电子技术基础——电路与模拟电子(第8章).ppt

1、重点难点,重点：集成运算放大器电路分析方法； 难点：理解差模信号和共模信号； 差放电路抑制共模信号的原理； 差放电路的分析；,8 集成运算放大器及其应用,集成电路的特点,电路结构与元件参数对称性好 电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用BJT的发射结构成。 不能制作大电阻。电阻用BJT的体电阻（Rb）代替，大电阻恒流源代替； 不能制作大电容。电容用BJT结电容代替，大电容只能外接； 级间采用直接耦合方式 采用复合管,集成电路：将二极管、三极管、电阻等器件及导线共同制作在一块半导体基片上完成特定的功能的电子电路。,耦合方式：阻容耦合；直接耦合；变压器耦合；光电耦合。,多级

2、放大电路,耦合：即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1). 静态：保证各级Q点设置,2). 动态: 传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,集成运算放大器主要采用直接耦合,8.0 零点漂移,ui1,ui2,差动放大电路的引入,抑制零点漂移,uo= uC1 - uC2 = 0,uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时：,当温度变化时：,8.1 差动放大电路,共模抑制比,差分式放大电路中的一般概念,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,差模信号输出,共模信号输出,Vi1与vi2大小相等,方向相反,

3、Vi1与vi2大小相等,方向相同,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,1、电路组成,uo,+UCC,RC,T1,RB,RC,T2,RB,ui2,RE,UEE,IC1= IC2= IC= IBQ,UC1= UC2= UCCICRC,UCE1= UCE2 = UC1UE1,IB,IC1,IC2,IB,2IE,忽略IBRb,3.共模输入信号,RE对共模信号起作用，并且iRE=2ie1。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,零点漂移是共模信号,4. 差模输入,均压器,RE 对差模信号作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1

4、+ ie2 = 0,uRE = 0,RE对差模信号不起作用,差动放大倍数,uo=uc1-uc2 =-uc1-uc2 =-2uc1,RB用于提高Ri,2、输入电阻,3、输出电阻,4、共模放大倍数,5、共模抑制比,不考虑RW时：Rid=2(RB+rbe),Rod=2Rc,KCMR=,例1： 已知下图 所示差分放大电路的 UCC = UEE = 12 V ，RC = 3 k，RE = 3 k，硅晶体管的 = 100 ，求：（1）静态工作点；（2）Ui = 10 mV，输出端不接负载时的UO ； （3） Ui = 10 mV ,输出端接 RL= 3 k 负载时的 UO 。,（3）接负载时的差模放大倍数

5、,当Ui = 10 mV 时，,？,思 考 题,答：,两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？,end,输入端漂移电压为 0.2 mV,输入端漂移电压为 0.002 mV,A1不可以，,A2可以,8.1.2 差动放大电路的4种接法 差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以信号的输入、输出方式有4种情况。现分别叙述如下： 1.双端输入、双端输出,2.双端输入、单端输出,3.单端输入、双端输出,4.单端输入、单端输出,图8.12 差动放大电路的4种接法,8.1.3 恒流源差动放大电路,长尾差动电路的Re提高了共模抑制能力，且Re越大效果越好。但Re增大，其上的直流电压增大，为保证管子正，常工

6、作，必须提高UEE，不合算。希望有一种器件交流电阻大而直流电阻小。恒流源有此特性。,例：如左图电路。,已知差动放大电路中，1=2=50，rbe1=rbe2=1.5k，vBE1=vBE2=0.7V，Rw忽略。,Rw的滑动头位于中点，试估算： 静态工作点Ic1、 Ic2、 ve1、 ve2 差模电压增益Avd 差模输入电阻Rid、输出电阻Rod,解：,(1) VDZ=VBE3+IC3Re3,IC3=IE3=2.03mA,IE1=IC1=0.5IC3=1.01mA,IB1=IC1/=0.02mA,VE1=VE2=0- IB1Rb1- VBE1 =0-0.021-0.7 =-0.72V,静态时输入信号

