差动放大电路与集成运算放大器

第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器实训4基本运算电路的组装与测试(一)(1)初步接触集成运算放大器,了解其外形特征、管脚设置及其基本外围电路的连接。(2)通过反相比例运算电路、加法运算电路及减法运算电路输出、输入之间关系的测试，初步了解集成运放基本运算电路的功能。(3)进一步熟练示波器的使用，练习使用双踪示波器测量直流及正弦交流电压，以及对两路信号进行对比。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室(二)预习要求(1)复习前一章中有关集成运放及其引入负反馈的有关内容。(2)提前熟悉双踪示波器的使用方法。(三)实训原理1.集成运算放大器简介集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大器，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大本实训所用LM741集成运放的外引脚排列顺序及符号如实图4.1所示。它有8个管脚，各管脚功能如图注所示。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要掌握其外围电路的接法就可以了。2.由第3章可知，放大器引入负反馈后，可以改善很多性能。集成运放若不接负反馈或接正反馈，只要有一定的输入信号（即使是微小的输入信号），输出端就会达到最大输出值（即饱和值），运放的这种工作状态称为非线性工作状态。非线性工作状态常用在电压比较器和波形发生器等电路中，这里暂不考虑。集成运放引入负反馈后，就可工作于线性状态。线性状态时，输出电压Uo与输入电压Ui之间的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入端的外接阻抗，而与运算放大器本身参数无关。这一点大家在实训中要充分体会。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室3.依外接元件连接的不同，集成运放可以构成比例放大、加减法、微分、积分等多种数学运算电路。本实训只不过进行其中几种运算。1）反相比例运算电路如实图4.2(a)所示。输入信号Ui从反相输入端输入,同相输入端经电阻接地。这个电路的输出与输入之间有如下关系:Uo=即输出电压与输入电压成比例,比例系数仅与外接电阻Rf、R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3称为平衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。ifURR1第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室若使Rf=R1，则Uo=Ui，此时电路称为反相器，即输出电压与输入电压大小相等而极性相反。2）实图4.2（b）所示为反相加法运算电路。图中，两个输入信号Ui1、Ui2分别经R1、R2（数值与R1相等）输入反相端。R3为平衡电阻，R3=R1//R2//Rf。Uo=若Rf=R1=R2，则Uo=（Ui1+Ui2）。)()(2112111iifififUURRURRURR第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室3）实图4.2(c)为减法运算电路,其中R1=R2，R3=Rf。两个输入信号Ui1、Ui2分别经电阻R1、R2从反相、同相两个输入端输入。Uo=若R1=R2=R3=Rf，则Uo=Ui2Ui1。4.由于集成运放一般都存在失调电压和失调电流，因而会影响运算精度。比如，实图4.2(a)的反相比例运算电路中,输入电压Ui=0时，输出电压Uo不为0，而是一个很小的非零数。)(12iiUURiRf第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室调整1、5脚连接的调零电位器RP，可使输出电压变为零。这个过程就是运放的调零。调零之后再进行各种运算电路的测量，测量结果才会准确。(四)实训内容1.按实图4.2(a)在模拟实验包上搭建电路，确定无误后，接入±15V直流稳压电源。首先对运放电路进行调零，即令Ui=0，再调整调零电位器RP，使输出电压Uo=0。（1）按实表4.1指定的电压值输入不同的直流信号Ui，分别测量对应的输出电压Uo，并计算出电压放大倍数。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室（2）将输入信号改为f=1kHz、幅值为200mV的正弦交流信号，用示波器观察输入、输出信号的波形。分析其是否满足上述反相比例关系。（3）把R1、R2换成51kΩ，其余条件不变，重复上述（1）、（2）步的内容。（4）把R1、R2、R3、R4均接成100kΩ，其余条件不变，重复上述（1）、（2）步的内容。2.反相加法运算电路测试按实图4.2(b)接线，调零过程同上。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室调节RP1、RP2，使A、B两点电位UA、UB为实表4.2中数值。分别测量对应的输出电压Uo。3.减法运算电路测试接实图4.2(c)接线。调节RP1、RP2，使UA、UB为实表4.3中数值。分别测量对应的输出电压Uo。(五)(1)整理数据，完成表格。(2)根据测量结果将实测值与计算值相比较，分析各个基本运算电路是否符合相应运算关系。(3)总结集成运放的调零过程。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室(六)经过实训，你肯定对下列问题产生了兴趣：(1)在集成运放的运算电路中，为什么其输出、输入之间关系仅由外接元件决定，而与运放本身的参数无关？(2)按照反相比例运算关系，加大比例系数是否可使输出电压无限地增大呢？这显然不会。