集成运算放大器.ppt

第3章 集成运算放大器,3.1 集成运算放大器概述,3.2 运算放大电路中的负反馈,3.3 自激振荡及分析,1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 掌握集成运放电路中的反馈判断方法。 3. 了解自激振荡的工作原理。,本章要求,第3章 集成运算放大器,3.1 集成运算放大器概述,3.1.1 集成运算放大器的组成,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 KCMR高: 70dB130dB,2 电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,3.1.2 镜像电流源,恒流特性,无论Rc的值如何， IC2的电流值将保持不变。,（三极管工作状态）,flash,1. 镜像电流源,交流电阻,由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量,一般Ro在几百千欧以上,1. 镜像电流源,精度更高的镜像电流源,由于增加了T3，使IC2更加接近IREF,flash,2. 微电流源,所以IC2也很小,flash,3. 多路电流源,3. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益为,比用电阻Rc就作负载时提高了。,end,放大管,3.1.3 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O,3. 理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,3.1.4 主要参数,1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 3. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,一、从一个例子说起,输入量：ui、ube、ib,反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。,3.2 运算放大器电路中的反馈,输出量：uo、uce、ic,正向传输信号从输入端到输出端的传输,稳定工作点电路：,UB一定,二. 几个基本概念,1. 开环与闭环,电路中只有正向传输，没有反向传输，称为开环状态。,正向传输信号从输入端到输出端的传输,反向传输信号从输出端到输入端的传输,既有正向传输，又有反馈 称为闭环状态。,信号的正向传输,信号的正向传输,反馈传输(通路) （反馈网络）,直流反馈若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。,2.直流反馈与交流反馈,该电路引入直流反馈的目的，是为了稳定静态工作点Q。,交流反馈若电路将交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。 （如去掉电容Ce）,交流反馈，影响电路的交流工作性能。,直流反馈,交流反馈,解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。,例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用！,本级反馈反馈只存在于某一级放大器中,级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中,例,3.本级反馈与级间反馈,级间反馈,本级反馈,本级反馈,3.2.1 什么是放大电路中的负反馈,反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。,3.2 放大电路中的负反馈,通过RE 将输出电压 反馈到输入,通过RE 将输出电流 反馈到输入,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈放大电路的方框图,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若三者同相，则 Xd = Xi Xf,可见 Xd Xi ，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用（负反馈）。,直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。,负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。,在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。,正反馈：反馈增强净输入信号， 使放大倍数提高。,3.2.2 负反馈的类型,1. 反馈的分类,2. 负反馈的类型,1) 根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈 和电流反馈。,电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。,电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,2) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的 不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。,串联反馈使电路的输入电阻增大， 并联反馈使电路的输入电阻减小。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的类型,稳定静态工作点,3. 负反馈类型的判别步骤,3) 判别是否负反馈？,2) 判别是交流反馈还是直流反馈？,4) 是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,1.直流反馈与交流反馈注意电容的“隔直通交”作用,试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反馈还是交流反馈？,3.2.1 反馈类型及判别方法,2.反馈极性：正反馈与负反馈,判定方法“瞬时极性法”,试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。,对于串联反馈：输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。,对于并联反馈：输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。,3. 