电工与电子技术第4章

第4章集成运算放大器及其应用 4 1差动放大电路4 1 1直接耦合放大器中的零点漂移4 1 2差动放大电路4 2集成运算放大器的组成和主要参数4 2 1集成运放的组成和符号4 2 2集成运放的主要参数4 3负反馈放大电路4 3 1反馈的概念4 3 2反馈的类型4 3 3负反馈对放大电路性能的影响4 4集成运放的应用4 4 1集成运放的特点4 4 2集成运放的线性应用4 4 3集成运放的非线性应用 4 1 1直接耦合放大器中的零点漂移 零点漂移理论上若将直接耦合放大器的输入端短路 输出端应保持某个固定值不变 但实际中因外界因素 如温度变化 电源电压波动 晶体管参数变化等 会引起放大电路的静态工作点发生变化 使输出电压偏离初始静态值 出现缓慢 无规则的漂移 这种现象称零点漂移 4 1 2差动放大电路 差模信号和共模信号一对大小相等 极性相反的信号称差模信号 整个放大电路的输入定义为两管差模输入信号之差 用uid表示 即uid uid1 uid2 则uid1 uid uid2 uid 差模电压放大倍数Aud uod uid 一对大小相等 极性相同的信号称共模信号 用uic表示 共模电压放大倍数Auc uoc uic 共模抑制比共模放大倍数Auc衡量放大无用信号能力 用差模放大倍数Aud衡量放大有用信号能力 用共模抑制比KCMR衡量差动放大电路抑制共模信号的能力 KCMR Aud Auc 4 2 1集成运放的组成和符号 集成运放的组成集成运放一般由输入级 中间级 输出级和偏置电路组成 输入级要求输入电阻高 抗干扰能力强 有效放大有用信号抑制无用信号 大都采用高性能的差动放大电路 中间级的主要任务是电压放大 因此要有足够的放大倍数 输出级与负载相连接 要求输出电阻小且带负载能力强 偏置电路为各级电路提供稳定的直流偏置电流和工作电流 符号标 号的端子称反向输入端 用u 表示 从该端输入信号时 输出信号的相位与输入信号的相位相反 标 号的端子称同相输入端 用u 表示 由该端输入信号时 输出信号的相位与输入信号的相位相同 输出端用u0表示 表示理想运放 4 2 2集成运放的主要参数 输入电阻与输出电阻rid是指集成运放对差模输入信号所呈现的电阻 即运放两输入端之间的电阻 rid一般在20k 2M 之间 理想运放可看为 rod是指运放本身输出级的开环输出电阻 rod愈小说明带负载能力愈强 理想运放可看为0 共模抑制比KCMR Aud Auc 表示了集成运放对共模信号的抑制能力 值愈大愈好 理想值为无穷大 4 3 1反馈的概念 将放大电路的输出量 电压或电流 的一部分或是全部 通过一定的方式送回到输入端 来影响原输入量 电压或电流 的过程称反馈 带有反馈的放大电路称闭环放大电路 没有反馈的放大电路称开环放大电路 有反馈的放大电路称反馈放大电路 4 3 2反馈的类型 正 负反馈反馈使净输入量得到增强的是正反馈 反馈使净输入量减弱的是负反馈 通常采用 瞬时极性法 判定 方法是 假定输入信号某一瞬时极性 根据输入与输出信号相位关系 确定输出信号和反馈信号的瞬时极性 根据反馈信号和输入信号的连接情况 分析净输入量的变化 如果反馈信号使净输入量增强为正反馈 减小为负反馈 直流 交流反馈反馈回来的信号是直流量则为直流反馈 如果反馈回来信号是交流量则为交流反馈 电压 电流反馈反馈是将输出量送回放大器输入端 因此反馈是从输出端取样 如果反馈支路的取样对象是输出电压 则为电压反馈 如果反馈支路的取样对象是输出电流 则为电流反馈 串联 并联反馈根据反馈在输入端的连接方法分为串联反馈和并联反馈 反馈信号和输入信号是串联的为串联反馈 若反馈信号与输入信号是并联的为并联反馈 例4 1 判断如图所示电路反馈的极性 图 a 中设ui瞬时极性为 信号从同相输入端输入 u 为 输出端uo也为 uo经R3 R4分压后得反馈电压uf也为 将uf引回到输入电路 可看出uf使净输入量增强 故为正反馈 在图 b 所示电路中 设ui瞬时极性为 从反相输入端输入 因此u 为 uo为负 由于反相输入端的电位高于输出端的电位 所以反馈电流If的方向如图所示 根据基尔霍夫电流定律 可得净输入信号id ii if 反馈信号if增大 使得净输入信号id减小 故为负反馈 在图 c 所示电路中 设输入信号ui瞬时极性为 即三极管基极瞬时极性为 共射极电路输出电压与输入电压相位相反 所以集电极的瞬时极性为负 发射极的瞬时极性为 因此在Rf上产生的电流if如图所示 净输入信号id ii if 反馈结果使净输入信号减小 说明电路引入了负反馈 4 3 3负反馈对放大电路性能的影响 提高放大倍数的稳定性减小非线性失真扩展通频带改变输入和输出电阻串联负反馈使输入电阻增大 并联负反馈使输入电阻减小 电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增大 结论稳定交流性能 引入交流负反馈 稳定静态工作点 引入直流负反馈 稳定输出电压 引入电压负反馈 稳定输出电流 引入电流负反馈 提高输入电阻 引入串联负反馈 减小输入电阻 引入并联负反馈 减小输出电阻 引入电压负反馈 增加输出电阻 引入电流负反馈 例4 2 判断如图所示电路反馈的组态 如图 a 电路中 去掉旁路电容Ce 在Re上反馈电压等于输出回路的电流在Re上产生的电压 即Uf IeRe 反馈电路的取样对象是输出电流 故为电流反馈 在图 b 电路中 其反馈电压等于输出电压Rf和R1上的分压 可见反馈支路的取样对象是输出电压 故为电压反馈 在图 a b 所示电路中反馈信号与输入信号之间是串联关系 因此是串联反馈 综上所述组合为电流串联负反馈 电压串联负反馈 4 4 1集成运放的特点 集成运放的线性工作区集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈 当集成运放工作在线性区时存在 虚短 即u u 和 虚断 即i i 的特点 集成运放的非线性工作区当集成运放工作在开环状态或接正反馈时工作在非线性区 其特点是当u u 时uo UOM 当u u 时uo UOM 4 4 2集成运放的线性应用 反向比例放大器同向比例放大器 加法器减法器 4 4 3集成运放的非线性应用 单门限电压比较器集成运放处于开环状态 输出电压在输入电压为门限电压UTH时将从一个电平翻转到另一个电平时 该比较器特点是门限电平单一 在单方向上输出电平只跳变一次