第三章差动放大器.ppt

第三章集成运算放大器及其应用 3 1差动放大电路 3 2集成运算放大器概述 3 3集成运算放大器的基本电路 3 4集成运算放大器的应用电路 3 5集成运放的使用常识 可放大直流信号和缓慢变化信号 直接耦合放大路 一 零点漂移 输入电压为零 输出电压不为零的现象 称为零点漂移现象 零点漂移简称零漂 零点漂移现象 在阻容耦合和变压器耦合放大电路中 也存在零点漂移 但这种缓慢的漂移信号不会传递到下一级被进一步放大 3 1差动放大电路 产生的原因 如温度的变化 电源电压波动以及电路元件参数的变化等 缺点 由于零点漂移的存在 使得输出端既有被放大的真信号 又有零点漂移产生的漂移信号 当漂移信号可以与输出端的有用信号相比时 有用信号将被淹没 失去分辩能力 对于一个多级直接耦合的放大电路 级数越多 放大倍数越大 零点漂越严重 会造成后级放大电路无法正常工作 解决的办法 采用差动放大电路 抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题 二 基本差动放大电路 特点 a 两个输入端 两个输出端 b 元件参数对称 c ui1 ui2时 uo 0 能有效地克服零点漂移 ui2 ui ui1 uo 1 电路组成 R R 基本差动放大电路 uo UC1 UC2 0 2 工作原理 2IE IC1 UC1 UC2 uo IC2 IB1 IB2 IB1 IB2 IC1 IC2 UC1 UC2 ui1 ui2 0 ui 0 直流通路 IE1 IE2 IE1 IE2 1 静态 ib1 uod ui2 ui ib2 ui1 ic2 ic1 uo1 uo2 2 动态分析 1 差模输入 差模输入 ui1 ui2 差模输入电压 uid ui1 ui2 2ui1 差模输入放大电路 使得 ic1 ic2 uo1 uo2 差模输出电压 uod uc1 uc2 uo1 uo2 差模电压放大倍数 大小相同极性相反 ib1 ib2 Ad1 ie1 ie2 ie 0 ie1 ie2 2uo1 ie 0 2 共模输入 共模输入 ui1 ui2 共模输出电压 uic ui1 ui2 使得 ie1 ie2 ie1 ie2 ue 2ie1RE 共模输入电压 uoc uc1 uc2 0 共模抑制比 大小相同极性相同 共模信号交流通路 ui1 uod ui2 共模放大倍数 3 共模抑制比 衡量差动放大器的质量 即差模放大能力和共模抑制能力 三 具有电流源的差动放大电路 增大共模放大倍数的思路 增大RE 用恒流源代替RE 特点 直流电阻为有限值 动态电阻很大 1 三极管电流源 简化画法 电流源代替差动电路中的RE 2 具有恒流源的差动放大电路 一 集成运算放大电路组成 输入级 中间级 输出级 偏置电路 组成框图 为负载提供一定幅度的信号电压和信号电流 一般采用输出电阻很低的射极输出器或由射极输出器组成的互补对称功放电路 使集成运放具有较强的放大能力 通常由多级共射极放大器构成 通常是具有较高输入电阻和较高放大倍数的差动放大器 利用它可以使集成运放获得尽可能高的共模抑制比 为各级提供所需的稳定的静态工作电流 3 2集成运算放大器概述 电路符号 实际上集成运放的引出端不止三个 但分析集成运放时 习惯上只画出图示中的三个端 其他接线端各有各的功能 但因对分析没有影响 故略去不画 反相输入端 同相输入端 输出端 二 集成运放的封装和分类 1 封装 集成运放封装有塑料双列直插式 陶瓷扁平 金属圆壳封装等多种 2 分类 通用型 专用型 低功耗型 高精度型 高速型 宽带型 高阻型 高压型 低漂移型 低噪声型 大功率型等 三 集成运放的主要参数 开环差模电压放大倍数Auo 输入失调电压Uio 输入失调电流Iio 输入偏置电流IiB 最大差模输入电压Uidm 最大共模输入电压Uicm 差模输入电阻rid 开环输出电阻ro 共模抑制比CMRR 开环差模电压放大倍数简称 开环增益 开环状态下 输出电压Uo与输入差模电压 Ui1 Ui2 之比 即Auo Uo Ui1 Ui2 Auo越大 器件的性能越稳定 其运算精度也就越高 开环差模电压放大倍数Auo 输入电压为零时 为使输出电压为零 在输入端附加一个的补偿电压 该电压叫做输入失调电压 Uio 高质量产品Uio一般在1mv以下 输入失调电压Uio 在输入信号为零时 两输入端静态基极电流之差 即Iio IiB1 IiB2 一般在0 01 0 1mA范围内 此值越小越好 输入失调电流Iio 输入偏置电流IiB 当输入信号为零时 两输入端所需的静态基极电流的平均值 