差动放大电路及运放课件

(4-*)

差動放大電路及運放

(4-*)4.1.1直接耦合電路因為電容的隔直作用以及低頻時容抗加大，所以阻容耦合只適用於放大頻率較高的交流信號。對於直流信號和低頻信號，阻容耦合已不適用，必須採用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能夠放大直流信號（包括慢變信號和低頻信號）的放大器稱為直流放大器。(4-*)+UCCuoRC2T21.前後級Q點相互影響。（須增加RE2）問題:uiRC1R1T1R2RE22.零點漂移:前一級的溫漂將作為後一級的輸入信號，被一級級放大，導致後級飽和或截止。（須增加兩級之間的直流負回饋）直接耦合放大器的級聯(4-*)1.結構:對稱性結構4.1.2基本型差動放大器+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2(4-*)2.優點：抑制溫漂原理如下:uo=uC1-uC2

=0uo=(uC1+

uC1

)-(uC2+

uC2)=0當ui1

=

ui2

=0時，當溫度變化時：對稱性uC1=uC2

uC1=

uC2+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2(4-*)3.共模電壓放大倍數ACuo=uC1-uC2

+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC2

當ui1=ui2（大小相等，極性相同），共模輸入信號

設ui1

，ui2

，使uC1

，uC2

。因ui1=ui2，

uC1=uC2

uo=0(理想化)。但因兩側不完全對稱，uo≠0共模電壓放大倍數AC=uoui1（很小，<1)(4-*)+UCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uC1uC24.差模電壓放大倍數Ad

當ui1=-ui2（大小相等，極性相反），差模輸入信號

(很大，>1)設ui1,ui2,使uC1,uC2

。設uC1=uC1-

uC1,uC2=uC2+

uC2

。因ui1=-ui2，

uC1=

uC2

uo=uC1-uC2=-

uC1-

uC2=-2

uC1

差模電壓放大倍數Ad=uoui1-ui2=uo2ui1

(4-*)5.共模抑制比(CMRR)的定義CMRR=20logdb(分貝)ACAd例:Ad=-200Ac=0.1CMRR=20log(-200)/0.1=66dbCMRR—CommonModeRejectionRatio(4-*)1.結構:4.1.3雙電源長尾式差放特點：加入射極電阻RE加入負電源-UEE，採用正負雙電源供電+UCC(+15V)RCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2-UEE（-15V）RE(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）RE2.雙電源長尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用雙電源的作用：（1）使信號變化幅度加大。（2）IB1、IB2由負電源-UEE提供，可以取消R1和RB四個電阻，且使基極的直流靜態電位=0(4-*)雙電源長尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用射極電阻RE的作用：T°C

IC1

IC2

IE

=IC1+IC2UE

=IERE+（-UEE）UBE1

、UBE2

IB1

、IB2

IC1

IC2

uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流負回饋，穩定靜態工作點(4-*)射極電阻RE的作用：（2）RE對共模信號有抑制作用（原理同上，即由於RE的負回饋作用，使IE基本不變）（3）RE對差模信號相當於短路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REIEui1=-ui2，設ui1

,ui2

ib1

,ib2

ie1

,ie2

ie1=-ie2

IE不變

結論：IE具有恒流特性用恒流源代替RE

，可使電路進一步改善(4-*)放大倍數(1)共模信號輸入ui1=ui2共模電壓放大倍數AC=uoui1(2)差模信號輸入ui1=-ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2差模電壓放大倍數Ad=uoui1-ui2=–

RCrbe

(4-*)放大倍數ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2(3)如果ui1≠

ui2ud差模分量:2ui1-

ui2=共模分量:uC2ui1

+

ui2=ui1

=uC+

udui2=uC-

ud

疊加分解uC+

uduC-

ud結論:當兩輸入端有任意輸入時,相當於共模輸入和差模輸入共存(4-*)放大倍數ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2uC+

uduC-

ud只考慮共模輸入時:uoC=ACuC只考慮差模輸入時:

uod=Ad(2ud)總輸出:

uo=uoC+uod=ACuC+Ad(2ud)

