器)放大器(InstrumentationAmplifiers)與普通運(yùn)放(OperationAmplifiers)的區(qū)別IA模塊是以O(shè)A為基礎(chǔ)構(gòu)成的具有差分輸入，單端輸出的閉環(huán)增益的固定電路模塊。使IA比OA具有更優(yōu)異的特點(diǎn)。IA通過兩個(gè)對稱且平衡的差分輸入，使IA的共模信號(hào)抑制能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于OA。IA的輸入阻抗通常在109Ω以上，輸出阻抗也只有幾個(gè)mΩ。這是普通OA難以達(dá)到的。所以，IA的輸出可以看成是理想的信號(hào)源。www.themeg983.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用測量放大器優(yōu)點(diǎn)*測量(儀器)放大器(InstrumentationAmplifiers)與普通運(yùn)放(OperationAmplifiers)的區(qū)別OA的增益是由反饋電阻決定的。而IA的增益既可以通過內(nèi)部反饋電阻預(yù)置，還可以通過外部的引腳調(diào)整。所以，可以借助于外部程控開關(guān)控制調(diào)整。除上述指標(biāo)外，其他各種指標(biāo)IA都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于OA?？梢院唵蔚恼f，IA幾乎可以看作是理想的OA。www.themeg993.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用*測量(儀器)放大器電路形式通常是由2片普通運(yùn)放組成。電路結(jié)構(gòu)形式很多。常用的多是2~3片的。測量對象是微小電流，電壓或電阻，方法通常是用惠斯頓電橋。這種方法的特點(diǎn)就是測量微小電壓，電流等電量。借助于傳感器，就可以把非電量轉(zhuǎn)換成電量來測量。儀器放大器RGRTRRRtoVREFuo測量放大器形式www.themeg1003.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用測量放大器電路*測量(儀器)放大器電路舉例對共模信號(hào)：uo1=uo2則uo=0。對差模信號(hào)：R1中點(diǎn)為交流地。根據(jù)”虛短”原理,2輸入端的信號(hào)就是ui1和ui2.ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR4R4R3R3++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3–––––––+同相輸入同相輸入差分輸入www.themeg1013.9

運(yùn)放在測量方面的應(yīng)用測量放大器電路*測量(儀器)放大器電路舉例對于A3是減法器,u01和u02是2個(gè)輸入端,ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR4R4R3R3++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3–––––––+同相輸入同相輸入差分輸入www.themeg1023.10

小結(jié)(1)在直接耦合放大電路中零點(diǎn)漂移變得異常突出，差動(dòng)放大電路可有效地抑制零點(diǎn)漂移。差動(dòng)放大電路是利用兩個(gè)相同的單管放大電路相互補(bǔ)償，依靠電路的對稱性來抑制零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移可以等效為共模輸入信號(hào)，所以差動(dòng)放大電路具有很強(qiáng)的共模抑制能力。典型的差動(dòng)放大電路為雙端輸入雙端輸出方式。為了和一端接地的信號(hào)源聯(lián)接，亦可采用單端輸入。而為了和一端接地的負(fù)載聯(lián)接，亦可采用單端輸出。其中雙端輸入單端輸出方式通常用作集成運(yùn)算放大器的輸入級。

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小結(jié)(2)集成運(yùn)算放大器是一種輸入電阻高、輸出電阻低、電壓放大倍數(shù)高的直接耦合放大電路，其內(nèi)部主要由差動(dòng)式輸入級、中間級、互補(bǔ)對稱式輸出級及偏置電路組成。實(shí)際運(yùn)放的特性與理想運(yùn)放十分接近，在分析運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，一般將實(shí)際運(yùn)放視作理想運(yùn)放。運(yùn)放引入負(fù)反饋后工作在線性區(qū)，虛斷和虛短是分析運(yùn)放線性應(yīng)用時(shí)的重要概念和基本依據(jù)。若運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)(非線性區(qū))，其作用如同一個(gè)開關(guān)，輸出電壓只有正、負(fù)飽和電壓兩種狀態(tài)。使用運(yùn)算放大器時(shí)要根據(jù)實(shí)際要求來選用，必要時(shí)還要注意對運(yùn)算放大器采取消振、調(diào)零、保護(hù)(包括輸入端保護(hù)、輸出端保護(hù)、電源保護(hù))等措施，如果負(fù)載需要的電流較大，可在運(yùn)算放大器的輸出端加接一級互補(bǔ)對稱電路來擴(kuò)大輸出電流。