即IiB IiB1 IiB2 2 一般情况在1mA以下 IiB越小零漂越小 最大差模输入电压Uidm 正常工作时 在两个输入端之间允许加载的最大差模电压值 使用时差模输入电压不能超过此值 最大共模输入电压Uicm 两输入端之间所能承受的最大共模电压 如果共模输入电压超过此值 集成运放的共模抑制性能明显下降 甚至造成器件的损坏 两输入端加入差模信号时的交流输入电阻 此值越大 集成运放向信号源索取的电流越小 运算精度越高 差模输入电阻rid 开环输出电阻ro 开环时的动态输出电阻 ro越小带载能力越强 共模抑制比CMRR 综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力 CMRR越大越好 二 集成运算放大器的两种基本电路 一 集成运放的理想化 3 3集成运算放大器的基本电路 一 集成运放的理想化 1 理想集成运放的基本概念 1 开环差模电压放大倍数Auo 2 差模输入电阻rid 3 开环输出电阻ro 0 4 共模抑制比CRMM 5 没有失调现象 即当输入信号为零时 输出信号也为零 理想集成运放的符号 2 理想集成运放的电压传输特性 线性区 非线性区 非线性区 Uom Uom uo与ui是线性关系 即 集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线 称为电压传输特性 虚短 虚断 uo只有两种可能 即 Uom和 Uom 虚短 不成立 虚断 仍成立 二 集成运算放大器的两种基本电路 虚地 R2 R1 Rf 平衡电阻 特点 1 为深度电压并联负反馈 Auf Rf R1 uP uN 0 虚地 1 反相比例运算放大电路 2 反相输入信号时 反相比例运算放大电路 虚短 虚断 当R1 Rf时 Auf 1 反相器 特殊地 反相器 2 同相比例运算放大电路 特点 1 为深度电压串联负反馈 Auf 1 Rf R1 2 虚短 虚断 uP uN 虚短 仍成立 但 虚地 不成立 R2 R1 Rf 平衡电阻 同相比例运算放大电路 当R1 Rf 0时 Auf 1 跟随器 特殊地 同相器 一 信号运算电路 二 电压比较器 3 4集成运算放大器的应用电路 线性应用 电路引入了负反馈 非线性应用 电路开环或引入了正反馈 集成运放工作在线性区 集成运放工作在非线性区 1 判断集成运放的工作区域 2 根据理想运放不同工作区的相应特点 进一步对电路进行分析 分析集成运放应用电路的基本步骤是 一 信号运算电路 1 加法运算电路 if i1 i2 若Rf R1 R2 uo ui1 ui2 平衡电阻 加法运算电路 则 利用叠加原理 ui2 0 ui1使 2 减法运算电路 减法运算电路 反相比例运算放大电路 ui2使 ui1 0 同相比例运算放大电路 组合 和 R1 Rf R2 R3 平衡电阻 则 当R1 R2 Rf R3时 上式简化为 如果取Rf R1 则 uo ui2 ui1 减法运算实际是差分电路 输出电压等于各个输入电压之差 实现减法运算 二 电压比较器 集成运放工作在非线性区时 电路开环或引入了正反馈 uP uN时 uo Uom 高电平 uP uN时 uo Uom 低电平 1 单门限电压比较器 ui UR时 uo Uom ui UR时 uo Uom 门限电压为UR 因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较 故此电路称为 单门限电压比较器 若UR 0 过零电压比较器 单门限电压比较器 电路开环 集成运放工作在非线性区 单门限电压比较器的传输特性曲线 UR Uom Uom 单门限电压比较器的特点 电路结构简单 灵敏度高 但是抗干扰能力差 单门限电压比较器可实现波形的变换 单门限电压比较器 把正弦波变为矩形波 2 双门限电压比较器 输出电压uo经Rf和R1分压加到同相输入端 为电路引入了正反馈 当uo Uom时 门限电压用UP1表示 当输入电压上升到ui UP1时 输出电压uo发生跳变 由 Uom跳变为 Uom 集成运放工作在非线性区 门限电压随之变为 双门限电压比较器 当输入电压减小 直至ui UP2时 输出电压再度跳变 由 Uom跳变为 Uom 两个门限电压之差称为回差电压 用 UP表示 双门限电压比较器的传输特性曲线 回差电压与参考电压无关 UP1 UP2 Uom Uom 双门限电压比较器的抗干扰作用 当输入电压ui因受干扰或含有噪音信号时 只要变化幅度不超过回差电压 输出电压就不会在此期间发生频繁地跳变 而仍保持为比较稳定的输出电压波