模拟电子技术第3章PPT学习教案

1、会计学1 模拟电子技术第模拟电子技术第3章章 教学目标 1、了解直接耦合电路存在问题、零点漂移产生原因及其抑制措施。 2、掌握差分放大器组成、抑制零漂原理。熟悉差模信号与共模信号及其放大倍数、共模抑制比概念。会对任意信号进行分解。 3、选学常见恒流源电路组成。 4、熟悉集成运放特点及其内电路框图、电路符号、理想运放概念。了解集成电路分类、外形、命名方法。 第1页/共67页 教学目标 5、熟悉反馈、反馈深度和深度负反馈的概念。掌握反馈的分类及其判别方法。 6、熟悉负反馈对放大电路性能影响。了解负反馈电路产生自激震振荡条件及其消除方法。熟悉深度负反馈放大电路的闭环增益估算方法。 第2页/共67页

2、差分放大电路(Differential amplifier)又称差动放大器，简称差放，是集成运算放大器(Intergrated operational amplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂移性能。 3.1 差分放大电路 第3页/共67页 一、直接耦合放大电路需要解决的问题： 1. 各级静态工作点相互影响，相互牵制。 3.1.1 差动放大器的电路组成和静态分析 2. 存在零点漂移(Zero drift)。 零漂定义：在输入信号为零时，出现输出端的直流电位缓慢变化的现象。 产生零点漂移的原因：元器件参数的变化；环境的温度的变化(最主要的因素，因温度变化引起零漂称为温漂)。

3、 零漂在RC耦合电路中影响不大；但在直接耦合放大电路中会被后级电路逐级放大，且第一级的零漂影响最为严重。 第4页/共67页 抑制零漂的措施： 1、选用高稳定性的元器件。 2、电路元件在安装前要经过认真的筛选和老化处理， 以确保质量和参数的稳定性。 3、采用稳定性高的稳压电源，减少电源电压的波动的影响。 4、采用温度补偿电路。 5、采用调制型直流放大器。 6、采用差动放大电路。这是目前应用最广的电路， 它常用作集成运放的输入级。 第5页/共67页 典型的差动放大器电路如图3.1.1所示，它具有两个输入 端，两个输出端。该电路采用发射极电阻Re耦合的对称共射 电路，其中V1、V2称为差分对管，两边

4、的元器件采用相同 的温度特性和参数，使之具有很好的对称性，双电源供电， 且VCC=VEE，输出负载可以接到两输出端之间（称为双端输 出），也可接到任一输出端到地之间（称为单端输出）。 二、差动放大电路组成 第6页/共67页 （a) （b) 图3.1.1差动放大电路 （a)电路图 （b) 直流通路 第7页/共67页 静态时，IC1=IC2IE，UC1=UC2=VCCIC1Rc1 。 故： Uo=UC1UC2=0。 另一思路，忽略IB影响。UB=0，UE=UBE， 即静态时，差动放大器具有零输入零输出的特点。不会产生零点漂移现象，前提：电路完全对称。 e EE e EEBE E R V R VU

5、I 22 三、静态分析 第8页/共67页 3.1.2 共模信号、差模信号及其放大倍数 一、差模信号（Difference-Mode signal）和差模放大倍数(Difference-Mode gain) 差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即 ui1ui2 uid=uid1-uid2 =2uid1 ，uid1=-uid2=uid/2 。 若电路仅有uid作用，则输出电压为uod，电路的差模电压放大倍数Auduod/uid 。 第9页/共67页 二、共模信号(Common-Mode signal)和共模放大倍数(Common-Mode gain) 共模信号就是一对大小相等、极性相同的

6、信号，即 ui1ui2uic 差动放大器只有uic作用输出电压为uoc；则共模电压放大倍数Auc=uoc/uic 。 第10页/共67页 三、任意信号的分解 ui1和ui2输入的两个任意信号。此时，若将ui1和ui2改写成 其中 由此可知，一对任意信号均可以分解为一对共模信号和一对差模信号之和，即 22 22 i2i1i2i1 2 i2i1i2i1 1 uuuu u uuuu u i i 2/ 2/ idici2 idici1 uuu uuu i2i1id i2i1ic 2/ )( uuu uuu 任意信号输入时，分解成uid和 uic ，分别放大再叠加。即 icucidudocodo uAu