取样方式电压反馈与电流反馈,假设输出端交流短路（RL=0），即uo=0，若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比 例。,判断方法负载短路法：,电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比 例。,试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈。,4.比较方式串联反馈和并联反馈,串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：ud = ui -uf,并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：id = ii -if,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,分立元件电路判断反馈类型的口诀：,共发射极电路:,共集电极电路为典型的电压串联负反馈。,集出为压，射出为流， 基入为并，射入为串。,反馈到基极为并联反馈,反馈到发射极为串联反馈,判断串、并联反馈,ib= ii if,ube= ui uf,共发射极电路,判断电压、电流反馈,从集电极引出为电压反馈,从发射极引出为电流反馈,1) 判别反馈元件（一般是电阻、电容） (1) 连接在输入与输出之间的元件。 (2) 为输入回路与输出回路所共有的元件。,例1：,2) 判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信 号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信号通过 ，这时RE引入的则是直流反馈。,E,例1：,例1：,3) 判断反馈类型,净输入信号：,ui 与 uf 串联,以电压形式比较 串联反馈,ui正半周时,uf也是正半周,即两者同相,负反馈,uf 正比于输出电流电流反馈,串联电流负反馈,+ uf ,+ ,ie,ube,ube = ui - uf,uf = ie RE,Ube = Ui - Uf,可见 Ube Ui , 反馈电压Uf 削弱了净输入电压, ic RC,结论：,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,反馈类型 串联电流负反馈,Ic,Uf,Ube,ib,Ic ,uf ic RE,+ uf ,+ ,ube,Ube = Ui - Uf,电阻 RF连接在输入与输出之间，所以RF是反馈元件。,2) 判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过 RF， 所以 RF引入的是交、直流反馈。,例2：,1) 判反馈元件,3) 判断反馈类型,例2：,净输入信号：,ii 与 if 并联，以电流形式比较 并联反馈,ii 正半周时，if 也是正半周，即两者同相,负反馈,if 正比于输出电压电压反馈,if 与 uo反相,并联电压负反馈,ib = ii - if,Ib = Ii - If,可见 Ib Ii , 反馈电流 If 削弱了净输入电流,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型 并联电压负反馈,例2：,Uo,if,ib,ic,Uo,Ib = Ii - If,4. 利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,+,(1)设接“地”参考点的电位为零，在某点对“地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的瞬时极性为正；在负半周则为负。,(2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,4. 利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,(3)若反馈信号与输入信号加在同一电极上，,(4)若反馈信号与输入信号加在两个电极上，,两者极性相反为负反馈；,极性相同为正反馈。,两者极性相同为负反馈；,极性相反为正反馈。,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解: RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；,RE1对本级引入串联电流负反馈。,RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解:,RE1、RF引入越级串联电压负反馈。,+,+,T2集电极的 反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈； 反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。,例4：如果RF不接在T2 的集电极，而是接C2与RL 之间，两者有何不同 ？,解: 因电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅 引入交流反馈。,例5：如果RF的另一端不接在T1 的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈 ？,解: T2集电极的 反馈到T1的基极，提高了B1的交 流电位，使Ube1增大，故为正反馈； 这时RE1、RF引入越级正反馈。,+,+,RF2(R1、R2): 直流反馈,（稳定静态工作点）,RF 、CF : 交流电压并联负反馈,+UCC,(a),RE1,+,R1,RF1,RF2,C2,RC2,RC1,CE2,RE2,R2,+,C,+,RF1、RE1: 交直流电压串联负反馈,+,+,+,例6：,RF,RE2: 直流反馈,+,+,电流并联负反馈,正反馈,两个2k电阻 构成交直流反馈,两个470k,例一. 电压串联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈,故为串联负反馈。,用“瞬时极性法”判断反馈极性： 假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,反馈电压：,因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。(负载短路法),分立电路电压串联负反馈,RL,电压负反馈的特性稳定输出电压,稳定过程：,负载变化时，输出电压稳定输出电阻,ui一定,例二.电压并联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈。