模电第3单元

第3单元集成运算放大器模拟电子技术主编曾令琴3.1集成运算放大器概述3.2差动放大电路3.5放大电路的负反馈3.3复合管放大电路3.4功率放大电路3.6集成运算放大电路模拟电子技术第3单元集成运算放大器在了解集成运放内部结构组成及各部分作用的基础上，学会对集成电路的识图、读图方法，重点要注意集成运算放大器的性能指标参数和在线各管脚电压，因为这是在具体应用中判断集成电路好坏及故障的依据。通过学习，要求理解差动放大电路利用其对称性实现抑制零点漂移的原理；掌握反馈、正反馈、负反馈的概念；熟悉集成运放的主要技术指标和电压传输特性；掌握集成运放的理想化条件，理解“虚断”和“虚短”的概念。任务导入模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.1集成运算放大器概述集成电路（英文简称IC）是60年代初发展起来的一种新型半导体器件。集成电路体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，从而大大提高了电子电路的可靠性与灵活性，减少组装和调整工作量，降低了成本。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了五十多年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的发展，对各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作用。模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.1集成运算放大器概述早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。圆壳式双列直插式扁平式单列直插式直插式单列扁平式模拟电子技术第3单元集成运算放大器集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：集成运放内部除了上述三个部分，其内部还有偏置电路接口，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。差动输入级中间放大级输出级ui+_u0运放的输入级。利用差动放大电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.2差动放大电路差动输入级中间放大级输出级ui+_u0偏置电路集成运放的输入级通常采用差动放大电路，输入级又称作前置级，是决定运放性能好坏的关键。3.2.1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，互相牵制直接耦合电路前后级之间存在直流通道，当某一级静态工作点发生变化时，会对后级产生影响，因此需要合理地安排各级的直流电平，使它们之间能够正确配合。模拟电子技术第3单元集成运算放大器2.存在零点漂移现象直接耦合的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢的变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称为零点漂移，简称零漂或温漂。uOt0零漂有时会把有用信号淹没模拟电子技术第3单元集成运算放大器模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.2.2差动放大电路的组成为了抑制“零漂”，必须采用相应措施，其中最有效的措施就是采用差动放大电路。1.差动放大电路的组成差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中VT1、VT2是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电压ui1、ui2大小相等、相位相反。模拟电子技术第3单元集成运算放大器2.差模信号差动放大电路这种双端输入方式称为差模输入方式，所加信号称为差模信号，差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号，用uid表示，数值上等于两管输入信号的差值：uid=ui1－ui2两个输入端信号之间的差值实际上就是加在多级放大电路输入级的信号电压，信号电压的差值只要不为零时才能进行放大和传输。显然，差动放大电路放大的是两个输入端信号的差值，所以又称为差分放大电路。模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.共模信号温度变化、电源电压波动等引起的零漂电压，折合到放大电路输入端，相当于在放大电路输入端加了“共模信号”，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了“共模信号”。可见，所谓的共模信号对放大电路是一种干扰信号。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。模拟电子技术第3单元集成运算放大器温度发生变化时，差动放大电路输入端相当于加了一个共模信号，此时两管对共模信号产生的电流，其变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠差动放大电路的完全对称性，使两管的零漂在输出端相抵消。因此，零点漂移被抑制。模拟电子技术第3单元集成运算放大器模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.2.3差动放大电路的工作原理由于差动电路中两晶体管的集电极电位和发射极电位分别相等，故此负载支路中无电流，RL支路可拿掉。RL差动电路由于两边对称，所以取一边计算即可。由输入回路可得：BCIIEBBEEEB)1(2RRVVI于是：)2(ECCEECCCECCCCCRRIVVURIVU输出回路响应为：1.静态分析模拟电子技术第3单元集成运算放大器差模输入下，电路对称点的信号大小相等，极性相反。由于交流下直流信号为零，所以其交流通道为：由半电路可得其电压放大倍数：beBirRRbeBLCiou)2//(rRRRuuA输入电阻CORR输出电阻：2.动态分析模拟电子技术第3单元集成运算放大器beBLCu)//(rRRRA2差模放大倍数：)(beBiidrRRR22差模输入电阻：CoodRRR22差模输出电阻：由此看出，双端输入双端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数等于其半电路的放大倍数，相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。