多级放大电路和运算放大器.ppt

模拟电子技术 AnalogElectronicTechnology 第十章多级放大电路 耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合 多级耦合放大电路 耦合 即信号的传送 多级放大电路对耦合电路要求 1 静态 保证各级Q点设置 2 动态 传送信号 要求 波形不失真 减少压降损失 多级放大电路的动态分析 多级阻容耦合放大器的特点 1 由于电容的隔直作用 各级放大器的静态工作点相互独立 分别估算 2 前一级的输出电压是后一级的输入电压 3 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻 4 总电压放大倍数 各级放大倍数的乘积 5 总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1 6 总输出电阻即为最后一级的输出电阻 直接耦合电路的特殊问题 R2 RE2 用于设置合适的Q点 问题1 前后级Q点相互影响 问题2 零点漂移 有时会将信号淹没 当ui等于零时 uo不等于零 基本型结构 特点 结构对称 差动放大电路 ui1 ui2 二 抑制零漂的原理 uo uC1 uC2 0 uo uC1 uC1 uC2 uC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 UCC 三 共模电压放大倍数AC UCC 共模输入信号 ui1 ui2 uC 大小相等 极性相同 理想情况 ui1 ui2 uC1 uC2 uo 0 共模电压放大倍数 很小 1 但因两侧不完全对称 uo 0 四 差模电压放大倍数Ad 差模输入信号 ui1 ui2 ud 大小相等 极性相反 很大 1 设uC1 UC1 uC1 uC2 UC2 uC2 因ui1 ui2 uC1 uC2 uo uC1 uC2 uC1 uC2 2 uC1 差模电压放大倍数 UCC 五 共模抑制比 CMRR 的定义 例 Ad 200Ac 0 1KCMRR 20lg 200 0 1 66dB CMRR CommonModeRejectionRatio KCMRR KCMRR dB 分贝 1 集成电路与集成运算放大器 集成电路是利用半导体制造工艺 将整个电路所含有的元器件及相互连接导线全部制作在一块半导体基片上 封装在管壳内 能完成特定功能的电路块 集成运算放大器实质上是一种高放大倍数 多级直接耦合的放大电路 集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类 模拟集成电路品种繁多 主要分为集成运算放大器 集成功率放大器和集成稳压器等 其中应用最为广泛的是集成运算放大器 集成运算放大电路概述 集成电路内部结构的特点 1 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差方向一致 温度均一性好 2 电阻元件由硅半导体构成 范围在几十到20千欧 精度低 高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接 3 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 4 二极管一般用三极管的发射结构成 UEE UCC u uo u 反相输入端 同相输入端 原理框图 输入级 中间级 输出级 与uo反相 与uo同相 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 尽量提高KCMRR 输入阻抗ri尽可能大 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 对输出级的要求 主要提高带负载能力 给出足够的输出电流io 即输出阻抗ro小 1 集成运放的封装和引脚排列 封装形式 金属圆形 双列直插式 扁平式 封装材料 陶瓷 金属 塑料 例 塑封双列直插式 DIP CF741 DIP DualIn LinePakage 2 1集成运放的封装形式与电路符号 集成运放外形结构示意图 运算放大器外形图 2 集成运放的电路符号 集成运放有两个输入端 N端称为反相输入端 用 表示 说明输入信号由此端加入时 由它产生的输出信号与输入信号相位反相 P端称为同相输入端 用 表示 说明输入信号由此端加入时 由它产生的输出信号与输入信号相位相同 习惯用符号 国家标准符号 2 2集成运放的分类 集成运放种类较多 按性能不同可分为通用型和专用型两大类 专用型又有高阻型 低温漂型 高速型 低功耗型 高压大功率型等 1 通用型2 高速型和宽带型3 高精度 低漂移型 4 高输入阻抗型5 低功耗型6 功率型 通用型 专用型 性能指标比较适中 某些技术指标比较突出 集成运放的使用常识 1 集成电路器件命名 1 国标GB 3430 82对集成电路的规定 2 型号命名数字序号 与世界上其它厂家同类型产品的序号相同 其它例如 集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的型号命名CW 4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 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 虚短虚断 2运算放大器在信号运算方面的运用 集成运算放大器与外部电阻 电容 半导体器件等构成闭环电路后 能对各种模拟信号进行比例 加法 减法 微分 积分 对数 反对数 乘法和除法等运算 运算放大器工作在线性区时 通常要引入深度负反馈 所以 它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数 而与运算放大器本身的参数关系不大 改变输入电路和反馈电路的结构形式 就可以实现不同的运算 2 1比例运算 1 反相比例运算 1 电路组成 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 2 电压放大倍数 因虚短 所以u u 0 称反相输入端 虚地 反相输入的重要特点 因虚断 i i 0 所以i1 if 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 结论 Auf为负值 即uo与ui极性相反 因为ui加在反相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 可大于1 也可等于1或小于1 因u u 0 所以反相输入端 虚地 例 电路如下图所示 已知R1 10k RF 50k 求 1 Auf R2 2 若R1不变 要求Auf为 10 则RF R2应为多少 解 1 Auf RF R1 50 10 5 R2 R1 RF 10 50 10 50 8 3k 2 因Auf RF R1 RF 10 10故得RF Auf R1 10 10 100k R2 10 100 10 100 9 1k 2 同相比例运算 因虚断 所以u ui 1 电路组成 2 电压放大倍数 因虚短 所以u ui 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 结论 Auf为正值 即uo与ui极性相同 因为ui加在同相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 1 不能小于1 u u 0 反相输入端不存在 虚地 现象 当R1 且RF 0时 uo ui Auf 1 称电压跟随器 由运放构成的电压跟随器输入电阻高 输出电阻低 其跟随性能比射极输出器更好 2 2加法运算电路 1 反相加法运算电路 因虚短 u u 0 平衡电阻 R2 Ri1 Ri2 RF 因虚断 i 0 所以ii1 ii2 if 2 同相加法运算电路 方法1 根据叠加原理ui1单独作用 ui2 0 时 同理 ui2单独作用时 方法2 平衡电阻 Ri1 Ri2 R1 RF u u 也可写出u 和u 的表达式 利用u u 的性质求解 1 输入电阻低 2 共模电压低 3 当改变某一路输入电阻时 对其它路无影响 同相加法运算电路的特点 1 输入电阻高 2 共模电压高 3 当改变某一路输入电阻时 对其它路有影响 反相加法运算电路的特点 2 3减法运算电路 由虚断可得 由虚短可得 分析方法1 如果取R1 R2 R3 RF 如R1 R2 R3 RF R2 R3 R1 RF 输出与两个输入信号的差值成正比 常用做测量放大电路 分析方法2 利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加 u 2 4积分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if if 将比例运算和积分运算结合在一起 就组成比例 积分运算电路 电路的输出电压 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 积分 这种运算器又称PI调节器 常用于控制系统中 以保证自控系统的稳定性和控制精度 改变RF和CF 可调整比例系数和积分时间常数 以满足控制系统的要求 2 5微分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if 比例 微分运算电路 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 微分 控制系统中 PD调节器在调节过程中起加速作用 即使系统有较快的响应速度和工作稳定性 PD调节器 if 3运放在信号处理方面的应用 3 1电压比较器 电压比较器的功能 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小 当两者幅度相等时输出电压产生跃变 由高电平变成低电平 或者由低电平变成高电平 由此来判断输入信号的大小和极性 用途 数模转换 数字仪表 自动控制和自动检测等技术领域 以及波形产生及变换等场合 运放工作在开环状态或引入正反馈 理想运放工作在饱和区的特点