模拟电子技术项目化教程（第2版）课件 项目3：逻辑测试笔电路

差分放大电路及其静态分析1．差分放大电路的组成1）直接耦合放大电路需要解决的问题差分放大电路及其静态分析

2）差分放大电路的组成

典型的差分放大电路如图（a）所示。

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；两边的元器件对称，参数相同；电路双电源供电，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）。

差分放大电路及其静态分析2．差分放大电路静态分析静态时，IC1=IC2≈IE，UC1=UC2=VCC－IC1Rc1

。

故：Uo=UC1－UC2=0。

电路完全对称的理想情况下，静态时，差分放大器具有零输入零输出的特点，不会产生零点漂移现象。

差分放大电路及其静态分析差分放大电路直流通路如图（b）所示。3．差分放大电路中的信号1）差模信号和差模放大倍数

差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即ui1＝－ui2。共模信号与差模信号差模输入时，ui1＝uid1，ui2＝uid2＝-uid1，而电路的差模输入信号uid为两个差模输入信号之差，即uid=uid1-uid2=2uid1，故uid1=-uid2=uid/2。

把输入差模信号时的电压放大倍数称为电路的差模电压放大倍数，用Aud表示，即

Aud＝uod/uid，或

uod＝Aud

uid。2）共模信号和共模放大倍数

共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即ui1＝ui2。

共模信号与差模信号

两个共模输入信号均用uic表示。共模输入时，电路的共模输入信号就是uic，此时uic=ui。

把输入共模信号时的电压放大倍数称为电路的共模电压放大倍数，用Auc表示，即Auc=uoc/uic，或uoc=Auc

uic。

3．差分放大电路中的信号3）任意信号的分解

一般情况下，差分的两输入端信号ui1和ui2是任意的，这时它们之中就含有差模信号和共模信号的成分。此时，若将ui1和ui2改写成差分放大电路及其静态分析由此可知，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，即解联立方程

，得：

同理，差分两个输出端电压uo1和uo2也可以分解为差模信号和共模信号之和。根据叠加定理，电路总的输出电压uo应为输入信号中差模成分和共模成分单独输入时的输出电压uod和uoc之和，但通常uod＞＞uoc，故

uo=uod+uoc＝Aud

uid+Auc

uic≈Aud

uid＝Aud（ui1-ui2）

上式表明，差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。因输出电压与两管输入电压之差成正比，差分放大电路因此而得名。差分放大电路及其静态分析差分放大电路输入动态分析主讲人：弥锐双端输入双端输出差分放大电路如下图所示。差模输入动态分析双端输入双端输出差分放大电路的差模交流通路如下图所示。1.双端输入双端输出差分放大电路动态分析

接上负载的双端输入双端输出差分放大电路的差模交流通路如图所示。差模输入动态分析由图可见，每管的交流负载

，故差模电压放大倍数式中，Au1为单管共射电路的电压放大倍数。输入电阻Rid则是从两个输入端看进去的等效电阻，为输出电阻Ro，为差模输入时单端输出差分放大电路动态分析请同学自行分析。双端输入双端输出差分放大电路的共模交流通路如图所示。共模输入动态分析2.双端输入双端输出差分放大电路动态分析由于电路对称，此时Δuc1=Δuc2，故RL中没有电流流过，可视为开路。由于电路参数的理想对称性，所以在输入共模信号时，总有所以，差动放大电路对共模信号具有抑制作用。共模输入时单端输出差分放大电路动态分析请同学自行分析。3.共模抑制比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共模抑制比趋向于无穷大。差分放大电路输入信号的动态分析谢谢！集成运算放大器概述主讲人：弥锐1．集成运算放大器内部电路框图

集成运算放大器由输入级、中间放大级、功率输出级和偏置电路组成，如图所示。为了减少零漂和抑制共模干扰信号，采用高性能的恒流源差动放大电路作输入级。运放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。输出级大多采用复合管构成的共集电路构成。偏置电路用来为各级放大电路提供合适的偏置电流。集成运算放大器概述2．集成运算放大器的外形及图形符号

