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文檔簡(jiǎn)介
6.1基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)
6.2習(xí)題類型分析及例題精解
6.3習(xí)題解答第六章集成運(yùn)算放大器電路原理
1.基本要求
(1)了解集成運(yùn)算放大器的組成和電路特點(diǎn)。
(2)了解電流源在集成運(yùn)放中的作用;掌握單管、鏡像、比例、微電流和負(fù)反饋型電流源以及有源負(fù)載放大器的組成、特點(diǎn)以及電路的分析、計(jì)算。
(3)掌握差動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本工作原理、主要性能指標(biāo)、傳輸特性以及差動(dòng)電路的分析、計(jì)算;了解差動(dòng)電路的推廣應(yīng)用。
6.1基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)
(4)了解集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路(即互補(bǔ)對(duì)稱型射極輸出器)分析以及交越失真的概念和克服方法。
(5)理解以F007為例的集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路組成和分析方法。
(6)了解MOS集成運(yùn)算放大器的電路組成和分析方法。
(7)理解集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)。
2.重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn):電流源電路的分析、計(jì)算,差動(dòng)放大器的特點(diǎn)、工作原理、性能指標(biāo)、傳輸特性,以及電路的分析、計(jì)算。
難點(diǎn):差動(dòng)放大器的分析、計(jì)算和集成運(yùn)放內(nèi)部電路的分析。
1.晶體管電流源電路計(jì)算
偏置在放大狀態(tài)下的晶體管在其集電極(漏極)端等效為一電流源。因此,電流源電路的計(jì)算本質(zhì)上就是恒流管直流工作點(diǎn)ICQ或IDQ的計(jì)算。對(duì)于鏡像、比例和小電流電流源,首先應(yīng)確定其參考電流,然后或按鏡像或按比例或按對(duì)數(shù)關(guān)系確定電流源管的電流。
另外,要保證導(dǎo)通下的電流源管在任何情況下既不飽和也不擊穿,則電流源集電極輸出端的電位應(yīng)滿足:|UCB|≥0且|UCE|<U(BR)CEO。6.2習(xí)題類型分析及例題精解
【例6-1】晶體管壓控電流源電路如圖6-1所示。已知各晶體管的UBE相同,β足夠大,uc為控制電壓。
(1)試推導(dǎo)電流源輸出電流IC4與uc的關(guān)系式,并說(shuō)明uc允許的取值范圍;
(2)若UBE=0.7V,取UCC=12V,R=23kΩ,RA=4kΩ,求uc=6V時(shí)的IC4,并確定IC4受控變化的范圍;
(3)若V4管的擊穿電壓U(BR)CEO=40V,試確定電流源輸出端電位UC4允許的取值范圍。圖6-1例6-1電路圖解(1)
為保證V2、V3管放大導(dǎo)通,uc的最大值ucmax≤UCC-UBE2-UBE3=UCC-2UBE2。而當(dāng)IC4趨于零時(shí),為保證V4管不截止(即V3管不飽和),則uc的最小值ucmin≥IC2RA。故uc的取值范圍為
(2)
而IC4的最小值趨于零。因此,IC4的受控變化范圍為0~
2.15mA。
(3)由于V4管的基極電位UB4=uc+UBE,而射極電位UE4=
uc,因此使其不飽和也不擊穿的UC4允許取值范圍為
uc+UBE≤UC4<40+uc
2.差動(dòng)放大器性能分析
(1)差放管直流工作點(diǎn)計(jì)算。計(jì)算必須從差放管的耦合元件支路入手。若是電阻耦合,可直接算出電阻上的電流;若是電流源耦合,應(yīng)算出電流源的輸出電流,則差放管的工作電流為該電流的一半。
(2)差動(dòng)放大器差模指標(biāo)計(jì)算。由于差動(dòng)放大器建立在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的基礎(chǔ)上,因而差模指標(biāo)的計(jì)算可轉(zhuǎn)化為耦合支路接地的單邊放大器的計(jì)算。具體地說(shuō):雙端輸出的電壓放大倍數(shù)為單邊放大器的電壓放大倍數(shù),輸出電阻為單邊的兩倍;單端輸出的電壓放大倍數(shù)為單邊接負(fù)載的放大器電壓放大倍數(shù)的一半,輸出電阻為單邊的輸出電阻;雙端輸出和單端輸出的輸入電阻均為單邊輸入電阻的兩倍。
(3)差動(dòng)雙向限幅器。根據(jù)射極耦合差動(dòng)放大器電壓傳輸特性的非線性,當(dāng)輸入電壓超過(guò)100mV時(shí),輸出電壓將被限幅。因此,差動(dòng)放大器在輸入幅度超過(guò)1V的正弦波、三角波等信號(hào)時(shí),其輸出變?yōu)榻品讲ā?/p>
【例6-2】差動(dòng)放大器電路如圖6-2所示。已知晶體管的UBE=0.7V,β=100,rbe1=rbe2=3kΩ,試解答下列各問(wèn)題。
(1)若要求差放管的靜態(tài)工作電流為1mA,求R3。
(2)靜態(tài)時(shí)(ui1=ui2=0),若將電位器Rw的動(dòng)臂左、右移動(dòng),其輸出端uo1和uo2的直流電位將如何變化?并說(shuō)明Rw的作用。
(3)若輸入信號(hào)分別為ui1=20sinωt(mV),ui2=50mV,且兩輸出端接有RL=8kΩ負(fù)載,求此時(shí)雙端輸出電壓uo(uo1-uo2)及單端輸出電壓uo2;
(4)在上題中,若將負(fù)載接于uo1端輸出,則V1管靜態(tài)工作點(diǎn)有何變化?此時(shí)輸出電壓uo1是多少?