7、Vi对地短路,解：,(3) Rid=2(RB+rbe) =5k,Rod=2Rc=10k,（2）,1. 集成运放内部组成框图,8.2 理想集成运算放大器,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路，抑郁温漂。要求Ri大，Avd大， Avc小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,通用型集成电路运算放大器F007,8.2.1 理想集成运放的电路模型,1.开环差模电压放大倍数Aod= 2.差模输入

8、电阻Rid= 3.共模抑制比CMRR = 4.输出电阻Ro=0 5.输入偏置电流、输入失调电路、 失调电流及温漂均为零,反相输入端信号从反相输入，则输出信号与输入信号反相，又表示为VN,同相输入端信号从同相输入，则输出信号与输入信号同相，又表示为VP,u,u+,国内符号,国际符号,uo,+UOM,Ao越大，线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,8.2.2 理想运放的特性,因此，引入深度负反馈是集成运放实现线性应用的必要条件。,1、线性区:,线性区,2、饱和区：,饱和区,电压传输特性,1、理想运放工作在非线性区,+UOM,-UOM,输出进入正饱和,uo=+Uom,输出进入负饱和，uo

9、=-Uom,2、理想运放工作在线性区,“虚短路”,“虚断路”,为提高精度，一般取,1. 比例运算电路,电压并联负反馈,由第7章可知，电路为负反馈电路。,即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。,（1）反相比例运算电路,利用虚短和虚断得,运算放大器输入端共模信号很小 运算电路输入电阻较小,由于运放的增益一般有 ，,所以,虚地,8.3 运算电路,R2=R1/Rf,ri=R1 Ro=0,1. 比例运算电路,电压串联负反馈,（2）同相比例运算电路,利用虚短和虚断得,运算放大器输入端共模信号较大 运算电路输入电阻很大,输出与输入同相,输出与输入反相,电压跟随器,ri=,从结构上看，它是反相输入和同相

10、输入相结合的放大电路。,（3）差动比例电路,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和KCL得：,8.3.2 加减运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和与反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,1. 反相加法电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,可得,例：用集成运放实现如下函数,如Rf=100k，电路如下图，只要选取,ri=50k100k20k12.5k,2. 同相求和电路,而U+通过下式求出：,(840),(841),该式必须在R=R

11、的前提下才成立。当改变某一路的电阻时，必须改变其它路电阻，以满足R=R关系，所以调节远不如反相求和电路方便。同时，同相求和电路的共模输入信号大，故同相求和电路远不如反相求和电路用得广泛。,3. 减法电路,第一级反相比例,第二级反相加法,（1）利用反相信号求和以实现减法运算,即,当 时,得,（减法运算）,4. 单运放的加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,虚短路,虚开路,虚开路,该电路只用一只集成运放，故成本低，但电阻计算和 电路调整均不方便。,由于理想集成运放输出电阻ro=0，所以多级集成运放相连时，后级对前级基本不影响，计算十分方便。,由于两级集成运放组成

12、和差电路时，均采用反相求和电路，均存在虚地，共模输入信号均为零，所以对集成运放共模抑制比要求低，且电阻计算十分方便，电路调整容易。,例: 同相加法电路，求输出电压vo表达式。若R1=R2=R3=R4时，求vo值。,例：设所有运放为理想运放，求vo1、 vo2、 vo3、 vo的表达式。当R1=R2=R3=R4时，求vo值。,例 两级运算电路如图 所示。(1) 试推 导 uo 与 ui1、ui2、ui3 的运算关系；(2) 若: R1= R2= Rf1= 30 k， R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k，ui1= 0.1 V，ui2= 0.2 V，ui3= 0.3 V，求