但电路的输入电阻和输出电阻是半电路的两倍。2.动态分析模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.2.4差动放大电路的类型单端输入差动放大电路的差模电压放大倍数仅决定于电路的输出形式，其输入电阻和双端输入时一样，但电路的抑制共模能力同样受输出形式的影响而降低。模拟电子技术第3单元集成运算放大器双端输出情况下，差动放大电路两管的输出稳定在静态值，从而有效地抑制了零点漂移。Re数值越大，抑制零漂的作用越强。即使电路处于单端输出方式，电路仍有较强的抑制零漂能力。由于Re上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更好。此外，采用双电源供电，可以使UB1＝UB2≈0，从而使电路可适应正、负两种极性的输入信号，扩大了应用范围。差动放大电路的共模抑制能力很强，通常用共模抑制比KCMR衡量，定义为：ucudCMRlogAAK20模拟电子技术第3单元集成运算放大器模拟电子技术第3单元集成运算放大器由于差放电路射极电阻增大会受到直流电压UEE的限制，考虑到恒流源有动态电阻大的特点，在电路中用VT3作为恒流源，采用Rb1、Rb2和Re构成其分压式偏置电路。当温度变化时，VT3的发射极电位和发射极电流基本保持稳定，ic1和ic2之和近似等于ic3，不会受温度变化的影响而发生变化，可见接入恒流三极管后，更加有效地抑制了共模信号。3.2.5恒流源式差动放大电路模拟电子技术第3单元集成运算放大器已知图示电路中＋UCC=12V，－UEE=－12V，三个三极管的电流放大倍数β均为50，Re=33kΩ，RC=100kΩ，R=10kΩ，RW=200Ω，稳压管的UZ=6V，R1=3kΩ.试估算：①该放大电路的静态工作点Q；②差模电压放大倍数；③差模输入电阻和差模输出电阻。mA16.0337.06eBE3ZEQ3CQ3RUUIImA08.02CQ3CQ2CQ1IIIV410008.012CCQCCCQ2CQ1RIUUUmA106.150/08.03CQ1BQ2BQ1IIImV1610106.131BQ2BQ1RIUUBQ①模拟电子技术第3单元集成运算放大器②由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以RW上的中点交流电位为零，其交流通路如下图所示：2/)1(1WbeCURrRRA1571.0518.161010050k8.165120026)1(200EQIrbe可得电路中电压增益为：式中：模拟电子技术第3单元集成运算放大器归纳：对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当提高Re的数值。但集成电路中不易制作大阻值的电阻，因为静态工作点不变时，加大Re的数值，势必增加其直流压降，提高电源－VEE的数值，采用过高数值的VEE显然是不可取的。采用恒流源代替电阻Re，不但可以大大提高电路的共模抑制比，还可减小其直流压降；而且作为有源负载，能够明显提高电路的电压增益。③由单边电路的交流分析可得：k8.63]1.0518.1610[2]2)1([2Wbei1RrRrk20010022o1CRr模拟电子技术第3单元集成运算放大器试述差动放大电路的类型有哪几种？你会做吗？什么是零漂现象？零漂是如何产生的？采用什么方法可以抑制零漂？何谓差模信号？何谓共模信号？恒流源在差动放大电路中起什么作用？模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.3复合管放大电路集成运放的中间放大级是整个集成运放的主放大器，其性能的好坏，直接影响集成运放的放大倍数，且一般大功率管的β值都比较小，这就要求中间级基级电流大—相当前级提供的输出大，但这种要求实现很困难。因此集成运放中通常采用复合管的共发射极电路作为中间级电路，以解决这个难题。因为复合管的电流放大倍数β=β1β2。所以采用复合管可以提高电路的电压增益！构成复合管的原则是什么？模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.4功率放大电路扩音系统功率放大电压放大信号提取被放大后的模拟信号在推动实际负载时需要较大的功率，能完成此任务的器件就是功率放大器。何谓功率放大器？功率放大器的作用：用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.4.1功率放大器的分类1.功率放大器按工作状态一般可分为：①甲类放大器：这种功放的工作原理是输出器件晶体管始终工作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动，这种功放失真小，但效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用在家庭的高档机较多。②乙类放大器：两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号的半个周期内导通，另半个周期内截止。该类功放效率较高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真。③甲乙类放大器：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点，被广泛应用于家庭、专业、汽车音响系统中。模拟电子技术第3单元集成运算放大器2.放大器按功能分类①前级功放：主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级放大器。②后级功放：对前级放大器送出的信号进行不失真放大，以强劲的功率驱动扬声器系统。除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。前级功放和后级功放一般只在高档机或专业的场合采用。③合并式放大器：将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用范围较广。目前功放的发展趋势倾向于采用无输出变压器的OTL功率放大电路和无输出电容的OCL功率放大电路。模拟电子技术第3单元集成运算放大器3.4.2功率放大器的特点及主要技术要求1.功率放大器的特点①由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因而输出电压和电流的幅度足够大；②由于要求输出信号