那么，增大到什么程度就不再增大了呢？(3)运放两个输入端为什么要“平衡”，集成运放内部电路的输入部分是什么电路？(4)积分微分运算电路是如何构成的？后续理论课很快便会使这些问题得到解决。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室4.1差动放大电路4.1.1直接耦合放大中的特殊问题在实际应用中，对于信号的放大，一般都采用多级放大电路，以达到较高的放大倍数。多级放大电路中，各级之间的耦合方式有三种，即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。对于频率较高的交流信号进行放大时，常采用阻容耦合或变压器耦合。但是，在生产实际中，需要放大的信号往往是变化非常缓慢的信号，甚至是直流信号。对于这样的信号，不能采用阻容耦合或变压器耦合，而只能采用直接耦合方式。所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦合电容和电感元件相当困难，所以近些年来发展起来的很多集成电路（如集成运算放大器），其内部电路多采用直接耦合方式。实际上，直接耦合放大器不仅能放大直流信号，也能放大交流信号。因此，随着集成电路的发展，直接耦合放大器正得到越来越广泛的应用。然而，在多级放大器中采用直接耦合存在两个特殊问题必须加以解决。一是级间直流量的相互影响问题，二是零点漂移问题。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室图4.1.1（a）是一个简单的直接耦合放大器，后级输入端（V2的基极）直接接在前级的输出端（V1的集电极）。在这种电路中就存在前后级间直流量的相互影响问题。首先，两级放大器的静态工作点是相互影响的。当V1的静态工作点发生偏移时，这个偏移量会经过V2放大，使V2的静态工作点发生更大的偏移。其次，由于V1的集电极与Ｖ2的基极为同一电位，因而V1的UCE1受到V2的UBE2的钳制而只有0.7V左右致使信号电压的动态范围很小。为了克服这一不足，可在V2发射极接电阻，使V2的发射极电位升高，则其基极（V1的集电极）电位也可升高。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室如图4.1.1（b）所示。不过，若采用图4.1.1（b）所示电路，后级的集电极电位逐级高于前级的集电极电位，经过几级耦合之后，末级的集电极电位便会接近电源电压，这实际上也是限制了放大器的级数。所谓零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号不为零，而是一个随时间漂移不定的信号。零点漂移简称为零漂。产生零漂的原因有很多，如温度变化、电源电压波动、晶体管参数变化等。其中温度变化是主要的，因此零漂也称为温漂。在阻容耦合放大器中，由于电容有隔直作用，因而零漂不会造成严重影响。但是，在直接耦合放大器中，由于前级的零漂会被后级放大，因而将会严重干扰正常信号的放大和传输。比如，图4.1.1所示直接耦合电路中，输入信号为零时（即ΔUi=0），输出端应有固定不变的直流电压Uo=UCE2。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室但是由于温度变化等原因，V1、V2的静态工作点会随之改变，于是使输出端电压发生变化，也就是有了输出信号。特别是V1工作点的变化影响最大，它会像信号一样直接耦合到V2，并被V2放大。因此，直接耦合放大器的第一级工作点的漂移对整个放大器的影响是最严重的。显然，放大器的级数越多，零漂越严重。由于零漂的存在，我们将无法根据输出信号来判断是否有信号输入，也无法分析输入信号的大小。对于级间直流量的相互影响问题，一般采用降低前级输出电压、抬高后级发射极电位、采用NPN与PNP组合电路等方法加以解决。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室除图4.1.2（b）之外，图4.1.2（a）亦为抬高后级发射极电位的直接耦合电路，图4.1.2（b）则为NPN管与PNP管组合的直接耦合电路。在图4.1.2（a）中，由于二极管D的静态电阻大，静态电流流过时产生的压降大，故可有效地提高V2的发射极电位；但二极管的动态电阻小，故信号电流流过时产生的压降小，因而对信号的负反馈作用小，不会引起放大倍数显著下降。这里是利用了非线性元件的静态电阻与动态电阻不相等的特性来适应直接耦合放大器对静态和动态参数的不同要求的。而图4.1.2（b）所示电路则没有这种作用。在图4.1.2（b）中，由于V1、V2两管所需的电压极性相反，V1的集电极电位比基极电位高，V2的集电极电位比基极电位低，这样的两个管子配合使用，两级电路便都能得到合适的工作电压。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室对于零点漂移问题，不能通过增加级数、提高放大倍数的办法来解决，因为这样做虽然提高了放大和分辨微弱信号的能力，但同时第一级的零漂信号也被放大了。为了减小零点漂移，常用的主要措施有：采用高稳定度的稳压电源；采用高质量的电阻、晶体管，其中晶体管选硅管（硅管的ICBO比锗管的小）；采用温度补偿电路；采用差动式放大电路，等等。在上述这些措施中，采用差动放大电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。下面将对这种方法作重点介绍。第4章差动放大电路与集成运算放大器重庆工贸职业技术学院信息工程系电子教研室4.1.2基本差动放大器1.工作原理图4.1.3是基本的差动放大器，它由两个完全相同的单管放大器组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。输入信号从两管的基极输入，输出信号则从两管的集电极之间输出。静态时，输入信号为零，即Ui1=Ui2=0，由于电路左右对称，即Ic1=Ic2，Ic1Rc=Ic2Rc或Uc1=Uc2，