13、uo 的值。,uo1,解 (1),第一级运算为加法运算：,(2),uo=,ui3 +,ui2 + ui1,=(0.3 + 0.2 + 0.1) V,= 0.6 V,或由,得,8.2.3 积分和微分电路,式中，负号表示vO与vS在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,即,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,当vS为阶跃电压时，有,1. 积分电路,vO与 t 成线性关系,u= u+= 0,2、微分运算,例、已知下图所示各电路中的集成运放均为理想运放。 1. 试说明各运放组成何种电路； 2. 试分别求解各电路的运算关系。,解：图（a）所示电路

14、A1为求和运算电路、 A2为积分电路。,练习、 电路如下图所示，集成运放输出电压的最大幅值为14V，填表。,解：uO1(Rf /R) uI10 uI，uO2(1+Rf /R ) uI11 uI。当集成运放工作到非线性区时，输出电压不是14V，就是14V。,练习、 在下图（a）所示电路中，已知输入电压uI的波形如图（b）所示，当t0时uO0。试画出输出电压uO的波形。,解：输出电压的表达式为,若t0时uO0，则t5ms时 uO10055103V2.5V。,当uI为常量时,当t15mS时 uO100(5)10103（2.5）V2.5V。因此输出波形如下图所示。,P334例8.1.2，自己学习。,8

15、.5 电压比较器,电压比较器(简称比较器)的功能是比较两个电压的大小，通过输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压的大小关系。电压比较器可以用集成运算放大器组成，也可采用专用的集成电压比较器。电压比较器一般具有两个输入端和一个输出端。其输入信号通常是两个输入信号，一般情况下，其中一个输入信号是固定不变的参考电压，另一个输入信号则是变化的信号电压。,而输出信号只有两种可能的状态，即高电平或低电平。我们可以认为，比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是数字量，即“0”或“1”。因此，比较器可以作为模拟电路和数字电路的“接口”，并广泛用于模拟信号/数字信号变换、数字仪表、自动控制和自动检

16、测等技术领域，另外，它还是波形产生和变换的基本单元电路。电压比较器中的集成运算放大电路通常均工作在非线性区，即满足如下关系： U-U+ 时 Uo=UoL U-U+ 时 Uo=UoH,8.9.1 简单电压比较器 uiUR uo=UoL uiUR uo=UoH,例5 电路如上图(a)所示，输入ui为正弦波，试画出输出波形。,当UR0,图8.55 具有输入保护和输出,当UR=0时,8.9.2 滞回比较器 简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，即如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则输出电压将反复地从一个电平变化至另一个电平，用此输出电压控制电机等设备，将出现频繁地动作，这是不允许

17、的。,滞回比较器能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点。滞回比较器如下图。图为同相滞回比较器。滞回比较器具有两个阈值。,按集成运放非线性运用特点，从式(869)、(870)可估算阈值。输出电压发生跳变的临界条件为,图8.57(a)估算过程如下：,(871),(872),U-=U+所对应的ui值就是阈值，由式(871)和(872) 得阈值为,(873),当uo=UoL时得上阈值,当uo=UoH时得下阈值,例6 滞回比较器如图8.57(a)所示，其上、下阈值及输入波形如图8.59(a)所示，试画出输出波形。 解：t=t1时， ，所以输出为UoL，中间虽然ui在0V处多次变化，但因其值均在阈值之间，故输出电压不会来回变化。直至 ，输出才由低电平UoL变为高电平UoH,其输出波形如图8.59(b)所示。由波形可看出，滞回比较器具有很强的抗干扰能力，显然 相差愈大其抗干扰能力愈强，称为 “回差”。,图 8.59,例8-7 滞回电压比较器电路如下图所示，已知稳压管的稳定电压UZ=6V，R1=10k，R2=20k，UREF=3V，求该电路的门限电压。,解： 此电路为同相输入滞回电压比较器。根据理想运放非线性应用时“虚断”的性质，有u-=UREF。当u-=u+时，输出电压发生跃变。根据叠加定理，求解门限电压的表达式为,解出上式中的ui，得,当uo=-UZ时，得上限门限