(5)當(dāng)輸入信號(hào)時(shí),若將電位器Rw的動(dòng)臂左、右移動(dòng),試問(wèn)輸出電壓和輸入電阻是否隨其改變?
(6)確定電路允許輸入共模電壓的范圍。圖6-2例6-2電路圖
解(1)要求差放管靜態(tài)電流為1mA,則比例電流源的V3管輸出電流應(yīng)為IC3=2mA。由于比例電流源的參考電流為
故
(2)當(dāng)Rw的動(dòng)臂左移時(shí),接于V1管射極的電阻減小,而V2管射極電阻增大,從而使ICQ1增大,ICQ2減小,進(jìn)而引起uo1端的電位降低,uo2端的電位升高。反之,當(dāng)動(dòng)臂右移時(shí),則uo1端的電位升高而uo2端的電位降低。
由于差動(dòng)放大器不可能做到完全對(duì)稱,因而靜態(tài)時(shí)雙端輸出電壓不為零,即產(chǎn)生失調(diào)。根據(jù)上述原理,可通過(guò)人為調(diào)整Rw,使得零輸入時(shí)輸出為零。這一過(guò)程通常稱為調(diào)零,而Rw即為調(diào)零電位器。
(3)因?yàn)殡p端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為
所以
uo=uo1-uo2=Aud(ui1-ui2)=-20×(0.02sinωt-0.05)
=1-0.4sinωt(V)
由于uo2端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的負(fù)一半,故
(4)將負(fù)載RL接于uo1端輸出時(shí),V1管集電極部分電路如圖6-3(a)所示,圖中IC1Q保持不變。為了確定UCE1Q,首先利用戴維南定理從集電極端看進(jìn)去可等效為一開(kāi)路電壓UCC′和一內(nèi)阻RL′,如圖6-3(b)所示。其中
RL′
=RC∥RL=8∥8=4kΩ
由此可得
UCE1Q=UCC′-IC1QRL′-UE1=7.5-1×4-(-0.7)=4.2V
在不接RL時(shí)
UCE1Q=UCC-IC1QRC-UE1=15-1×8-(-0.7)=7.7V相比之下,接負(fù)載后V1管靜態(tài)工作點(diǎn)電壓UCE1Q減小了。
uo1端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的一半,但要注意,此時(shí)雙端輸出的負(fù)載不是RL/2而是RL,即
因此
uo1=Aud1(ui1-ui2)=-15×(0.02sinωt-0.05)
=0.75-0.3sinωt(V)圖6-3
(5)電位器Rw的動(dòng)臂左、右移動(dòng)時(shí),差模電壓放大倍數(shù)保持不變,因而輸出電壓也不變。這是因?yàn)閯?dòng)臂在移動(dòng)時(shí),加在Rw兩端的輸入差模電壓固定不變,兩管發(fā)射結(jié)分到的輸入差模電壓也將保持不變,從而保持了兩管的輸出電流與動(dòng)臂在中點(diǎn)時(shí)的輸出電流相同。同理,輸入電阻也保持不變,仍為
Ri=2rbe+(1+β)Rw=2×3+(1+100)×0.2=26kΩ
(6)由于射極耦合電流源的共模負(fù)反饋?zhàn)饔?,?dāng)輸入共模電壓時(shí),其共模輸出電流近似為零,即兩差放管的射極電位將跟隨輸入共模電壓變化。因此,為使差放管不飽和,輸入共模電壓uic的最大值uicmax應(yīng)滿足
uicmax≤UC1(2)Q=UCC-IC1(2)QRC=15-1×8=7V
同時(shí)為保證恒流管V3不飽和,則uic的最小值uicmin應(yīng)滿足
uicmin≥UB3=-UEE+IrR1=-15+1×11.3=-3.7V
故而允許輸入共模電壓的范圍為
7V≥uic≥-3.7V
當(dāng)輸入同時(shí)加有差模電壓uid時(shí),若其最大和最小值分別為uidmax和uidmin,則