集成运算放大器的外形及图形符号如图所示。

（a)圆壳式

（b)双列直插式

（c)扁平式

（d)图形符号集成运算放大器概述3．集成运算放大器的分类

1）按其用途分类

（1）通用型集成运算放大器

（2）专用型集成运算放大器2）按其供电电源分类

（1）双电源集成运算放大器

（2）单电源集成运算放大器。集成运算放大器概述

3）按其制作工艺分类

（1）双极型集成运算放大器

（2）单极型集成运算放大器

（3）双极-单极兼容型集成运算放大器

4）按运放级数分类

（1）单运放

（2）双运放

（3）三运放

（4）四运放集成运放内部框图与电路符号4．理想集成运算放大器的概念理想运放具有以下特性：1）开环差模电压放大倍数Aud→∞2）开环差模输入电阻rid→∞3）开环差模输出电阻rod→04）输入失调电压UIO=05）输入失调电流IIO=06）共模抑制比KCMR→∞7）频带宽度BW→∞理想运放概念及主要参数5．集成运算放大器的主要参数

1）差模开环直流电压增益Aud

Aud=∆Uo/∆Uid差模开环电压增益一般用分贝（dB）为单位，可用下式表示

Aud（dB）=20lg（∆Uo/∆Uid）（dB）2）最大输出电压Uopp

3）输入失调电压UIO4）输入失调电流IIO5）最大差模输入电压Uidmax理想运放概念及主要参数6）最大共模输入电压Uicmax7）共模抑制比KCMR

集成运放工作在线性区时，其共模抑制比，KCMR=Aud/Auc若以分贝为单位时，KCMR由下式表示为：KCMR=20lg(Aud/Auc)dB8）输出电阻rO9）差模输入电阻rid理想运放概念及主要参数谢谢！集成运算放大器应用主讲人：弥锐1.集成运算放大器的电压传输特性

集成运算放大器的传输特性曲线如图所示。由该传输特性曲线可知：理想集成运算放大器的工作范围有两种，即线性区和非线性区。集成运算放大器应用1.集成运算放大器的电压传输特性

集成运放工作在线性区时，其输出电压与两个输入端的电压差之间存在线性关系，即

uo=Aud(u+-u-)

如果输入端电压的幅度比较大，则集成运放的工作范围将超出线性放大区域进入非线性区，此时集成运放的输出、输入信号之间将不满足上式所示的关系式。集成运算放大器应用2.集成运算放大器的线性应用

集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。假设电路中的集成运放为理想元件，则由于集成运算放大器的Aud→∞，则

uid=uod/Aud≈0由uid=u+-u-，得

u+≈u-

即“虚短”。由集成运算放大器的输入电阻Rid→∞，得

i+=i-≈0即“虚断”。集成运算放大器应用3.集成运算放大器的非线性应用

假设电路中的集成运放为理想元件，当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器的Aud→∞，只要有微小电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线性区。集成运放开环工作状态电路如图所示。

集成运算放大器应用3.集成运算放大器的非线性应用

集成运算放大器非线性工作状态的特点：（1）电路输出电压只有两种状态，不是正饱和电压VOH，就是负饱和电压VOL。当同相端电压大于反相端电压，即u+＞u-时，uo=VOH；当同相端电压小于反相端电压，即u+＜u-时，uo=VOL。（2）因为集成运算放大器的输入电阻Rid→∞，所以电路同样存在“虚断”现象，即i+=i-≈0集成运算放大器应用谢谢！反馈网络及其分类主讲人：弥锐1.反馈的基本概念

将电子系统的输出信号的一部分或全部，经过反馈网络送回到输入回路，与原来的输入信号共同控制该电子系统，这样的作用过程称为反馈。如图所示。反馈网络及其分类2.反馈电路框图

有反馈的电子系统称为反馈电子系统，其组成框图如图所示。

图中A代表没有反馈的放大电路，F代表反馈网络。

符号

代表信号的比较环节。

、

、

和

分别表示电路的输入量、反馈量、净输入量和输出量，它们可以是电压，也可以是电流。反馈网络及其分类3.反馈深度和深度负反馈基本放大电路放大倍数为：反馈网络的反馈系数为：由于，所以反馈放大电路的放大倍数可以用表示为此式反映了放大电路的基本关系，其中1+AF是描述反馈强弱的物理量，称为反馈深度。反馈网络及其分类式