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小結(jié)(3)負(fù)反饋對放大電路的性能有著廣泛的影響。引入負(fù)反饋可穩(wěn)定放大倍數(shù)(同時(shí)減小放大倍數(shù))、展寬通頻帶、減小非線性失真、增大或減小輸入電阻和輸出電阻。負(fù)反饋有電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)和電流并聯(lián)4種不同的類型，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的要求引入不同的反饋方式。(4)模擬運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓之間有一定的函數(shù)關(guān)系，如比例運(yùn)算、加減運(yùn)算、積分、微分運(yùn)算以及它們的組合運(yùn)算等。(5)電壓比較器是一種差動(dòng)輸入的開環(huán)運(yùn)算放大器，對兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，輸出規(guī)定的高、低電平。www.themeg1053.10

小結(jié)(6)運(yùn)放在測量方面有廣泛的應(yīng)用。由于通過傳感器獲得的測量信號(hào)通常都很小,要把小信號(hào)放大,就必須通過多級放大電路來實(shí)現(xiàn).一般來說,普通的運(yùn)放OA的性能并沒有達(dá)到真正的理想狀態(tài),直接使用來放大微弱信號(hào)能力有限.因此必須把普通運(yùn)放加以組合,形成新的儀用運(yùn)放模塊IA.使運(yùn)放真正達(dá)到理想的特性.從而能夠完成對微小信號(hào)的放大作用.儀用運(yùn)放IA種類很多,根據(jù)不同的需要,可以構(gòu)成不同的運(yùn)放IA.www.themeg106

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路:是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。*集成運(yùn)算放大器:是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。*集成電路優(yōu)點(diǎn):工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小,可靠性高、價(jià)格低。*集成電路分類：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；集成電路簡介www.themeg107

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路結(jié)構(gòu)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。元器件參數(shù)的一致性和對稱性好.(2)電阻的阻值受到限制,由硅半導(dǎo)體構(gòu)成,范圍在幾十到20千歐。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。(3)電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；電容值在幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容通常外接。(4)二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。(5)電路結(jié)構(gòu)是直接耦合方式.集成電路特點(diǎn)www.themeg108

3.1

集成運(yùn)放的簡介*集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu):(1)輸入級：輸入電阻高,能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào),都采用帶恒流源的差分放大器。(2)中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。(3)輸出級：與負(fù)載相接,要求輸出電阻低,帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。(4)偏置電路:多由鏡像恒流源等電路組成,提供合適工作電流.

輸入級中間級輸出級偏置電路集成電路結(jié)構(gòu)www.themeg109

3.2

直耦放大電路問題*零漂現(xiàn)象：輸入ui=0時(shí)，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。*產(chǎn)生零漂的原因:由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí),這種變化量會(huì)被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。*零漂的衡量方法：將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。零點(diǎn)漂移問題www.themeg110

3.2

直耦放大電路問題*零漂現(xiàn)象示例:假設(shè)一個(gè)2級放大器,Au1=100,Au2=100.則總Au=10000.若輸出有1V的漂移電壓,那么,等效輸入端有100μv的輸入.*減小零漂的措施:(1)用熱敏元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償;(2)引入直流負(fù)反饋以穩(wěn)定Q點(diǎn)；(2)采用差動(dòng)放大電路(常用且有效的方法).零點(diǎn)漂移問題等效100μV漂移1Vwww.themeg111

3.3

差動(dòng)放大電路*差分放大電路的組成:差分放大電路是由對稱的兩個(gè)基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的。*對稱的含義:是兩個(gè)三極管的特性一致，如放大倍數(shù),動(dòng)態(tài)輸入電阻,反向飽和電流等電路參數(shù)對應(yīng)相等.即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb典型結(jié)構(gòu)與原理www.themeg112

3.3

差動(dòng)放大電路*幾個(gè)基本概念:1.差動(dòng)放大電路一般有兩個(gè)輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時(shí)加信號(hào)。單端輸入——僅從一個(gè)輸入端對地加信號(hào)。2.差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸出端。雙端輸出——從C1