第九章直接耦合放大电路和集成运算放大器.ppt

本章基本要求 1 了解直接耦合放大电路的零点漂移问题 2 了解差动放大电路的结构 掌握差动放大电路抑制零点漂移的原理 3 了解差动放大电路的输入信号 4 了解集成运算放大器的组成和特点 5 掌握集成运算放大器工作的特点 6 掌握常用信号运算电路的分析 本章重点和难点集成运算放大器工作的特点 常用信号运算电路的分析 第9章直接耦合放大电路和集成运算放大器 问题的引出 在测量仪表和自动控制系统中 常常遇到一些变化缓慢的低频信号 频率为几赫兹至几十赫兹 甚至接近于零 这些低频信号在多级放大电路中处理时 该怎样处理 多级放大电路耦合方式 阻容耦合 对于低频信号阻抗大 且电容不能集成 变压器耦合 原边阻抗小 对信号相当于短路 无法将信号传递到副边 变压器也不能集成 直接耦合 对信号频率要求不高 适合用于放大低频信号 且容易集成 9 1直接耦合放大电路 零点漂移 当输入信号为0 由于电源波动 温度变化等原因 使工作点发生变化 使放大器输出电压偏离起始点做上下漂动 成为零点漂移 零点漂移现象 9 1 1直接耦合放大电路的零点漂移问题 结论 对于直接耦合的多级放大电路由于零漂的存在 容易造成在电路里无法区分有用的信号电压和零漂电压 因此 在直接耦合的多级放大电路中 解决零漂问题是非常关键的 解决零漂的办法 采用差动放大电路 抑制零点漂移的原理 当温度变化时 对两管的影响是一致的 相当给两管电路同时加入大小相等 极性相同的输入信号 因此 当电路特性完全对称的情况下 两管的集电极电位始终相同 不会出现普通直接耦合放大器那样的漂移电压 这就是为什么差动放大电路能够抑制零点漂移的原因 有差能动 9 1 2差动放大电路 差动放大电路输入信号分析 差动放大电路中输入信号和有三种情况 1 这种信号输入方式称为共模输入 称为共模输入信号 如果差动放大电路完全对称 则共模输入产生的输出电压为零 完全对称的差动放大电路对共模信号没有放大能力 亦即共模电压放大倍数为零 实际的差动放大电路由于不可能完全对称 因此存在一定的共模输出电压 在差动放大电路中 共模输入信号一般为噪声信号 比如零漂信号 必须尽可能加以抑制 2 这种信号输入方式称为差模输入 称为差模输入信号 差模信号输入 设差动放大电路单侧的放大倍数为 则有 3 任意输入信号在实际应用中 加给差动放大电路输入信号的大小和极性往往是任意的 既不是一对差模信号 也不是一对共模信号 为了分析方便通常 通常将一对任意输入信号分解为差模信号和共模信号两部分分别定义差模信号和共模信号为 越大 电路差模放大能力越强 越小 电路抑制共模信号的能力越强 共模抑制比 越大 越小 越大 差动放大电路的性能越好 理想情况下 为 对实际差动电路 愈大愈好 A 差动放大电路具有放大差模信号 抑制共模信号的能力 因此 在普遍采用直接耦合的集成运算放大器中 广泛采用差动放大电路作为输入级 以起到抑制零点漂移的作用 B 差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大 但射极电阻越大 抑制共模的能力就越强 一般采用恒流源电路来替代射极电阻 以获得较好的共模抑制能力 结论 集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能 现在成为一种通用器件 高增益 高放大倍数 高可靠性 低成本和小尺寸 集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器 具有输入电阻大 输出电阻小的特点 1 集成运放的特点 9 2集成运算放大器的结构和指标 9 21集成运放的结构特点 输入级是具有恒流源的差动放大电路 用于消除零漂 中间级一般由一级共射极放大电路 或共源极放大电路 或组合放大电路组成 用以提供高的电压放大倍数 输出级大多为互补推挽电路 并附有安全保护电路 降低输出电阻 提高带载能力 偏置电路采用恒流源电路 为各级电路设置稳定的直流偏置 2 集成运放内部的电路组成 F007金属封装 F007双列直插式封装 3 集成运放的外部引出端子 1 输入失调电压UOS 当输入电压为零时 为了使输出电压也为零 两输入端之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS 它反映了差放输入级不对称的程度 UOS值越小 说明运放的性能越好 通用型运放的UOS为毫伏数量级 好的可小于1mV 差的达10mV左右 2 输入失调电流IOS 当集成运放输出电压uo 0时 流入两输入端的电流之差 IOS IB1 IB2 就是输入失调电流 IOS反映了输入级电流参数 如 的不对称程度 IOS越小越好 通用型运放的IOS为纳安 nA 数量级 好的可小于1nA 差的可大到5 A 9 2 2集成运放的主要性能指标 3 开环差模电压放大倍数Aod 开环差模电压放大倍数指运放未外接反馈电路时的空载电压放大倍数 Aod是决定运放精度的重要因素 其值越大越好 通用型运放的Aod一般在103 107范围 4 差模输入电阻rid 差模信号输入时 运放开环 无反馈 输入电阻一般在几十千欧到几十兆欧范围 理想运放rid 5 差模输出电阻ro 差模输出电阻是运放输入端短路 负载开路时 运放输出端的等效电阻 一般为20 200 左右 6 最大输出电压Upp 在额定电源电压 15V 和额定输出电流时 运放不失真最大输出电压的峰峰值可达 13V左右 1 理想集成运放的技术指标 理想状态下的集成运放的主要技术指标有3个 1 开环电压放大倍数 2 开环输入电阻 3 输出电阻 9 3集成运放的应用基础 9 3 1集成运放的理想化条件 运放输入和输出电压的关系曲线 称为传输特性 9 3 2集成运放工作在线性区和非线性区的特点 线性区 1 运放同相输入端与反相输入端对地电压相等 虚短 特点 2 理想运放两个输入端的电流都等于零 虚断 特点 饱和区 在使用集成运算放大器时 1 将集成运算放大器看成理想运放 可以简化分析过程 对分析结果影响不大 2 要正确判断集成运放是工作在线性区还是非线性区 为了保证集成运放工作在线性区而不进入非线性区 在随后将要介绍的电路中 都引入了深度负反馈 将放大器的输出量 电压或电流 的部分或全部反方向送回到放大器的输入端 这种反方向传输信号的过程叫反馈 若引入的反馈信号使输入信号减小 这种反馈叫负反馈 1 反相输入比例运算 9 5集成运放在信号运算方面的应用 9 5 1比例运算电路 分析 说明 1 式中的负号表示输出与输入反相 因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器 2 如果和的阻值足够精确 而运放的开环放大倍数很高 就可以认为输出与输入信号的关系只取决于