模电第五章运算放大电路

1、5.1 差分式放大电路差分式放大电路5.2 集成电路运算放大器集成电路运算放大器零点漂移（零漂）零点漂移（零漂） 一个理想的直接耦合放大电路，输入信号为一个理想的直接耦合放大电路，输入信号为0时，输时，输出应保持不变。但实际中，输出会发生变化。出应保持不变。但实际中，输出会发生变化。 引起引起零漂零漂的原因有温度变化、电源波动等许多因素，的原因有温度变化、电源波动等许多因素，其中温度的影响最为严重。温度引起的漂移称其中温度的影响最为严重。温度引起的漂移称温漂温漂。 直接耦合多级放大电路中第一级的漂移影响最严重。直接耦合多级放大电路中第一级的漂移影响最严重。措施：引入直流负反馈；温度补偿；差分式

2、放大电路措施：引入直流负反馈；温度补偿；差分式放大电路bCCbCCRRVRUVIbBEQBQIIIRRbIR正温度系数正温度系数稳定原理：稳定原理：CBRCIIIIT温温度度补补偿偿温度补偿：温度补偿：电路中采用对温度敏感的器件（如二极管、热敏电阻等）电路中采用对温度敏感的器件（如二极管、热敏电阻等）电路中利用二极管的反向特性进行温度补偿电路中利用二极管的反向特性进行温度补偿5.1 差分式放大电路5.1.1 5.1.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理+ui1-+ uo -RCRB2T1RB1RCRB2T2RB1+UCC+ui2-特点：特点：结构对称结构对称即：即： 1= 2= U

3、BE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe1. 1. 零点漂移的零点漂移的抑制抑制uo= VC1 - VC2 = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时： 当温度变化时：当温度变化时：IC1=IC2，VC1 = VC2设设T iC1 ,iC2 vC1 , vC2 ( (增量相等增量相等) ) uo= vC1 - vC2 = 0+ui1-+ uo -RCRB2T1RB1RCRB2T2RB1+UCC+ui2-2. 2. 输入信号分类输入信号分类(1)差模差模(differential mode)输入输入ui1 = -ui2(2)共模共模( common mode) 输入输入ui1

4、 = ui2 = uic任意输入的信号任意输入的信号 ui1 , ui2 ，都可分解成差模分，都可分解成差模分量和共模分量。量和共模分量。(3)比较比较 输入输入两输入端加的信号大小相等、极性相反。两输入端加的信号大小相等、极性相同。ui1 = uic + uid1 ；ui2 = ui ic - uid1例例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV则：则：uid1 = 5mV , uic = 15mV 差模分量差模分量:i1i2id1id22uuuu 共模分量共模分量:i1i2ic2uuu ui1 = 15mV + 5mV ；ui2 = 15mV - 5mV+ uo +ui1+U

5、CCRCT1RBRCT2RBREUEE+ui2+uo1+uo2iBiBiEiCiEiCRP5.1.2 5.1.2 典型差动放大电路典型差动放大电路特点：特点：加入射极电阻加入射极电阻RE ；加入负电源加入负电源 -UEE ，采用正采用正负双电源供电。负双电源供电。为了使左右平衡，为了使左右平衡，可设置调零电位器可设置调零电位器设设ui1 = ui2 = 0RE : 对对共模信号有很共模信号有很强负反馈作用强负反馈作用, 抑制温度漂移。抑制温度漂移。 对对差模信号差模信号基本上不影响放大效果。基本上不影响放大效果。温度温度IC1IC2IE UREUBE1UBE2IB2IB1IC1IC2RE的作用

6、的作用 动画演示动画演示结论：结论：1 1 由于由于 R RE E上的电压上的电压U UE E的增高，使每个管子的漂移得到了抑的增高，使每个管子的漂移得到了抑制（制（电流负反馈作用电流负反馈作用）。显然，）。显然，R RE E越大，抑制能力越强越大，抑制能力越强。3 3 当输入差模信号时，当输入差模信号时， iE=(=(iE1+ iE2),),由于由于iE1与与 iE2的极性相反，的极性相反， iE=0=0。所以里流过。所以里流过R RE E的电流几乎不变，的电流几乎不变，R RE E基本上不影响差模信号的放大作用基本上不影响差模信号的放大作用。2 2 当输入共模信号时，它的抑制过程同对零漂的

7、抑制过程当输入共模信号时，它的抑制过程同对零漂的抑制过程相似，所以相似，所以R RE E又称为共模抑制电阻又称为共模抑制电阻。双电源的作用：双电源的作用：（3）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供。提供。（1）低偿）低偿RE的直流压降，使的直流压降，使BJT不工作在饱和区。不工作在饱和区。+ uo +ui1+UCCRCT1RBRCT2RBREUEE+ui2+uo1+uo2iBiBiEiCiEiCRP5.1.3 5.1.3 共模抑制比共模抑制比( (CMRR) )例例: Ad=-200，Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.