7、Auuu 差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。 第11页/共67页 例3.1.1 已知差动放大电路ui1=10.02V，ui2=9.98V，试求共模和差模输入电压。 解： mV40V04. 0 V102/ )( i2i1id i2i1ic uuu uuu 第12页/共67页 3.1.3 差模输入信号的动态分析 差动电路有两个输入端、两个输出端，它具有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出四种组态。 第13页/共67页 一、双端输出差分放大电路动态分析及共模抑制比 图3.1.2双端输入双端输出差分电路 （a）电路原理图 （b）差模交流通路 （c）共模交流

8、通路 第14页/共67页 1E i 2E i e R e R EE V 21cc uu L R L R 当差模信号单独作用的情况下，两管发射极电流 和 一个增大，一个减小，而且变化的幅度相同，因此流过电阻 的电流大小不变。又因电阻下端接直流电源 ， 故两管发射极电压为固定的直流量，即对于差模信号，两管 发射极交流电压值为零。另外，两管集电极电压 ， 即差模信号输入时，两端电压向相反方向变化，故 中点电压相当于交流接地。 第15页/共67页 双端输入双端输出电路的差模交流通路如图3.1.2（b）所示。由图可得 式中， 为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之差； 为单管共射电路电压放大

9、倍数； 。上式说明双端输出差动当大电路的电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相同。 beb L u1 id1 od1 id2id1 od2od1 id od ud 2 2 rR R A u u uu uu u u A od u 1u A )2/( LC / L RRR 第16页/共67页 电路的输入电阻则是从两个输入端看进去的等效电阻。 Ri=2(Rb+rbe) 电路的输出电阻为 Ro=2Rc 第17页/共67页 图3.1.2（a）所示电路其共模交流通路如图3.1.2（c）所示。 e R E i e R 21cc uu L R 因在输入共模信号时，流过中的电流为2 ， 发射极电阻等效为

10、2 。电路完全对称，在输入共模信号 中没有电流流过，可视为开路，故 时，总有 0 ic oc uc u u A 从上式可知，差动放大电路对共模信号具有抑制作用。 第18页/共67页 为反映电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比的概念，定义为 或 uc ud CMR A A K uc ud CMR lg20 A A K KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。在理想情况下，双端输出差动电路的 CMR K 第19页/共67页 二、单端输出电路的共模抑制比 双端输入单端输出电路及其差模交流通路、共模交流通路 如图3.1.3所示。 图3.1.3 双端输入单端输出电路 第20页/共67页

11、分析表明，该电路的共模抑制比为 beb L id1 od1 id od ud1 2 1 2rR R u u u u A 式中, ./ LCL RRR 上式表明，Re越大，对共模信号的抑制能力越强。 单端输入双端输出、单端输入单端输出差动电路分析 方法与双端输入相同。 beb e uc1 ud1 CMR rR R A A K e uc R R A 2 L 第21页/共67页 3.1.4 恒流源 为了提高单端输出差动放大电路的共模抑制比，应当提高 Re的数值。但增大Re会增加Re上的直流压降，影响电路的静态 工作点，为使电路正常工作,需提高电源电压，但电源电压又不 能任意提高，所以形成矛盾。采用恒

12、流源代替R e可很好地解决 这一矛盾。 恒流源输出电流恒定，具有交流等效电阻很大而直流电阻 （两端电压降）不大的特点。图3.1.4所示电路就是一个采用恒 流源的差动放大电路。 第22页/共67页 图3.1.4 具有恒流源的差动放大电路 图中，V3组成分压式工作点稳定电路作为恒流源， 保证温度变化时，IE3基本不变，且 E3C3C2C1 2 1 2 1 IIII 第23页/共67页 一、镜像电流源（Current mirror） 镜像电流源电路如图3.1.5所示，设V1、V2的参数完全相同， 由于两管具有相同的基-射极间电压（UBE1=UBE2），因此，两 管集电极电流IC1=IC2，由图可知基

13、准电流为 C1 C1BC1REF 22 I IIII C2 REF C1 2 1 I I I 图3.1.5 镜像电流源 当2时，V2管的集电极电流IC2 近似等于基准电流IREF，即 R V R VV II CCBECC REFC2 第24页/共67页 二、微电流源(Small value current source) 微电流源是模拟集成电路中常用的一种电流源，电路如图 3.1.6所示。当基准电流IREF一定时，由图3.1.6可得 e2E2BEBE2BE1 RIUUU e2 BE E2C2 R U II 图3.1.6 微电流源 可见，用很小的Re2即可获得 微小的工作电流，称为微电流源。 第

