如差分放大器

第四章负反馈放大器与集成运算放大器4.1反馈的基本原理4.2差分放大器4.3集成运算放大器4.4集成运算放大器的应用习题4.1反馈的基本原理主要要求：掌握反馈的基本概念、反馈的分类及判别掌握四类基本反馈组态的特点了解负反馈的对放大器性能的影响和应用一、反馈的基本概念将放大电路（或某一系统）输出端的电压或电流信号的一部分或全部，通过某种电路（或称作反馈网络）引回到放大电路的输入端，这种信号的反送过程称为反馈（Feedback）。输出回路中反送到输入回路的那部分信号称为反馈信号。净输入ie图中输出电流ie影响了净输入信号ube，有ube=ui-ieRe。举例反馈网络回路信号叠加符号反馈方框图既可表示电压量也可表示电流量。其中，称为开环增益。iXdo/XXA反馈放大电路的方框图净输入uo图中输出电压uo影响了净输入信号ube，有ube=ui-uo。为实现反馈，必须有一个既连接输出回路又连接输入回路的中间环节，称为反馈网络，一般由电阻电容元件组成。引入反馈的放大电路叫反馈放大器，也叫闭环放大器；未引入反馈的放大电路称为开环放大器，也叫基本放大器。二、反馈的分类（1）正反馈与负反馈反馈信号加强了原输入信号为正反馈；（电压放大倍数增加）反馈信号削弱了原输入信号为负反馈。由于负反馈具有使输出信号趋于稳定，易控制的特点，故本章主要讨论负反馈问题。负反馈衰减正反馈自激（2）电压反馈与电流反馈（输出端）反馈信号取自输出电压，称为电压反馈，其反馈信号正比于输出电压，其取样的输出电路为并联连接；如果反馈信号取自输出电流，称为电流反馈，其反馈信号正比于输出电流，其取样电路为串联连接。输出并联连接输出串联连接（3）串联反馈与并联反馈（输入端）反馈信号在放大器输入端以电压的形式出现，那么在输入端必定与输入电路相串联，称为串联反馈；反馈信号在放大器输入端以电流的形式出现，则在输入端必定与输入电路相并联，称为并联反馈。输入串联连接，引入电压量输入并联连接，引入电流量综上所述：负反馈的基本类型有四种：电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈三、反馈类型的判别（步骤）1、在判断反馈的类型之前，首先应看放大器的输出与输入之间有无电路连接，以便由此确定有无反馈。2、电压反馈与电流反馈的判断（输出端短路法）uf=0电压反馈uf≠0电流反馈3、串联反馈与并联反馈若反馈信号与输入信号是串接在基本放大器输入端则为串联反馈；若反馈信号与输入信号是并接在基本放大器输入端，则为并联反馈。引入电压量uf引入电流量if并联反馈串联反馈4、正反馈与负反馈的判别通常采用瞬时极性判别法。首先假定输入端交流信号在某一瞬时对地而言极性为正，然后根据放大电路各级输入、输出之间的相位关系分别推出相关各点的瞬时极性（用“+”表示升高，用“—”表示降低），最后判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。加强为正反馈，削弱了为负反馈。解释瞬时极性共射组态倒相共射组态倒相++四.负反馈放大电路的举例1.电流串联负反馈反馈元件为Re，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输出电流的部分转化为电压以影响净输入ube。仍有uf≠0，电流反馈引入电压量uf，串联反馈++输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为串联反馈；瞬时极性法判断正负，uf与ui同相变化，而净输入ube＝ui－uf，故反馈削弱输入信号，为负反馈。2.电压并联负反馈反馈元件为Rf，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输出电压引入到输入回路中（晶体管VT的基极）。+无反馈信号，电压反馈引入电流量if，串联反馈+输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为并联反馈；瞬时极性法判断正负，if与ui倒相变化，而净输入ib＝ii－if，故反馈削弱输入信号，为负反馈。电压并联负反馈–+–五.负反馈对放大电路工作性能的影响1.