7V-uidmax≥uic≥-3.7V-uidmin
【例6-3】差動(dòng)電路如圖6-4(a)所示。已知輸入電壓ui=1.2cosωt(V)。
(1)試畫(huà)出輸出電壓uo對(duì)應(yīng)輸入的波形,并標(biāo)明波形的幅度;
(2)若輸入不變,RC改為5kΩ,試分析uo的波形有何變化。
圖6-4例6-3電路圖及波形圖
解(1)由于輸入電壓ui為遠(yuǎn)大于100mV的余弦波,所以在ui的正半周,V1很快截止,這時(shí)uC1=-UCC=-12V,而V2放大導(dǎo)通,IC2=I=3mA,uC2=-UCC+IC2RC=-12V+2×3=
-6V。所以u(píng)o=uC1-uC2=-6V。在ui的負(fù)半周,情況正好相反,V2很快截止而V1放大導(dǎo)通,此時(shí)uo=6V。據(jù)此,對(duì)應(yīng)輸入畫(huà)出的uo波形分別如圖6-4(b)、(c)所示。
(2)當(dāng)RC變?yōu)?kΩ時(shí),情況有所不同,這時(shí)兩管的臨界飽和電流(約為2.4mA)小于電流源電流。因此,在ui的正半周,V1截止而V2飽和導(dǎo)通。V2進(jìn)入飽和后,其射極電位升高,基極電流明顯增大,而飽和壓降UEC2S和IC2相應(yīng)減小,使得UC2≈0,故此uo≈-12V。反之,在ui的負(fù)半周,V2截止而V1飽和導(dǎo)通,uo≈12V。對(duì)應(yīng)的波形如圖6-4(d)所示。
6-1集成運(yùn)放F007的電流源組如圖P6-1所示,設(shè)UBE=0.7V。
(1)若V3、V4管的β=2,試求IC4;
(2)若要求IC1=26μA,試求R1。
解(1)
6.3習(xí)題解答
圖P6-1
(2)
圖P6-2
6-2由電流源組成的電流放大器如圖P6-2所示,試估算電流放大倍數(shù)Ai=Io/Ii。
解IE1≈IC1=Ii
IE2≈IC2≈IC3≈IE3
IE4≈IC4≈Io
IE1·2R≈IE2R,IE2=2IE1=2Ii
IE3·3R≈IE4R,IE4=3IE3=6Ii
故Io≈IE4=6Ii
6-3用電阻R2取代晶體管的威爾遜電流源,如圖P6-3所示,試證明IC2為
解
而
故有圖P6-3
6-4電路見(jiàn)圖P6-4,已知UCC=UEE=15V,V1、V2管的β=100,rbb′=200Ω,RE=7.2kΩ,RC=RL=6kΩ。
(1)估算V1、V2管的靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ、UCEQ;
(2)試求及Rid、Rod。
解(1)
UCEQ=UCC+0.7-ICQRC=15+0.7-1×6=9.7V圖P6-4
(2)
Rid=2rbe=2×2.8=5.6kΩ
Rod=2RC=2×6=12kΩ
6-5差動(dòng)放大器如圖P6-5所示。已知UCC=UEE=
15V,RB=2kΩ,RC=RE=RL=10kΩ,V1、V2管的β=100,rbe=3.8kΩ。
(1)估算V2的靜態(tài)工作點(diǎn)IC2Q、UCE2Q;
(2)估算共模抑制比KCMR;
(3)求Rid和Roc。
圖P6-5
解(1)
由戴維南定理求得V2管集電極端的等效電源電壓U′
和內(nèi)阻RC′
分別為
因而
UCE2Q=UCC′
-IC2QRC′
+0.7=7.5-0.72×5+0.7=4.6V(2)
(3)Rid=2(RB+rbe)=2×(2+3.8)=11.6kΩ
Roc=RC=10kΩ
6-6電路見(jiàn)圖P6-6。已知V1、V2和V3管的β=50,
rbb′=200Ω,UCC=UEE=15V,RC=6kΩ,R1=20kΩ,R2=10kΩ,R3=2.1kΩ。
(1)若ui1=0,ui2=10sinωt(mV),試求uo;
(2)若ui1=10sinωt
(mV),ui2=5mV,試畫(huà)出uo的波形圖;
