中南大学电子技术课件——运放和负反馈电路.ppt

3 1 第3章集成放大电路的基本概念 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个电路中所需的晶体管 二极管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上 然后封装在一个管壳内 成为具有所需电路功能的微型结构 它的体积小 而性能却很好 3 1集成电路基本概叙 IntegratedCircuit IC 1958年 第一块集成电路诞生 4个晶体管 1969年 大规模集成电路 上千个晶体管 1975年 超大规模集成电路 上万至百万晶体管 集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC 模拟IC 通用模拟IC和专用模拟IC 通用模拟IC 运算放大器 宽带放大器 功率放大器 模拟乘法器 稳压器 锁相环等 二 集成运放及其基本构成 集成运放即集成运算放大器 是一个高性能的直接耦合多级放大器 是模拟电路中最重要的通用型集成电路 偏置电路 向各放大级提供偏置电流 常用电流源电路 输入级 应尽量减小零点漂移 常用差动放大电路 中间级 输出级 主要承担电压放大作用 常用共射或共源放大电路 应有较强的带负载能力 常用互补推挽功放电路 一 模拟IC的工艺特点 1 制造数十皮法以上的电容将占用很大的硅片面积 电路中使用电容非常不合算 无法集成电感元件 所以集成运放都是采用直接耦合方式 2 元器件参数精度差 但对称性好 所以大量采用对管结构 1 晶体管 BJT 按标准工艺制作 成本低且占用硅片面积小 二极管一般都用BJT的一个PN结担任 不再用专门工艺生产 2 生产电阻的工艺不比生产晶体管的工艺简单 而且电阻值越大 占用硅片面积越大 所以大电阻常用BJT或FET代替 3 集成运放中的BJT FET 除了作为放大管外 还构成电流源电路 为各级提供合适的静态偏置 或作为有源负载取代高阻值的电阻 从而提高电路的放大能力 电流源分为理想电流源 恒流源 和实际电流源 电流源 3 2集成运放中的电流源电路 理想电流源可以向外电路提供恒值电流 具有两个基本特征 1 输出的电流是恒定值 与端电压大小无关 2 端电压的大小与电流源本身无关 而由外电路决定 实际电流源的输出电流随端电压的变化而变化 实际的电流源是利用某些器件的伏安特性具有接近理想电流源的特性构造而成 如硅光电池 BJT的输出特性曲线 放大区 和FET的输出特性曲线 恒流区 一 BJT的基本恒流原理 电流源内阻 集成运放中的电流源电路 一 BJT的基本恒流原理 iC uCE 1 三极管电流源 三极管电流源 电流源的特点 端口电流恒定 交流等效电阻大 作用 1 为放大电路提供稳定的偏置电流 2 为放大电路的有源负载 提高放大电路的增益 2 镜像电流源 1 电路 T1 T2的特性相同 2 电流估算 当b 2时 提高镜像精度 利用T3的电流放大作用 减小IB对IREF的分流作用 从而提高IC2与IREF互成镜像的精度 根据PN结的伏安特性可知 BJT发射结的电压 BE和电流IE的关系 为了减小IC2的值 可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻R 2 由电路可得 整理可得 3 微电流源 4 比例电流源 5 多路电流源电路源 集成运放是多级放大电路 需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流 可以用一个基准电流获得多个不同的输出电流 以适应各级需要 1 基于比例电流源的多路电流源 2 多集电极管构成的多路电流源 通过改变发射极电阻获得各种数值的电流 6 电流源用作有源负载 由于所以有源负载大大提高了放大电路的电压增益 三种基本电流源比较 其他电流源电路 1 稳压管式电流源 2 分压式电流源 基本镜像电流源 比例电流源 微电流源 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 集成运放的结构 1 采用四级以上的多级放大器 输入级和第二级一般采用差动放大器 2 输入级常采用复合三极管或场效应管 以减小输入电流 增加输入电阻 3 输出级采用互补对称式射极跟随器 以进行功率放大 