中，若：AF

>>1，即负反馈较深，这种反馈称为深度负反馈，此时则有反馈网络及其分类4.反馈的分类

根据分析问题的角度不同，反馈的种类也有不同的划分方法。根据反馈的性质，可以分为正反馈和负反馈。根据反馈信号的性质，可以分为交流反馈和直流反馈。根据反馈输入端的连接方式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。根据反馈输出端的连接方式的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。反馈网络及其分类谢谢！正负反馈与交直流反馈主讲人：弥锐1．正反馈和负反馈1）定义

如果反馈信号削弱输入信号，使净输入信号减少，导致放大倍数减小，这种反馈称为负反馈；反之，放大电路引入的反馈信号使放大电路的净输入信号增加的反馈称为正反馈。

负反馈使放大电路的性能得到改善，因此应用极为广泛，常把负反馈简称为反馈。正负反馈与交直流反馈2）极性判别方法对于交流电路，通常采用瞬时极性法来判断反馈的极性，方法如下：（1）先假设放大电路输入信号对地的瞬时极性呈上升的趋势。（2）按照信号在放大电路、反馈电路的传递路径，逐级标出有关点的瞬时极性。（3）在放大电路的输入回路中比较反馈信号和输入信号的极性，看净输入量是增加还是减小，从而确定是正反馈还是负反馈。正负反馈与交直流反馈2．直流反馈和交流反馈1）定义

在放大电路中存在有直流分量和交流分量，若反馈信号是交流量，则称为交流反馈，它影响电路的交流性能；若反馈信号是直流量，则称为直流反馈，它影响电路的直流性能，如静态工作点。若反馈信号中既有交流量又有直流量，则反馈对电路的交流性能和直流性能都有影响。正负反馈与交直流反馈图中，Re既存在于交流通路，也存在于直流通路，所以该电路既有交流反馈，也有直流反馈。2．直流反馈和交流反馈2）判别方法

画出放大电路直流通路和交流通路，在直流通路中存在的反馈称为直流反馈；在交流通路中存在的反馈称为交流反馈；交、直流通路中都存在的反馈则为交、直流反馈。正负反馈与交直流反馈谢谢！电压电流反馈与串并联反馈主讲人：弥锐1．电压反馈和电流反馈1）定义

反馈信号取自输出电压（称为电压采样），这种反馈称为电压反馈，

如图（a）所示；反馈信号取自输出电流（称为电流采样），这种反馈称为电流反馈，如图（b）所示。电压电流反馈与串并联反馈（a）电压反馈（b）电流反馈2）判别方法：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。（a）电压反馈（b）电流反馈电压电流反馈与串并联反馈2．串联反馈和并联反馈1）定义串联反馈：反馈信号送到输入端是以电压相加减形式出现，如图（a）所示。并联反馈：反馈信号送到输入端是以电流相加减形式出现，如图（b）所示。（a）串联反馈（b）并联反馈电压电流反馈与串并联反馈2）判别方法

若反馈信号与输入信号不在输入端的同一个节点引入，则为串联反馈，如图（a）所示；如果反馈信号与输入信号在同一个节点引入，则为并联反馈，如图（b）所示。（a）串联反馈（b）并联反馈电压电流反馈与串并联反馈谢谢！主讲人：弥锐电压串联与电压并联负反馈1．电压串联负反馈

电压串联负反馈电路能够稳定输出电压。其电路图如图(a)所示。电压串联与电压并联负反馈（a）在图(a)所示的电压串联负反馈放大电路中，由R1和Rf构成输入和输出之间的反馈通路，存在反馈。若将负载RL短路，则uo=0、uf=0，反馈不存在，所以是电压反馈。如果把输入回路反馈节点对地短路，输入信号仍能够加到基本放大电路中去，因而是串联反馈。2．电压并联负反馈

电压并联负反馈电路可以提高电路的稳定性和可靠性。其电路图如图(b)所示。电压串联与电压并联负反馈（b）

在图(b)所示的电压并联负反馈放大电路中，由Rf构成输入和输出间的反馈通路，存在负反馈。在电路中引入反馈回路后，输出信号会被送回到输入端，与输入信号进行比较，从而实现对电路的自动调节。这样可以有效地抑制电路中的噪声和干扰信号，提高电路的稳定性和可靠性。谢谢！主讲人：弥锐电流串联与电流并联负反馈1．电流串联负反馈