8、1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)dcAAdc20logAA共模抑制比越大，表示电路放大差模共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。信号和抑制共模信号的能力越强。理想情况下：理想情况下：AC0 K0 KCMR带恒流源的射极耦合差分式放大电路带恒流源的射极耦合差分式放大电路电路组成及工作原理电路组成及工作原理 加调零电位器差分放大电路加调零电位器差分放大电路实际电路，参数不能达到实际电路，参数不能达到理想情况，电流利用调零电位理想情况，电流利用调零电位器器RW进行电路调零。进行

9、电路调零。场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路改善差分放大电路的输入特改善差分放大电路的输入特性以获得较大的输入电阻。性以获得较大的输入电阻。 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。Auo 高高: 80dB140dB rid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB一一. . 集成运放的特点集成运放的特点1.1. 直接耦合方式，第一级通常采用差分放大电路。直接耦合方式，第一

10、级通常采用差分放大电路。2.2. 用复杂电路实现高性能的放大电路。用复杂电路实现高性能的放大电路。3.3. 用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。电阻。4.4. 采用复合管。采用复合管。5.5. 需要的电容和电感通常外接。需要的电容和电感通常外接。6.6. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。+UCCUEEuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端二二. . 集成运放电路的组成集成运放电路的组成偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作

11、点。为各级放大电路设置合适的静态工作点。输输 入入 级：级：前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大，Ac小，输小，输入端耐压高。入端耐压高。中中 间间 级：级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输输 出出 级：级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出小，最大不失真输出电压尽可能大。电压尽可能大。动画 运放的特点运放的特点理想运放：理想运放： rid KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：u-u+ uo2.2 理

12、想运算放大器国内符号：国内符号： 同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端国际符号：国际符号：VV+_ _Auu-_uo 运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的Auo=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区Auo越大，线性区越小，当越大，线性区越小，当Auo 时，线性区时，线性区0Auo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反

13、馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。实际特性实际特性+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想特性理想特性运算放大器线性应用时的分析依据运算放大器线性应用时的分析依据1. 1. 输入电阻输入电阻 ,两个输入端的输入电流可认两个输入端的输入电流可认为是零，即为是零，即虚断虚断。idr 2. 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个有输出电压是一个有限值，限值，uoA ou o0uuuA uu 即即虚短虚短。0,u 如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 0u 反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。运算放大器

14、在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况 当当 时时，uu oo(sat)Uu 例题uu oo(sat)Uu 当当时，时，注意注意：此时输入端的输入电流也等于零此时输入端的输入电流也等于零有有“虚断虚断”特性，但是没有特性，但是没有“虚短虚短”特性。特性。5.3 基本线性运放电路虚拟短路虚拟短路虚拟断路虚拟断路放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关， 可以分开分析可以分开分析。i0I uuu-uo_+ u+Ii比例运算比例运算运放在运放在信号运信号运算中的算中的应用应用加减运算加减运算微积分运算微积分运算乘除运算乘除运算指数、对数运算指数、对数运算0uui1= ifoi1FuuRR oFui

15、1uRAuR 虚短虚短虚断虚断2.3.2 2.3.2 反相输入反相输入比例运算比例运算Foi1RuuR oiuu 当RF= R1时，反相器反相器uo_+ + RFR1RPuii1if电位为电位为0 0，虚地，虚地特点：只有一个输入信号，并特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入反相输入端且通过电阻引入反相输入端反相反相RP =R1 / RF平衡电阻，使输入端对地的静态电阻平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。相等，保证静态时输入级的对称性。uo_+ + RFR1RPuii1ifoFui1uRAuR 例例1：电路如下图所示，分别计算开关电路如下图所示，分别计算开关S断开