14、25页/共67页 三、电流源用作有源负载（Active load） 在模拟集成电路中，恒流源也广泛地作为负载电阻使用以代替集电极电阻RC，称为有源负载。 图3.1.8 电流源用作有源负载 图中V1是放大管，V2、V3组成电流源作为V1的集电极有源负载。 第26页/共67页 3.1.5 失调及温漂 1输入失调电压(Input offset voltage) 一个完全对称的差动放大器， ，双端输出 。然而实际中存在元器件失配，很难做到完 全对称。 ，UO0，这种现象称为零点漂移， 也称为差动放大器的失调，相应的输出电压称为失调电压， 用UOO表示。 一般把UOO折算到输入端，称为输入失调电压，用U

15、IO 表示 UIO=UOO/Aud 0 21 ii uu 0 21 CCO UUU 0 21 ii uu 第27页/共67页 2输入失调电流(Input offset current) 由于12，ICQ1ICQ2,为使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引入电流，使相应的IBQ1IBQ2。通常将这种因两管不相等而在输入端引入的差值电流称为输入失调电流，用IIO表示，定义为ICQ1=ICQ2时两基极电流之差的绝对值，即 BQ2BQ1IO III 3. 温漂(Temperature drift) 失调随温度的变化值称为温漂，环境温度是产生温漂的外因，而晶体管参数随温度变化，则是内因。差分放大电路的失

16、调可通过外接调零装置给予补偿，使之达到零输入零输出，但加接调零装置无法消除温漂。减小温漂的有效方法是加接温度补偿电路。 第28页/共67页 3.2 集成运算放大器 3.2.1 集成运算放大器简介 集成运算放大器是模拟集成电路的一个重要分支，它实际上是用集成电路工艺制成的具有高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。 它具有通用性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、性能优越等特点，而且外部接线很少，调试极为方便。现在已经广泛应用于自动测试、自动控制、计算技术、信息处理以及通讯工程等各个电子技术领域。 第29页/共67页 一、集成电路的特点 集成电路由于制造工艺上的原因，具有以下特点： (

17、1)集成电路的工艺对制造电感器和容量大的电容器有困难，所以大都采用直接耦合电路。 (2)集成电路制造工艺表明，制造半导体二极管或三极管占用硅片面积小，且工艺简单、成本低。制造电阻、电容比较困难，尤其是阻值大（大于300）的电阻和容量大（大于400pF）的电容，更不经济。为此，应尽量避免内接电容，并尽可能用阻值低的电阻或以三极管代替电阻。 第30页/共67页 二、集成电路的分类 1、按集成度分类 2、按内部器件分类 第31页/共67页 三、集成电路的外形及图形符号 (1)集成电路的外形 图3.2.1 集成电路的外形 （a) 圆壳式 （b) 双列直插式 （c) 扁平式 （d)电路符号 第32页/共

18、67页 (2)电路符号 “”反相输入端（Inverting input terminal），“+”同相输入端(Noninverting input terminal)。 (3)集成运放的输出输入关系式 )( uuAu odo 第33页/共67页 四、集成电路的命名 集成电路的命名方法按国家标准规定，每个型号由下列五个部分组成： 第一部分：表示符合国家标准，用字母C表示； 第二部分：表示电路的分类，用字母表示，具体含义见表3.2.1； 第三部分：表示品种代号，用数字或字母表示，与国际上的品种保持一致； 第四部分：表示工作温度范围，用字母表示，具体含义见表3.2.2； 第五部分：表示封装形式，用字

19、母表示，具体含义见表3.2.3。 第34页/共67页 第35页/共67页 第36页/共67页 3.2.2 集成运算放大器内部电路框图 图3.2.2 集成运放内部电路框图 1输入级 为了减少零漂和抑制共模干扰信号，要求温漂小、共模抑制比高、有极高的输入阻抗，一般采用高性能的恒流源差动放大电路。 第37页/共67页 3输出级 输出级应具有较大的电压输出幅度较高的输出功率与较低的输出电阻的特点，大多采用复合管构成的共集电路作为输出级。 4偏置电路 偏置电路一般由恒流源组成，用来为各级放大电路提供合适的偏置电流，使之具有合适的静态工作点。它们一般也作为放大器的有源负载和差动放大器的发射极电阻。 2中间