电流串联负反馈电路图如图(a)所示。电流串联与电流并联负反馈（a）

图(a)所示电路中，Rf构成输入和输出之间的反馈通路，存在反馈。从电路输出端看，若将输出端短路（Rf短路），显然反馈信号存在，电路是电流反馈；从电路的输入端看，反馈网络的出口与信号源串联，因此为串联反馈。所以，图（a）为电流串联负反馈电路。2．电流并联负反馈

电流并联负反馈电路图如图(b)所示。

从电路的输出端看，若将输出端短路（将RL短路），显然反馈信号还存在，电路是电流反馈；从电路的输入端看，若将输入端短路，反馈信号消失，说明是并联反馈，所以图（b）为电流并联负反馈电路。电流串联与电流并联负反馈（b）谢谢！负反馈对放大电路性能的影响主讲人：弥锐1．提高放大倍数（增益）的稳定性放大器的放大倍数是由电路元件参数决定的。通常在放大器中引入负反馈，用以提高放大倍数的稳定性。放大倍数的稳定性可用放大倍数的相对变化量来衡量。闭环增益的相对变化量为：负反馈对放大电路性能的影响2．减少非线性失真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。负反馈对放大电路性能的影响3．扩展通频带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。放大电路的幅频特性如图所示。负反馈对放大电路性能的影响4．改变输入电阻和输出电阻

1）串联负反馈使输入电阻增大负反馈对放大电路性能的影响

引入串联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=(1+AF)Ri

2）并联负反馈使输入电阻减小

引入并联负反馈后的输入电阻为未引入负反馈电路输入电阻的1/1+AF倍，即

Rif=Ri/(1+AF)串联负反馈并联负反馈4．改变输入电阻和输出电阻

3）电压负反馈使输出电阻减小负反馈对放大电路性能的影响电压负反馈电流负反馈

引入电压负反馈后的输出电阻为未引入负反馈电路输出电阻的1/（1+AF）倍，即

Rof=Ro/(1+AF)

4）电流负反馈使输出电阻增大

引入电流负反馈后的输出电阻为未引入负反馈电路输出电阻的1+AF倍，即

Rof=Ro(1+AF)谢谢！反相输入比例运算电路主讲人：弥锐

反相输入比例运算电路为了保证集成运放差动输入级的静态平衡，要求平衡电阻反相输入比例运算电路，如图所示：（a）反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路根据运放输入端“虚断”，可得

i+

=

0，故

u+

=

0。根据运放输入端“虚短”，可得

u-

=

u+

=

0，因此，由图可得：根据运放输入端“虚断”，可得

i-

=

0，则有

i1=

if，所以故可得输出电压与输入电压的关系为：（a）

反相输入比例运算电路反相比例运算电路主要有如下特点：(1)它是深度电压并联负反馈电路，调节Rf、R1比值即可调节放大倍数Auf。(2)输入电阻等于R1。(3)u-=u+=

0，所以运放共模输入信号uic=0，

对集成运放KCMR的要求较低。(4)

当

时，

，称为反相器。（a）谢谢！主讲人：弥锐同相输入比例运算电路

同相输入比例运算电路为了保证集成运放差动输入级的静态平衡，要求平衡电阻（a）同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路，如图（a）所示:同相输入比例运算电路根据运放输入端“虚断”，可得

，故有

，可得：由于

，所以可求得输出电压

uo与输入电压

ui

的关系为：可见

uo

与

ui

同相且成比例，故称为同相比例运算电路，其比例系数为：（a）

同相输入比例运算电路如取

或

时，则可得

Auf

=1，

，这种电路称为电压跟随器，如图（b）所示：根据运算同相端“虚断”可得，同相比例运算电路的输入电阻为：

rif=∞同相比例运算电路主要有如下特点：(1)

它是深度电压串联负反馈电路，调节Rf、R1的比值就可调节放大倍数Auf，

电压跟随器是它的应用特例。(2)