(3)若ui1=ui2=Uic,試求Uic允許的最大變化范圍;
(4)當(dāng)R1增大時(shí),Aud、Rid將如何變化?圖P6-6解(1)
(2)
uo=Aud(ui1-ui2)=-200×(10sinωt-5)=1-2sinωt(V)
其波形如圖P6-6′所示。圖P6-6′(3)
UC1=UCC-ICQRC=15-1×6=9V
故共模輸入電壓Uic應(yīng)滿足:-10V<Uic<9V。
(4)R1↑→UR2↓→IE3(IC3)↓→IE1Q(IE2Q)↓→
rbe1(rbe2)↑,使得Aud減小,而Rid增大。
6-7場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大器如圖P6-7所示。已知V1、V2管的gm=5mS。
(1)若IDQ=0.5mA,試求Rr;
(2)試求差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uo/Ui。圖P6-7
解(1)
(2)
6-8在圖P6-8所示的共射-共基組合差動(dòng)放大電路中,設(shè)超β管V1、V2的β=2000,V3、V4的β3=β4=100,試求差模電壓放大倍數(shù)Aud和差模輸入電阻Rid。
解電路為共射-共基組合電路的差動(dòng)放大器。其差模電壓放大倍數(shù)為
其中
故
圖P6-8
6-9電路如圖P6-9所示。設(shè)β1=β2=β3=100,rbe1
=rbe2=5kΩ,rbe3=1.5kΩ。
(1)靜態(tài)時(shí),若要求Uo=0,試估算I;
(2)計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui。
解(1)當(dāng)Uo=0時(shí),有
圖P6-9
(2)
6-10電路見(jiàn)圖P6-10。設(shè)UCC=UEE=15V,I=2mA,RC=
5kΩ,uid=1.2sinωt(V)。
(1)試畫(huà)出uo的波形,并標(biāo)出波形的幅度;
(2)若RC變?yōu)?0kΩ,uo波形有何變化?為什么?
解(1)由于Uid=1.2V>>0.1V,電路呈現(xiàn)限幅特性,其uo波形如圖P6-10′所示。
(2)當(dāng)RC變?yōu)?0kΩ時(shí),uo幅度增大,其值接近±15V,此時(shí),一管飽和,另一管截止。圖P6-10
圖P6-10′
6-11電路見(jiàn)圖P6-11。已知β1=β2=100,rbe1=rbe2=
5kΩ,Rs=2kΩ,Rw=0.5kΩ,RC=8kΩ。
(1)靜態(tài)時(shí),若uo<0,試問(wèn)電位器Rw的動(dòng)臂應(yīng)向哪個(gè)方向調(diào)整才能使uo=0?
(2)若在V1管輸入端加輸入信號(hào)Ui,試求差模電壓放大倍數(shù)和差模輸入電阻。圖P6-11解(1)若uo<0,Rw的動(dòng)臂應(yīng)向右移動(dòng)。
(2)
6-12有源負(fù)載差動(dòng)放大器如圖P6-12所示。
(1)試分析在輸入信號(hào)作用下,輸出電流ΔIo與V1、
V2管輸出電流之間的關(guān)系;
(2)計(jì)算差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uo/Ui。
解(1)因?yàn)棣C1=ΔIC2,而ΔIC1≈ΔIC3≈ΔIC4,所以
ΔIo=ΔIC4+ΔIC2=ΔIC1+ΔIC2=2ΔIC2
(2)
圖P6-12
6-13集成運(yùn)放5G23電路原理圖如圖P6-13所示。
(1)簡(jiǎn)要敘述電路的組成原理;
(2)說(shuō)明二極管VD1的作用;
(3)判斷2、3端哪個(gè)是同相輸入端,哪個(gè)是反相輸入端。
解(1)
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