20、级 运算放大器的放大倍数主要是由中间级提供的，因此要求中间级有较高的电压放大倍数，一般放大倍数可达几万倍甚至几十万倍以上。 第38页/共67页 3.2.3 理想运放的概念 理想运放具有以下特性： (1)开环差模电压放大倍数 Aod (2)开环差模输入电阻 Rid (3)开环差模输出电阻 Rod=0 (4)输入失调电压 UIO=0 (5)输入失调电流 IIO=0 (6)共模抑制比 KCMR (7)频带宽度 BW 但实际的集成运算放大器不可能达到上述指标。集成运算放大器的特性是非理想的。它的输入电阻为几千欧到100G，电压增益为80140dB。 第39页/共67页 理想集成运放线性应用时具有两个特

21、性：虚短和虚断。 （1）虚短：Aod， ， （2）虚断：Rid i+=i-=0 0 uo o A u uu uu 图3.2.3 集成运放的电压、电流及“虚短”、“虚断”示意图 (a)运放的电压和电流 (b)理想运放的“虚短”、“虚断”示意图 第40页/共67页 3.3.1 反馈的定义 将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部），经过一定的电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号（电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈，具有反馈的放大器称为反馈放大器(Feedback amplifier)。 3.3 反馈的基本概念 一个电路是否存在反馈，就是看输出与输入回路之间有没

22、有起联系作用的元件。若有则存在反馈，若无则不存在反馈。 第41页/共67页 3.3.2 反馈的电路框图(Block diagram) 图3.3.1 负反馈放大器的组成框图 负反馈放大电路的方框图如图3.3.1所示。 表示开环放大器（也叫基本放大器）， 表示反馈网络。 表示输入信号（电压或电流）， 表示输出信号， 表示反馈信号， 表示净输入信号。 A F i X o X f X di X 第42页/共67页 反馈放大器闭环增益 FA A XFAX XA XX X X X A 1 idid id fid o i o f （1）若 1，为负反馈。 正反馈应用于各种振荡电路，用做产生各种波形的信号源；

23、负反馈则是用来改善放大器的性能。在实际放大电路中几乎都采取负反馈措施。 FA 1 （2）若 1，为正反馈。 （3）若 = 1，出现自激振荡 。 FA 1 FA 1 第43页/共67页 3.3.3 反馈深度和深度负反馈 称为反馈深度， 越大，反馈越深， 就越小。 是衡量反馈强弱的一个重要指标。 如果 1(如 10)，这种反馈称为深度负反馈，此时 FA 1 f A FA 1 FA 1 FA 1FA 1 FFA A FA A Af 1 1 放大器一旦引入深度负反馈，其闭环增益仅与反馈系数 F 有关而与放大器本身的参数几乎无关。深度负反馈电路用上式计算。 第44页/共67页 3.4.1 反馈的分类及判

24、别 1、正反馈(Positive feedback)和负反馈（Negative feedback） 3.4 反馈的分类及判别方法 （1）定义 正反馈：放大电路引入的反馈信号使放大电路的净输入信号增加。 负反馈：反馈信号使放大电路的净输入信号减少。 （2）极性判别方法：瞬时极性法(Instantaneous polarity method) 一般在第一级输入端标（+），然后依据放大、反馈信号的传递途径逐级标出（+）、（-），最后标出反馈信号极性。从而判断反馈信号是增强还是减弱输入信号，输入信号减弱的是负反馈，增加的是正反馈。其中，（+）表示瞬时电位升高，（-）表示瞬时电位下降。 第45页/共67

25、页 放大电路各有关器件在中频区的电压的相位关系如下表所示。 图3.4.1 负反馈放大电路 如下图所示负反馈电路，输出电压uo的一部分通过由Rf、R1组成的反馈网络送到输入端，使运算放大器的净输入信号uid=ui-uf减少，从而使uo也减少。即：uoufuiduo，这就是一个负反馈过程。 第46页/共67页 2、直流反馈(DC feedback)和交流反馈(AC feedback) (1)直流反馈：反馈信号中只含有直流成分。 (2)交流反馈：反馈信号中只含有交流成分。 (3)交直流反馈：反馈信号中既含有直流分量,又含有交流分量。 第47页/共67页 3、电压反馈(Voltage feedback