,因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。,反馈电流：,故为并联负反馈。,分立电路电压并联负反馈,反馈量与输出电压成比例， 所以是电压反馈。,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈,id = ii -if,在输入端有,故为并联负反馈。,因为反馈电流：,例三.电流并联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电流串联负反馈。,又因为在输入端有:,反馈电流：,因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。,故为并联负反馈。,分立电路组成的电流并联负反馈,引入电流负反馈的目的稳定输出电流,稳定过程：,负载变化时，输出电流稳定输出电阻,RL ,例四.电流串联负反馈,反馈电压：uf=ioRf,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电流串联负反馈,因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。,故为串联负反馈。,分立电路组成的电流串联负反馈电路,引入电流负反馈的目的稳定输出电流,稳定过程：,负载变化时，输出电流稳定输出电阻,RL,（1）串联反馈,5. 信号源对反馈效果的影响,ud = ui -uf,所以us应为恒压源，即信号源内阻RS越小越好。,要想反馈效果明显，就要求uf变化能有效引起ud的变化。,（2）并联反馈,id = ii -if,所以is应为恒流源，即信号源内阻RS越大越好。,要想反馈效果明显，就要求if变化能有效引起id的变化。,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环 放大倍数,闭环 放大倍数,3.2.2 负反馈放大电路的计算,重点讨论深度负反馈条件下的近似计算,1. 估算的依据,深度负反馈：,即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈系数有关。,由,得,方法一：,一. 估算电压增益,方法二：,根据,将,代入上式,得,即：输入量近似等于反馈量,净输入量近似等于零,由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“虚短”、“虚断”的概念,或,深度负反馈条件下：Xd=Xi-Xf0,u+=u-（运放电路）,ue=ub（三极管电路）,(1)“虚短”ud0,(2)“虚断”id0,ii+=ii-=0 （运放电路）,ib=0（三极管电路）,“虚短”与“虚断”,（1） 电压串联负反馈,例1.分立电路电压串联负反馈,3.2.3 举例,解：用方法一。,求反馈系数：,求闭环电压放大倍数：,例2.运放组成的电压串联负反馈电路,解：用方法二。,利用虚短和虚断的概念得知,闭环电压增益,则,（2 ）电流并联负反馈放大器,反馈系数:,闭环增益,闭环电压增益,解：用方法一。,例1.分立电路电流并联负反馈,闭环电压增益：,利用虚短和虚断可知,例2. 运放组成的电流并联负反馈放大器,解：用方法二。,ui=ii R1 ii=if,（3）电压并联负反馈,例1.分立电路电压并联负反馈,闭环增益,闭环电压增益,解：用方法一。,反馈系数:,例2.运放组成的电压并联负反馈,利用虚短和虚断可知,u+=u-=0,ii=if,闭环增益,闭环电压增益,例1. 分立元件组成的电流串联负反馈,解：用方法一。,反馈系数:,由第二章知，该电路闭环电压增益:,（4）电流串联负反馈,例2.运放组成的电流串联负反馈,闭环电压增益:,利用虚短和虚断可知:,解：用方法二。,1. 降低放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,| 1+AF| 称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。,射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。,3.2.4 负反馈对放大电路性能的影响,关于反馈深度的讨论,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,2.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍，其稳定性提高1+|AF|倍。,若|AF| 1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,例：|A|=300，|F|=0.01。,3. 改善波形失真,加反馈前,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,小,接近正弦波,正弦波,4.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,例：中频放大倍数 |A0| =10，反馈系数 |F| = 0.01,在原上限、下限频率处,说明加入负反馈后，原上限、下限频率仍在通频带内，即通频带加宽了。,5. 对输入电阻的影响,在同样的 ib下，ui= ube + uf ube，所以 rif 提高。,1) 串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,(1) 串联负反馈使输入电阻增加,无反馈时：,有反馈时：,(2)并联负反馈使输入电阻减小,无反馈时：,有反馈时：,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的ube下，ii = ib + if ib，所以 rif 降低。,2) 并联负反馈,使电路的输入电阻降低,6 负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）恒压源输出电阻小。,(1) 电压负反馈使输出电阻减小,电流负反馈稳定输出电流（当负载变化时）恒流源输出电阻大。,(2) 电流负反馈使输出电阻提高,电压负反馈具有稳定输出电压的作用， 即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用， 即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1) 电压负反馈使电路的输出电阻降低,2) 电流负反馈使电路的输出电阻提高,为改善性能引入负反馈的一般原则,要稳定直流量,引直流负反馈,要稳定交流量,引交流负反馈,要稳定输出电压,引电压负反馈,要稳定输出电流,引电流负反馈,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引