16、和闭合时断开和闭合时的电压放大倍数。的电压放大倍数。uo10KuiR2+ S1K1K1KR1解：解：1. S断开断开Au= RF R1 = 10K (1+1) K = 52. 闭合闭合由由虚断虚断：i+= i = 0 由由虚短虚短：u=u+= 0相当于两个相当于两个1K电阻并联电阻并联iiuui325 .01iiiuiii3121211010oofuuui310103ioufoiuuAuuiii1i2if例例2 求电压放大倍数求电压放大倍数Au=uo/ui 。i+ =0i- =0,u-= u+=0_+ + RFR1RPuiuoi1iFi-i+R2R3i2 i3uFiF = i2 +i3 = i

17、1uiR1-uFRF=-uFRFuF -uoR2uFR3+uo = - ui R1RF + R2 +RF R2R3R1RF + R2 +RF R2R3Au= RP=R1/(RF + R2 /R3)5.3.1 5.3.1 同相输入同相输入u-= u+= uiioi1F0uuuRR Foi1(1)RuuR虚短虚短虚断虚断_+ + RFR1R2uiuoi1if特点：只有一个输入信号，并特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入同相输入端且通过电阻引入同相输入端oFi11uuRAuR电位不为电位不为0 0，没有没有“虚地虚地”同相同相i1= if5.3.1 5.3.1 同相输入同相输入_+ + RFR1

18、R2uiuoi1if平衡电阻平衡电阻 R2=R1/RFoFi11uuRAuR 思考思考F1FFFoiii11F21RRRRRuuuuRR RRo-+iuuuu 此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。但是电压跟随性能好。电压跟随器电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全部引输出电压全部引到反相输入端，信号从同相到反相输入端，信号从同相端输入。端输入。电压跟随器是电压跟随器是同相同相比例运算放大器的特例。比例运算放大器的特例。_+ + RFR1R2uiuoi1if_+ + uiuo当 (开路)或 时, 称为电压跟随器电压跟随器。01FR

19、RFu1(1)1RAR uo+ 5k RL5k +12V例例3：0512655iuuV基准电压电路基准电压电路 例4：图中同相比例运算电路，图中同相比例运算电路，,k10FR,k21R,k22R,k183RV,1iu求：ouR2R1RF+ui-R3+uo-+-解：此电路为同相比例运算电路，此电路为同相比例运算电路，i323118V0.9V2 18uuRRRo1010.9V5.4V2u式式uRRu1Fo1中的中的u是指加在同相是指加在同相输入端的输入电压输入端的输入电压323FFF1FoiFii11231F2322111RR RRRRRRuuuRuuRRRRR RRR RR3FFoi112311

20、RRRuuuRRRR_+ + R2R1R3ui10k100kuo_+ + R5R4R100kuo1A1A2例5： 求图中运算电路求图中运算电路R R5 5的值。的值。155 ,ouu A1：同相比例运算电路A2：反相比例运算电路211111oiiRuuuR55141155100ooiiRRuuuuRk 5500Rk 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / Ri3 / RF由由虚短虚短：u= u+= 0i3oi1i2123FiiiuuuuRRRR由由虚断虚断：i = 0 if = ii1+ ii2 + ii3 RFRi1ui1uoui2Ri2Ri3+ R2+ui3ii2ii3ifi

21、i1123123()FFFoiiiiiiRRRuuuuRRR 当当R11 = R12 = R13 = R1时时1231()FoiiiRuuuuR 当当R1 = RF时时123()oiiiuuuu 1 1、反相求和运算、反相求和运算5.4.3 5.4.3 加法运算加法运算调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。其它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。特点：多个输入信号，均通过特点：多个输入信号，均通过电阻引入反相输入端电阻引入反相输入端5.4 5.4 同相输入和反相输入同相输入和反相输入放大电路的

22、其他应用放大电路的其他应用ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+由由虚短虚短：u= u+u+由由同相比例运算同相比例运算：Fo1(1)RuuRu+=?u+为为ui2单独作用时的代数和单独作用时的代数和2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 2 2、同相求和运算、同相求和运算注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。特点：多个输入信号，均通过电阻引入同相输入端特点：多个输入信号，均通过电阻引入同相输入端思考思考)(1(2i2i