提高带负载的能力 集成电路内部结构的特点 1 差分输入级 组合电路 2 中间级 提供高增益 差分 CE 3 输出级 互补输出 4 附加电路 直流偏置 相位补偿 调零电路等 一 组成框图 T1 T7共集 共基组合差分电路 通用型集成运算放大器F007电路简介 T5 T7有源负载构成双端变单端电路 T16 T17复合管 共发射极具有高增益 T18 T19 T14甲乙类互补对称功率放大电路 OCL F007的结构框图 21 F007的偏置电路 二 等效电路 uid 差模输入电压 uid u u Aud 开环差模电压放大倍数 uo Aud u u 1 23 理想运算放大器 传输特性曲线 线性区 O uid uo Uomax Uomax 正饱和区 负饱和区 1 24 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 理想运放的条件 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 3 在分析信号运算电路时对运放的处理 1 25 4 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚开路放大倍数与负载无关 可以分开分析 3 26 第4章放大电路中的负反馈 3 27 第4章放大电路中的负反馈 4 1负反馈的概念 4 2负反馈的类型及分析方法 4 3负反馈对放大电路的影响 3 28 3 29 4 1负反馈的概念 1 什么叫反馈 定义 把电路的输出量 一部分或全部 通过反馈网络送回到输入端 从而影响净输入的过程 判断 反馈网络 连接输入与输出回路 3 30 例1 反馈的判断 直流负反馈 稳定ICQ 直流 交流 交流负反馈 稳定 3 31 例 有无反馈 直流反馈还是交流反馈 3 32 2 反馈极性 1 定义 负反馈 反馈回的信号与原输入信号的作用相反 使净输入下降 增益下降 正反馈 反馈回的信号与原输入信号的作用相同 使净输入增加 增益增加 2 极性判断方法 瞬时极性法 先假定输入量的瞬时极性 正 由输出通过反馈网络确定反馈信号极性 观察反馈量与原输入对净输入的作用 按信号正向放大 入 出 路径 根据输入 输出相位关系 确定输出量的瞬时极性 3 33 例 反馈网络 R4 R3 R7 型 反馈极性 3 34 反馈网络 RF 反馈极性 3 35 反馈极性 正反馈 3 36 例 输入回路 输出回路 判断电路是否存在反馈 是正反馈还是负反馈 直反馈还是交流反馈 RE介于输入输出回路 有反馈 反馈使uid减小 为负反馈 既有直流反馈 又有交流反馈 6 1 2反馈的判断 6 3 37 例 判断下图电路的反馈极性 6 1 2反馈的判断 7 3 38 3 本级反馈与级间反馈的判断 本级反馈 反馈信号取自本级输出 回送到本级的输入回路 级间反馈 反馈信号取自后一级输出 回送到前一级的输入回路 整体反馈 反馈信号取自最后一级输出 回送到最前一级的输入回路 3 39 例 3 40 负反馈放大电路的组成 3 41 1 基本放大电路 无反馈 3 42 反馈网络 二端口反馈系数F 3 43 输出取样 1 电压取样 电压反馈 连接方式 并联 反馈网络输入为VO 3 44 输出取样 续一 1 电压取样 电压反馈 连接方式 并联 反馈网络输入为VO 3 45 电压反馈采样的两种形式 采样电阻很大 输出取样 续二 3 46 输出取样 续三 1 电流取样 电流反馈 连接方式 串联 反馈网络输入为 O 3 47 输出取样 续四 1 电流取样 电流反馈 连接方式 串联 反馈网络输入为 O 3 48 输出取样 续五 电流反馈采样的两种形式 采样电阻很小 3 49 输入求和 连接方式 串联 1 串联求和 串联反馈 信号源 放大器 反馈网络 电压加减 Vid Vi Vf 信号源等效成电压源 3 50 输入求和 续一 连接方式 串联 1 串联求和 串联反馈 信号源 放大器 反馈网络 电压加减 Vid Vi Vf 信号源等效成电压源 3 51 输入求和 续二 连接方式 并联 1 并联求和 并联反馈 信号源 放大器 反馈网络 电流加减 iid ii if 信号源等效成电流源 3 52 输入求和 续三 连接方式 并联 1 并联求和 并联反馈 信号源 放大器 反馈网络 电流加减 iid ii if 信号源等效成电流源 