节 集成运算放大器基础及负反馈电路.pptx
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1、本章教学目标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84页本章教学目标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。7、选学负反馈电路应用示例。第2页/共84页 差分放大电路(Differe
2、ntial 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84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。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)。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
3、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84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84页 典型的差动放大器电路如图所示,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
4、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84页图差动放大电路直流通路 三、静态分析 第7页/共84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。三、静态分析 第8页/共84页 共模信号、差模信号及放大倍数 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
5、对大小相等、极性相反的信号电压,即 ui1ui2uid=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84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84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
6、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 任意信号输入时,分解成uid和 uic,分别放大再叠加。即 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84页 例已知差动放大电路ui1=10.04V,ui2=9.96V,试求共模和差模输入电压。解:第12页/共84页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84页 一、双端输出电路的差模特性 图双端输出差分电路第14页/共84页 双端输出差分电路原理图如图(a)所示,其中输出负载RL接在两管集电极之间。在差模
7、输入电压下,两管集电极电流产生电流数值相等、极性相反的变化。即 由此产生以下结果:一是由输入差模电压产生在RL两端的信号电压数值相等、极性相反,从而使得RL中点电位必然交流接地;二是两管集电极电流共同通过Re时,仅有静态电流2IE=IC1+IC2,而由输入差模电压产生的电流相互抵消,因此,对差模信号而言,Re可看做短路。第15页/共84页双端输出电路的差模交流通路如图(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。第16页/共84页 电路的输入电阻则是
8、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84页 二、单端输出电路的差模特性 单端输出差动放大电路原理图如图(a)所示。图单端输出差分电路 第18页/共84页分析表明,该电路的共模抑制比为 式中,差模输入电阻和输出电阻为:Ri=2(Rb+rbe)Ro=Rc 第19页/共84页共模输入信号的动态分析 一、双端输出电路的共模特性 如果图a所示差动电路电路完全对称,在输入共模信号作用下,两管集电极电流产生大小相等、方向相同的电流变化,即 由此产生以下结果:一是由于输入共模电压信号在两集电极上产生的输出电压大小相等、方向相同,从而使得流过RL的电
9、流为零;二是由于两管集电极电流共同通过Re时,Re上的电流为2ie,对于每个管子而言,相当于发射极接了一个2Re电阻。基于上述结果,其共模交流通路如图3.15a所示。第20页/共84页共模输入信号的动态分析图共模交流通路 第21页/共84页共模输入信号的动态分析式表明,双端输出的理想差动放大电路对共模信号具有完全抑制作用,为了更好地表征电路对共模信号的抑制能力,引入共模抑制比(Common-Mode rejection ratio)KCMR,,KCMR定义为 KCMR越大,差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。第22页/共84页共模输入信号的动态分析 二、单端输出电路的共模特性 图所示单端输出
10、差动电路的共模交流通路如图所示,从图中可求出单端输出的共模电压放大倍数 单端输出差动电路的共模抑制比为:第23页/共84页共模输入信号的动态分析 除了上述双端输入双端输出、双端输入单端输出方式以外,它还有单端输入双端输出、单端输入单端输出的工作方式,如图、b所示。不论采用哪一种工作方式,需注意:单端输入时,应将单端输入电压ui分解为差模输入uid=ui1ui2=ui,和共模输入电压uic=(uc1+uc2)/2=ui/2,并分别求出差模输出电压和共模输出电压。单端输出时,输出电压uo1(或uo2)应为差模输出和共模输出之和,即 第24页/共84页恒流源 为了提高单端输出差动放大电路的共模抑制比
11、,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。图所示电路就是一个采用恒流源的差动放大电路。第25页/共84页图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 第26页/共84页一、镜像电流源(Current mirror)镜像电流源电路如图所示,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
12、=UBE2),因此,两管集电极电流IC1=IC2,由图可知基准电流为 图镜像电流源 当2时,V2管的集电极电流IC2近似等于基准电流IREF,即 第27页/共84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,电路如图所示。当基准电流IREF一定时,由图可得图微电流源 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28页/共84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。图电流源用作有源负载图中V1是放大管,V2、V3组成电流源
13、作为V1的集电极有源负载。第29页/共84页 失调、温漂及调零电路 一个完全对称的差动放大器,静态时应该具有“零输入零输出”的性能,即输入电压为零(ui1=ui2=0)时,双端输出电压也为零。然而实际的放大器由于存在元器件失配,很难做到完全对称,因此在输入电压为零时,双端输出电压不一定为零,这种现象称为零点漂移,也称为差动放大器的失调。失调随温度的变化值称为温漂(Temperature drift),环境温度是产生温漂的外部因素,而晶体管参数随温度变化是内部因素。差分放大器的温漂一般为几V/。一般来讲,差分放大电路的失调可通过适当的调零电路(Zero regulating circuit)给予
14、补偿,使之达到零输入零输出。第30页/共84页 失调、温漂及调零电路 发射极极调零电路和集电极调零电路如图(a)、(b)所示。图中RP为调零电位器,将输入端Rb接地,调节RP使输出为零。必须指出,调零电路可以消除失调,但加接调零装置不能消除温漂,减少温漂的有效方法是加接温度补偿电路。图差分放大器调零电路 第31页/共84页3.2 集成运算放大器 概述 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
15、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32页/共84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:(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33页/共84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34页/共84页 三、外形 (1
16、)集成电路的外形 图集成电路的外形(a)圆壳式 (b)双列直插式 (c)扁平式 (d)电路符号 第35页/共84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 第36页/共84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;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
17、母表示,具体含义见表;第五部分:表示封装形式,用字母表示,具体含义见表。第37页/共84页第38页/共84页第39页/共84页 集成运算放大器内部电路框图 图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40页/共84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。2中间级 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41页/共84页 4偏置电路
18、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。第42页/共84页 运算放大器的特性和主要参数 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43页/共84页 运算放大器的特
19、性和主要参数 1开环差模电压增益Aod 集成运放的开环差模电压增益是指输出端和输入端之间无任何元件时输出信号电压与输入差模电压之比,用Aod表示。Aod与输出电压Uo的大小有关,通常是在规定输出电压幅度时(如Uo10V)测得的值。Aod通常用分贝数dB表示,则为 第44页/共84页 运算放大器的特性和主要参数 2输入失调电压UIO及其温漂 dUIO/dT 如果集成运放差动输入级非常对称,当输入电压为零时,输出电压也应为零(不加调零装置)。但实际上它的差动输入级很难达到对称,通常在室温25下,为了使输入电压为零时输出电压为零,在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放输入
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