Ad(2ud)=Ad(2

)=Ad(ui1-

ui2)2ui1-

ui2ud2ui1-

ui2=uC2ui1

+

ui2=(4-*)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2總輸出:

uo=Ad(ui1-

ui2)反相輸入端u-同相輸入端u_+放大倍數單端輸入:當ui2=0時,雙端輸入uo=Adui1(4-*)§4.2負回饋凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為回饋。若引回的信號削弱了輸入信號，就稱為負回饋。若引回的信號增強了輸入信號，就稱為正回饋。這裏所說的信號一般是指交流信號，所以判斷正負回饋，就要判斷回饋信號與輸入信號的相位關係，同相是正回饋，反相是負回饋。4.2.1負回饋的概念(4-*)回饋放大器輸出輸入取+加強輸入信號正回饋用於振盪器取-削弱輸入信號負回饋用於放大器開環閉環負回饋的作用：穩定靜態工作點；穩定放大倍數；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴展通頻帶回饋網路±迭加回饋信號實際被放大信號(4-*)基本放大電路Ao回饋網路F放大：迭加：負回饋框圖：AO稱為開環放大倍數+–

回饋：AF稱為閉環放大倍數AF=Xo/Xi輸出信號輸入信號回饋信號差值信號負回饋放大器F稱為回饋係數設Xf與Xi同相(4-*)負回饋放大器的一般關係閉環放大倍數：放大：回饋：迭加：AF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)=XoAo11Ao+F=Ao1+AoF(4-*)AF=Ao1+AoF負回饋放大器的閉環放大倍數當Ao很大時,

AoF»1,AF

1F結論:當Ao很大時,負回饋放大器的閉環放大倍數與電晶體無關,只與回饋網路有關。即負回饋可以穩定放大倍數。回饋深度(4-*)4.2.2負回饋的類型及分析方法一、負回饋的類型負回饋交流負回饋直流負回饋電壓串聯負回饋電壓並聯負回饋電流串聯負回饋電流並聯負回饋作用：穩定靜態工作點穩定放大倍數；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴展通頻帶作用(4-*)1、交流回饋與直流回饋交流回饋：回饋只對交流信號起作用。直流回饋：回饋只對直流起作用。若在回饋網路中串接隔直電容，則可以隔斷直流，此時回饋只對交流起作用。在起回饋作用的電阻兩端並聯旁路電容，可以使其只對直流起作用。有的回饋只對交流信號起作用；有的回饋只對直流信號起作用；有的回饋對交、直流信號均起作用。二判斷回饋類型的分析方法(4-*)增加隔直電容C後，Rf只對交流起回饋作用。注：本電路中C1、C2也起到隔直作用。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1C(4-*)增加旁路電容C後，Rf只對直流起回饋作用。C+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1(4-*)2、判斷回饋極性的方法暫態極性法來判斷回饋的極性

設放大器輸入端的暫態值為正極性，然後沿回饋環路逐級判斷回饋到輸入端信號的暫態極性，如果回饋信號增強了輸入信號的作用，則為正回饋，否則為負回饋

(4-*)3、判別負回饋類型的方法1)判斷電壓回饋還是電流回饋如果輸出端短路（ＲL＝０）,回饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓回饋，否則為電流回饋基本放大器

A(s)Uo回饋網路B(s)UoIo基本放大器

A(s)Uo回饋網路B(s)Io(參考)一般uo的正端加在回饋網路上則為電壓回饋，否則為電流回饋(4-*)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,回饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為並聯回饋。否則為串聯回饋。基本放大器