3 53 ib i if 并联反馈 ube ui uf 串联反馈 输入求和 续四 3 54 用电路结构判断反馈类型 运放电路 6 1 2反馈的判断 5 3 55 用电路结构判断反馈类型 运放电路 3 56 例1 分立元件电路 CE 3 57 例2 判断如图电路中RE1 RE2的负反馈作用 1 对交流信号 RE1 电流串联负反馈 3 58 2 对直流信号 RE1 RE2对直流均起作用 通过反馈稳定静态工作点 反馈过程 3 59 例3 判断如图电路中RE3的负反馈作用 电流串联负反馈 3 60 负反馈 交流反馈 直流反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 稳定静态工作点 负反馈的分类 电压串联负反馈 3 61 4 2负反馈放大电路 四种类型组合 1 电压串联负反馈 1 反馈网络 2 类型 电压串联负反馈 3 反馈系数 3 62 运放电路 4 电压串联负反馈特点 稳定vO 输出电阻ro变小 输入电阻ri变大 反馈量在输入回路是以电压形式出现 串联反馈要求恒压激励 RS 0 反馈失效 反馈最强 电压负反馈 串联负反馈 3 63 1 反馈网络 Rf RE1 2 类型 电压串联负反馈 3 反馈系数 例 4 特点 5点 3 64 2 电流并联负反馈 1 反馈网络 2 类型 电流并联负反馈 3 反馈系数 3 65 稳定iO 输出电阻ro变大 输入电阻ri变小 反馈量在输入回路是以电流形式出现 并联反馈要求恒流激励 反馈失效 反馈最强 电流负反馈 并联负反馈 4 电流并联负反馈特点 3 66 例 判断Rf是否负反馈若是 判断反馈的组态 uo if ib i if uo 1 反馈网络Rf 2 类型 电压并联负反馈 3 反馈系数 4 特点 5点 3 电压并联负反馈 3 67 电压并联负反馈 续一 3 68 4 电流串联负反馈 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 UCC 3 69 3 70 负反馈放大电路的分析方法 1 负反馈放大电路的基本关系式 求和 比例系数 开环增益 基本放大电路 闭环增益 反馈放大电路 环路增益 3 71 负反馈放大电路的基本关系式 续一 1 电压串联 2 电流并联 3 电流串联 4 电压并联 AF无量纲 3 72 负反馈放大电路的基本关系式 续二 D的意义 稳态条件下 负反馈 D 1时 深度负反馈 正反馈 正反馈 自激 3 73 分析举例 黑板 例题 回答下列问题 1 若要实现串联电压反馈 Rf应接向何处 2 要实现串联电压负反馈 运放的输入端极性如何确定 3 74 4 3负反馈对放大电路性能的影响 提高增益的稳定性 减少非线性失真 扩展频带 改变输入电阻和输出电阻 在放大器中引入负反馈 降低了放大倍数 使放大器的性能得以改善 3 75 一 提高放大倍数的稳定性 闭环时 则 只考虑幅值有 此式说明 负反馈放大电路放大倍数的相对变化量是基本放大电路放大倍数的相对变化量的 1 AF 分之一 也就是说 放大倍数的稳定性提高了 1 AF 倍 另一方面 在深度负反馈条件下 即闭环增益只取决于反馈网络 当反馈网络由稳定的线性元件组成时 闭环增益将有很高的稳定性 增益稳定性提高到D倍 只稳定由A变化引起的Af的变化 当F变化时 则不起作用 不同的反馈网络 稳定的是不同的增益 3 76 一 对放大倍数的影响 Ao 开环放大倍数 AF 闭环放大倍数 3 77 同相 所以 则有 负反馈使放大倍数下降 引入负反馈使电路的稳定性提高 2 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络有关 3 78 二 改善波形的失真 加反馈前 加反馈后 改善 3 79 三 对输入 输出电阻的影响 1 串联负反馈使电路的输入电阻增加 2 并联负反馈使电路的输入电阻减小 例如 射极输出器 理解 串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻 故输入电阻增加 理解 并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路 故输入电阻减小 3 80 3 电压负反馈使电路的输出电阻减小 例如 射极输出器 理解 电压负反馈目的是阻止 uo的变化 稳