负反馈放大器的放大倍数（降低放大倍数）反馈放大器的方框图ofdoXXFXXA，iofXXA闭环放大倍数为fidXXX负反馈的净输入为doofdofdoiof1XXXXXXXXXXXA可得FAAA1f即称为反馈深度其中FA1基本电路放大倍数（F为反馈系数）（引入反馈后的放大倍数）由此可见，闭环增益Af是开环增益A的（1＋AF）分之一，反馈深度表示了反馈影响的程度。2.提高放大倍数的稳定性输入信号一定时，采用电压负反馈或电流负反馈，可稳定输出电压或输出电流。3.减小非线线性失真负反馈越深，输出波形失真越小。4.改变了输入、输出电阻输入、输出电阻发生变化，阻值是增加还是减小取决于采用哪种负反馈形式。负反馈类型电阻类别电压串联电压并联电流串联电流并联输入电阻增大减小增大减小输出电阻减小减小增大增大3.2差分放大器主要要求：掌握基本差分放大器的组成。掌握差分放大器的输入方式。了解差分放大器的几种接法。在实际的电子设备中，为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求，一个放大电路往往由多级组成。多级放大电路由输入级、中间级及输出级组成。图3.2多级放大电路框图多级放大电路是将各单级放大电路连接起来，这种级间连接方式称为耦合。要求前级的输出信号通过耦合不失真地传输到后级的输入端。常见耦合方式阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式，这种耦合方式称为直接耦合，（1）静态工作点相互影响（2）零点漂移现象由于温度变化等原因，使放大电路在输入信号为零时输出信号不为零的现象称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是由于温度变化而引起的。因而，零点漂移的大小主要由温度所决定。差动式放大电路对于放大变化非常缓慢的直流信号时，必须采用直接耦合。一、基本差动放大电路的组成完全对称二、电路分析静态静态时UI1=UI2=0，输出电压Uo=UO1-UO2=0动态（1）抑制零点漂移当温度变化时，两个单管放大电路的工作点都要发生变动，因而产生漂移ΔUO1和ΔUO2。由于电路是对称的，所以ΔUO1=ΔUO2。则差动放大电路的输出漂移ΔUO=ΔUO1-ΔUO2，即消除了零点漂移。1、工作原理2、输入信号类型及差模电压放大倍数基本差分放大器的输入信号可以分为共模信号和差模信号两种。共模输入：uI1与uI2大小相等、极性相同的部分为共模信号分量，用uIC表示。而uI1=uI2时为共模输入状态。共模输入状态因电路对称，所以此时输出电压uOC恒为零，这与输入信号为零（静态）的输出结果相同，说明差分放大器对共模信号有抑制能力。实质对零漂的抑制。差模输入：在放大器两输入端分别输入大小相等、方向相反的信号，即uI1=–uI2。这种输入方式称为差模输入。这种信号称为差模信号。用uID表示。即uI1=uID/2，uI2=−uID/2。差模输入状态设两管放大倍数分别为A1、A2，集电极输出电压分别为uO1、uO2，有2/)(22ID21O2O1ODID2I22O2ID1I11O1uAAuuuuAuAuuAuAu而电路对称有A1=A2=AIDIDOD2/2AuuAuAuuAIDODd可见，差模放大倍数所以，差模放大倍数与单管共射放大器的电压放大倍数相同。3.共模抑制比表明差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，定义为dBlgcdCMRcdCMRAAKAAK20，或者分贝表达法共模抑制比越大，则放大差模信号的能力越强，抑制共模信号的能力也越强，理想状况下KCMR趋于∞，一般为40~60dB。4.3集成运算放大器主要要求：了解集成运算放大器了解集成运算放大器的内部电路组成。将晶体管、二极管、电阻的元件及连线全部几种制造在同一块半导体基片上，成为一个完整的固体电路，通称为集成电路。与分立器件相比具有以下特点：在同一硅片上采用相同工艺制造，特别适用于制造对称性高的电路（如差分放大器）。电阻元件阻值范围受到局限，制造过高或过低阻值电阻困难较大，一般采用恒流源代替所需高值电阻。难于制造几十皮法以上电容，更难于制造电感元件，常常利用直接耦合方式可以减少或避免使用大电容、电感。