A(s)Ui回饋網路B(s)IiIdIf基本放大器

A(s)回饋網路B(s)UfUdUi(參考)一般ud的正端和回饋網路相接則為並聯回饋，否則為串聯回饋2)判斷並聯回饋還是串聯回饋(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1回饋網路電阻Rf和Re2

iiidif(參考)一般uo的正端加在回饋網路上則為電壓回饋，否則為電流回饋電流回饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,回饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓回饋，否則為電流回饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,回饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為並聯回饋。否則為串聯回饋。並聯回饋(參考)一般ud的正端和回饋網路相接則為並聯回饋，否則為串聯回饋負回饋電流並聯負回饋電路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1回饋網路電阻RfRe1和Re2

(參考)一般uo的正端加在回饋網路上則為電壓回饋，否則為電流回饋電流回饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,回饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓回饋，否則為電流回饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,回饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為並聯回饋。否則為串聯回饋。串聯回饋(參考)一般ud的正端和回饋網路相接則為並聯回饋，否則為串聯回饋正回饋電流串聯正回饋電路(4-*)uoRc1RsT1RLRc2RfT2Re2EcC3C2R1R2R4R3Re1C1回饋網路電阻Rf和Re1(參考)一般uo的正端加在回饋網路上則為電壓回饋，否則為電流回饋電壓回饋(a)如果輸出端短路（ＲL＝０）,回饋信號Ｘf＝０，則判斷為電壓回饋，否則為電流回饋(b)如果輸入端短路（Ｒs＝０）,回饋信號Ｘf加不到基本放大器輸入端，則判斷為並聯回饋。否則為串聯回饋。串聯回饋(參考)一般ud的正端和回饋網路相接則為並聯回饋，否則為串聯回饋負回饋電壓串聯負回饋電路(4-*)集成運放簡介及其線性、非線性應用4.3集成運算放大器主要授課內容第6講(4-*)集成運算放大器學習目的與要求1.瞭解和熟悉集成運算放大器的組成及其圖符號；2.掌握集成運放的理想化條件及其分析方法；3.理解集成運放的線性應用及其工作原理；4.瞭解一般集成運放的簡單非線性應用。(4-*)

1．集成運算放大器概述

集成運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結構具有共同之處，一般由四部分組成。4.3.1集成運算放大器(4-*)

輸入級一般是差動放大器，利用其對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和電路性能，輸入級有反相輸入端、同相輸入端兩個輸入端；中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些超載保護電路及高頻補償環節等輔助環節。(4-*)積體電路的幾種外形左圖所示為μA741集成運算放大器的晶片實物外形圖(4-*)1μA7412876543空腳正電源端輸出端調零端調零端反相輸入端同相輸入端負電源端集成運放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調零電位器外部接線圖(4-*)

2．集成運算的主要技術指標

指集成運放工作線上性區，接入規定的負載，無負回饋情況下的直流差模電壓增益。集成運放的Au0一般很高，約為104～107；

集成運放的差動輸入電阻很高，可高達幾十千歐和幾十兆歐；由於運放總是工作在深度負回饋條件下，因此其閉環輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間；（2）差模輸入電阻ri和輸出電阻r0

（1）開環電壓放大倍數Au0

(4-*)

指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（3）最大共模輸入電壓Uicmax(4-*)

3．理想集成運算及其傳輸特性理想特性集成運放的電壓傳輸特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M實際特性線性區飽和區Auo=∞、ri=∞、r0=0

為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數為：根據集成運放的實際特性和理想特性，可畫出相應的電壓傳輸特性。(4-*)

電壓傳輸特性給出了集成運放開環時輸出電壓與輸入電壓之間的關係。當集成運放工作線上性區（+U0M~－U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由於集成運放的電壓放大倍數相當高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態—使輸出電壓保持穩定。輸出、輸入電壓的關係：(4-*)

根據集成運放的理想化條件，可以導出兩個結論，作為集成運放在線性區工作的重要分析依據：（1）虛斷：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運放內部不需要向信號源索取任何電流，兩個輸入端的電流恒為零。電流為零相當於斷路，但實際上兩個輸入端並未真正斷開，因此稱為虛斷；（2）虛短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運放兩個輸入端的電位相等。兩點等電位相當於短路，實際上兩個輸入端並未真正短接，因此稱為虛短。(4-*)1.集成運放由哪幾部分組成，各部分的主要作用是什麼？2.理想運放的特點是什麼？3.工作線上性區的理想運放有哪兩條重要結論？何謂“虛斷”？“虛短”？(4-*)uo=Ao(u+–u－)