26、)和电流反馈(Current feedback) （1）定义 按反馈信号在输出端取样方式 电压反馈： 电流反馈： of ux of ix （2）判别方法 用负载短路法判别：假设输出端的负载短路，若反馈量依然存在（不为零），则是电流反馈；若反馈量消失（为零），则是电压反馈。 根据反馈网络与输出端的接法判断： 若反馈网络与输出端接同一节点为电压反馈，不接于同一节点为电流反馈。电流反馈和电压反馈的效果与负载RL有关，要得到较强的负反馈效果，电压负反馈要求RL越大越好；电流负反馈要求RL越小越好。 第48页/共67页 4并联反馈(Shunt feedback)和串联反馈(Series feedback

27、) 按基本放大器输入端与反馈网络的输出端之间的联接方式，反馈可分为并联反馈和串联反馈，它们与输出端取样的形式无关。 (1)定义 串联反馈：反馈信号送到输入端是以电压相加减的形式出现，反馈信号与输入信号相串联。 并联反馈：反馈信号表现为电流相加减形式，反馈信号与输入信号相并联。 (2)判别方法 若反馈信号与输入信号是在输入端的同一个节点引入，则为并联反馈；如果它们不在同一个节点引入，则为串联反馈。 第49页/共67页 5负反馈放大器的四种基本组态 电压并联负反馈、 电流并联负反馈、 电压串联负反馈、 电流串联负反馈。 第50页/共67页 3.4.2 反馈判别示例 在电路反馈判别过程中，首先要判断

28、电路中有无反馈元件或网络，即输出、输入端之间有无元器件或网络连接，有则有反馈。然后再用上述方法判别反馈性质、类型。举例如下： 图3.4.2 例3.4.1图 第51页/共67页 电路中Rf为反馈元件。输入信号加在集成运放反相输入端，利用瞬时极性法，假设输入端瞬时极性为（+），则输出端瞬时极性为（），经Rf反馈到反相输入端为（），净输入信号减小，为负反馈。 对于输入端，由于输入信号与反馈信号在同一节点输入，所以为并联反馈。 对于输出端，假设RL短路，反馈信号则为零，所以为电压反馈。因此图中所示电路反馈类型为电压并联负反馈。 第52页/共67页 第53页/共67页 一、提高电路及其增益的稳定性 3.

29、5 负反馈对放大电路性能的影响 （1）直流负反馈稳定直流量，能起到稳定静态（直流）工作点的作用。 （2）假设由于某种原因，放大器增益加大（输入信号不变），使输出信号加大，从而使反馈信号加大。由于负反馈的原因，使净输入信号减少，结果输出信号减少。这样就抑制了输出信号的加大，实际上就使得增益保持稳定。 （3）电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。 3.5.1 负反馈对放大器性能的影响 第54页/共67页 二、减少非线性失真(Nonlinear distorsion) 3.5.1 负反馈减少非线性失真示意图 由于晶体三极管特性的非线性，当输入信号较大时，就会出现失真，在其输出端得到了正负半

30、周不对称的失真信号。当加入负反馈以后，这种失真将可得到改善。其过程如图3.5.1所示，输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上半周小下半周大的失真波形，经放大后恰好补偿输出失真波形。 第55页/共67页 三、扩展通频带（Extension band width） 引入负反馈后增益下降，但通频带扩展。对于单RC电路系统通频带扩展（1+AF）倍。通频带的扩展，意味着频率失真的减少，故负反馈能减少频率失真。 四、改变输入电阻和输出电阻 (1)串联负反馈使输入电阻增大，引入负反馈后的输入电阻为未引入负反馈电路输入电阻的（1+AF）倍，即Rif=Ri(1+AF)；并联负反馈使输入电阻减小，引入负反馈后的输入电阻Rif=Ri/(1+AF)，Ri为未引入反馈时的输入电阻。 (2)电压负反馈使输出电阻减小，Rof=Ro/(1+AF)。电流负反馈使输出电阻增加，Rof=Ro(1+AF)，Ro为未引入负反馈时的输出电阻。 (3)简言之就是：串大并小，压小流大。 第56页/共67页 3.5.2 负反馈电路的自激振荡及其消除 1、自激振荡 是指放大电路的输入端在不加输入信号时，就能够在输出端产生一定幅度和频率的交流输出电压信号的现象。 自激振荡的条件为： 101FAFA ，或 即 (自激振荡的幅度平衡条件) 1FA （n为整数）(自激振荡的相位平衡条件) ) 12(n FAAF 自激振荡的实质是