23、1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu Fi2i1oi1i21i1i2i1i2F1i2i1i1i1i2i2F1Fi1i2i1i1i2i2FFi1i2i1i2(1)()()=RRRuuuRRRRRRRR RuR RuRR RRRRRRRRRuuRR注意：在满足静态平衡条件下，同相求和电路的各输入信号的注意：在满足静态平衡条件下，同相求和电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。放大倍数不再互相影响，可以单独调整。ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+例例6：求输出电压：求输出电压解：解： A1为反相比例运算，为反相比例运算，A2为反向加法电路为反向加法电路ui2uo

24、RFui1Ri1Ri2+ Rp2+RRp1R+ A1A2uo1)(1211oiFiiFouRRuRRu221iiouuRRu1122iiFiiFouRRuRRu_+ + RF R1 R2ui2uoR3ui1uu oi11FuuuuRR i223uuuRR 3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR 解出：解出：5.4.1 5.4.1 减法运算减法运算特点：特点：多个输入信号，多个输入信号，同相和反相输入端均有同相和反相输入端均有信号接入信号接入用叠加原理求解：用叠加原理求解：_+ + RFR1R2ui2uoR3ui1Fo1i11RuuR 3Fo2i2123(1)()RRuuRRR 3F

25、Foi2i11231(1)()RRRuuuRRRR ui1单独作用时为反相输入比单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：例运算电路，其输出电压为：ui2单独作用时为同相输入单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：比例运算，其输出电压为： ui1和和ui2共同作用时，输出电压为：共同作用时，输出电压为：注意：在满足静态平衡条件下，减法电路的各输入信号的放大注意：在满足静态平衡条件下，减法电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。倍数不再互相影响，可以单独调整。_+ + RFR1R2ui2uoR3ui13FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR 3FFoi2i1

26、1231231FFFi2i11F2231FFi2i121(1)()RRRuuuRRRRR RRR RRuuR RR RRRRRuuRR R2 + + uo RF R1 ui1 ui2 R3 由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。3FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR 123FRRRR若若 ， ，且且 ， ， 则则: :Foi2i11()RuuuR123FRRRR若若 ， ， 则则: :oi2i1()uuu例例7

27、 7：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo。解：A1A1是电压跟随器，是电压跟随器，i1o1uuA2A2是差动运算电路，是差动运算电路，o11Fi21Fo1uRRuRRui11Fi21F1uRRuRR想一想：为什么要加A1？加入加入A1的作用：的作用：输入阻抗很高，减少信号的衰减。输入阻抗很高，减少信号的衰减。例例8：加减运算运算电路：加减运算运算电路利用叠加原理计算得：利用叠加原理计算得：)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu设设 R1 R2 Rf R3 R4 R5例例10：求：求 Uo1, Uo2和和Uo3：R116k3k4kR1

28、224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V44411231234oIIIRRRUUUUVRRR 反相求和电路反相求和电路R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V291029108784117.5oIURRURRRRRUV 同相比例电路同相比例电路 297410/437.5oIURR UV R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V减法电路减法电路3651652113.25oooURR URR UV 3651611213.25oooURR URRUV oi1i2i31

29、()3uuuu例例11：求输出电压：求输出电压uo和输入电压和输入电压ui1, ui2和和ui3的关系：的关系：利用叠加原理计算得：利用叠加原理计算得：A1A4均为电压跟随器均为电压跟随器ui1ui3ui2uoi1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF oi1F1duu tRC tuCiCddFF 1i1Rui ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ 0oio1F1dtCtutututR C 由由虚断：虚断：由由虚短：虚短：u= u+=01. 1. 积分运算积分运算特点：反相比例电路中的反馈电阻由电容取代。特点：反相比例电路中的反馈电阻由电容取代。icuC+ 电容两端电压和电容两端电

30、压和电流的关系：电流的关系： 1ccccdututit dtitccdt 0oioo1F1dttutu tutRC 反相积分反相积分积分时间常数积分时间常数5.4.4 5.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限反相积分器：反相积分器：如果如果ui=直流电压直流电压,输出将反相积分，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。经过一定的时间后输出饱和。 toi011dFutu tRC 11FUtRC 设设Uom=15V,U=+3V, R1=10k ,CF=1 F求积到饱和值的时间：求积到饱和值的时间：omM11FUUTRC 1omM0.05sFRC UTU积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化1) 1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