Ao

u+–u－

0u+

u－uo－＋＋

u－u+ib-ib+

u+

=u－（虛短）

ib-=

ib+=0

（虛斷）ri

ib-

0ib+

0集成運算放大器的分析方法輸出電壓變化範圍:最大+UCC~-UEE(4-*)集成運算放大器的分析方法:放大倍數與負載無關uo－＋＋

u－u+ib-ib+RL因為ro=0所以放大倍數與負載無關，放大倍數可以獨立計算。ro(4-*)運放線性運用信號的放大、運算恒壓源、恒流源電路有源濾波電路在運放的線性應用中，運放的輸出與輸入之間加負回饋，使運放工作於線性狀態。4.3.2集成運放的線性應用(4-*)模擬信號的放大和運算電路(1)反相比例運算放大器_+

+

RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虛地點i1=iF+

ib-=iF,ib-=0

ib+=0u+

=0

u－=u+=0平衡電阻(使輸入端對地的靜態電阻相等):RP=R1//RFF電壓放大倍數:iF(4-*)_+

+

RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例題1.R1=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應為多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k

(4-*)反相比例運算放大器輸入電阻及回饋方式：ri=R1輸入電阻(小):uo_+

+

RFR1RPuii1iFib-ib+回饋電阻回饋方式：電壓並聯負回饋i1=iF+

ib-

ib-=i1-iF(4-*)(2)同相比例運算放大器u-=u+=uiib+=0ib-=0_+

+

RFRfRPuiuoiFifAu=1+RFRfiF=ifRP=Rf//RFFfFf)(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoiFif例題2.Rf=10k

,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應為多大？uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7k

Au=1+=1+20/10=3RFRf(4-*)_+

+

RFRfRPuiuoAu=1+RFRf當RF=0時,Au=1uo=ui(3)電壓跟隨器此電路是電壓並聯負回饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。(4-*)(4)差動放大器_+

+

R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4-*)以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負回饋，因此輸出電阻都比較小。2.關於輸入電阻反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.以上放大器均可級聯,級聯時放大倍數分別獨立計算。(4-*)例題3.R1=10k

,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_+

+

R2R1R1R2ui1_+

+

ui2_+

+

R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V(4-*)例題3.若ui1=sin

tV，ui2=1V，求:uo

uo1=ui1=sin

tVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sin

t

)=6-2sin

tVR2R1(4-*)(5)反相求和運算：_+

+

RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虛地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R1//R2//RFuo_+

+

RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF(4-*)(6)同相求和運算：Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf當R1=R2

時,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++u

i1uoR1R2ui2-u+_+

+

RFRfRPuiuo(4-*)(7)微分運算：u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0(4-*)tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°(4-*)(8)反相積分運算i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(4-*)反相積分器：如果ui=直流電壓U,輸出將反相積分，經過一定的時間後輸出飽和。tui0Utuo0-UomTM積分時限=–tURC設Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒(4-*)反相積分器：如果ui=-U=-3V，畫出uo的波形圖。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒設Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F(4-*)應用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0三角波發生器將在第六章中講(4-*)（9）三運放電路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+(4-*)++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+三運放電路(續)ib1-ib2-ib+=0ib-=0,u-=u+,R、RW、R三個電阻可視為串聯(4-*)三運放電路(續)uoR1R1++A3R2R2uo1uo2++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=(4-*)三運放電路是差動放大器，放大倍數可調。由於輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。三運放電路的特點(4-*)例1:由三運放放大器組成的溫度測量電路uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui

ui=Rt-R2(Rt+R)URt熱敏電阻uo=

ui=Rt-R2(Rt+R)URt=f(T°C)集成化:儀錶放大器(4-*)例2.求電壓放大倍數Au=uo