输入电阻趋于无穷大。（a）同相输入比例运算电路（b）电压跟随器谢谢！加法运算电路主讲人：弥锐

加法运算电路图（a）反相加法运算电路1.反相加法运算电路

反相输入加法运算电路是利用反相比例运算电路实现的，如图（a）所示:根据运放反相输入端“虚断”，可知

if=i1

+i2又因运放反相运用时输入端“虚地”，即:

u-=0因此，上式可写成：则输出电压为：加法运算电路图（a）反相加法运算电路若

R1=R2=R，则:若

R1=R2=Rf

，则

：

加法运算电路图（b）同相加法运算电路2.同相加法运算电路同相输入加法运算电路是利用同相比例运算电路实现的，如图（b）所示：根据运放同相端“虚断”，应用叠加原理可求

u+为:根据输入与输出同相的关系，可得:加法运算电路图（b）同相加法运算电路若R2=R3=R4，2R1=Rf，则上式可简化为:谢谢！减法运算电路主讲人：弥锐

减法运算电路图（a）减法运算电路减法运算电路减法运算电路如图（a）所示，电路实际上是由单级运放构成的差动放大器。图（a）中，输入信号ui1、ui2分别加至反相输入端和同相输入端。对该电路同样用“虚短”和“虚断”来分析。

减法运算电路

首先，设ui1单独作用，而ui2=0，此时电路相当于一个反相比例运算电路，可得ui1

产生的输出电压uo1为：

同理，设ui2单独作用，而ui1=0，则电路成为同相比例运算电路，可得ui2产生的输出电压uo2为：应用叠加原理，可求得总输出电压为：

减法运算电路图（a）减法运算电路当

时，则：

上式中

，若Rf

=R1，则：

可见，电路实现了减法运算。谢谢！简单电压比较器主讲人：弥锐

简单电压比较器简单电压比较器电路图简单电压比较器电路如图所示。简单电压比较器

简单电压比较器

比较器的输出状态发生跳变的条件是：ui=UREF，通常把输出状态发生跳变时的输入电压值称为阈值(或门限电压)，用UTH表示，即UTH=UREF。简单电压比较器的特点是只有一个阈值(也称作单限比较器)，当输入电压等于阈值时，输出状态发生跳变。

简单电压比较器

如果基准电压UREF=0，那么当输入信号ui等于零时，输出电压uo就会发生跳变，这种比较器又称为过零比较器。其传输特性如图(c)所示。谢谢！滞回电压比较器主讲人：弥锐

滞回电压比较器滞回电压比较器滞回电压比较器的构成是在简单电压比较器中加正反馈来实现的，电路如图所示。滞回电压比较器由图知，同相输入端电压

u+为：反相输入端电压

ui

=u-当

u+=u-

时，输出电压发生跳变，此时的输入电压值就是阈值，且阈值随输出电压的变化而变化。滞回电压比较器

当uo=UOH

时，当uo=UOL时，由以上式子可知，当比较器的输出分别为高、低电平时，u+

就有两个不同的值，即比较器具有两个阈值。uo

由高电平变到低电平的阈值为UTH1，uo

由低电平变到高电平的阈值为UTH2。滞回电压比较器若图（a）中的同相输入端不接地，而接一个UREF时，运用叠加定理，当UREF单独作用时有：当uo单独作用时，所以：滞回电压比较器因即为跳变条件，故此时u+的输入电压值就是阈值，即：若此时输出电压uo=UOH，则阈值：当ui>UTH1时，输出电压由高电平跳变到低电平UOL，此时阈值变为：当ui<UTH2时，输出电压由低电平跳变到高电平UOH，当UTH2<ui<UTH1

时，输出电压保持原来的状态不发生变化。比较器的传输特性如图(b)所示。谢谢！窗口电压比较器主讲人：弥锐

窗口电压比较器窗口电压比较器

简单电压比较器和滞回电压比较器的共同特点是：当ui单方向变化时，uo只跳变一次，只能检测一个电平。如果要判断

ui

是否在两个电平之间，必须采用窗口比较器，其电路如图（a）所示。窗口电压比较器若ui>UREFH，则uo1为高电平，二极管VD1导通；此时由于ui

>UREFL，故uo2为低电平，VD2截止。显然，输出电压uo≈uo1为高电平，窗口比较器相当于一个同相输入简单电压比较器。若u