二极管利用集电极和基极短接的三极管代替，主要是因为与其他三极管ube温度系数相近，温度补偿性较好。集成电路的常见外形主要有以下三种：集成电路按功能的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路中集成运算放大器是应用最为广泛的器件，简称集成运放。一、集成运算放大器的内部组成集成运算放大器内部组成原理框图1.输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高,为了能减小零点漂移和抑制共摸干扰信号。采用具有恒流源的差动式放大电路。2.中间级中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数，故又称为电压放大级。3.输出级输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较高的输入电阻和较低的输出电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。输出级一般由射级输出器组成，以降低输出电阻，从而提高电路的带负载能力。4.偏置电路偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。偏置电路输出级中间级输入级国产F007运放电路原理图举例它有两个输入端：同相端标为“+”，其信号极性与输出信号相同；反相端标为“–”，其信号极性与输出信号相反。引脚因型号各异。二、集成运放的符号集成运放符号三、集成运放的主要性能指标1.开环差模电压放大倍数AodAod是集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压之比，常用分贝（dB）表示，目前最高可达140dB。2.差模输入电阻ridrid是集成运放两输入端之间的动态电阻，以rid＝ΔuID/ΔiI表示，是衡量信号源索取电流大小的标志，一般为MΩ数量级。以场效应晶体管为输入级的可达106MΩ。3.输出电阻roro是运放开环工作时，从输出端等效的电阻，表明带负载能力。值越小带负载能力越强。4.共模抑制比KCMRKCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMR＝|Aod/Aoc|,一般以分贝表达，KCMR＝20lg(|Aod/Aoc|)，高质量的运放可达160dB。思考题：1、直接耦合放大电路能否放大交流信号？2、什么是零点漂移？产生零点漂移的主要因素是什么？3、差分放大电路的特点是什么？4、集成运算放大器的内部组成是由几部分组成的？4.4集成运算放大器的应用掌握理想集成运算放大器及其分析方法掌握集成运算放大器的线性应用。主要要求：运算放大器的应用广泛，从工作状态来分，可分为负反馈应用、开环和正反馈应用。负反馈应用：引入负反馈，电路一般工作在线性区内，所以称为线性应用。开环和正反馈应用：电路多数工作于非线性状态，称为非线性应用。在分析集成运放组成的各种电路时，为了便于分析与计算，常把实际运放作为理想运放来处理，以简化计算。集成运放有两种工作状态：线性与非线性。运算放大器的基本应用电路一、理想运算放大器把理想化的运算放大器称作理想运算放大器理想化条件：开环差模电压放大倍数Aod=∞输入电阻rid=∞输出电阻ro=0共模抑制比KCMR=∞当运算放大器工作于线性状态时，即可视为一个理想的电压放大器。)(odouuAu有两条基本结论：uuuu即0称之为“虚短”现象，即同相端“+”与反相端“–”电位相同，但并非真正短路，即两端之间无电流导通。结论一0IIii称之为“虚断”现象，即同相端“+”与反相端“–”输入趋于零，但并非真正断路，即两端之间可能无压差。结论二运算放大器一般工作于线性范围内，就是用电阻、电容、二极管等元件跨接于输出端和反相输入端之间引入深度电压负反馈。集成运放工作在线性区的必要条件是采用负反馈1.反相输入式uuii“虚短”“虚断”运放线性外接负反馈0II运算电路二、基本运算放大电路外接电阻反馈电阻平衡电阻R2上无电流，由欧姆定律，R2上无压降，则u+=0V，u–=u+=0V，有“虚地”现象。说明反相端虽然没有直接接地，但其电位端为地电位，但