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第五章集成放大电路三、集成运放的结构特点及理想化条件四、集成运放应用电路的分析方法一、差动放大电路的工作原理二、集成电路基本知识一、直接耦合放大器存在的问题级间影响:由于级与级之间无隔直(流)电容,因此各级的静态工作点相互影响,从而要求在设计电路时,合理安排,使各级都有合适的静态工作点。采用差动放大器就可以解决啦!零点漂移:若将直接耦合放大器的输入端短路(ui=0),理论上讲,输出端应为零。然而,实际输出电压往往偏离初始静态值,出现了缓慢的、无规则的漂移,这种现象称为零点漂移。二、差动放大电路(一)差放电路的基本原理1iU2iUiURR1BR2BR2BR1BRCRCRCCU1VT2VT01U02U简单的差动放大电路0U无任何输入信号时,由于电路完全对称,001020UUU差模信号:一个有用信号加到串联电阻2R的两端,由于两个R的均压,两边各得的一半,但因中点接地,2R的上端为正电位,2R的下端为负电位。即:idUidU112iidUU212iidUU12iiUU输入两管的信号大小相等、极性相反,称为差模输入。共模信号:温度升高引起零漂时,因两管特性完全一致,两边电路参数也完全相同,故两管输出的电压飘移相同,折合到输入端的电压漂移也相同,且都为正电位。即12icicUU输入两管的信号大小相等、极性相同,称为共模输入。差放电路对差模输入信号起放大作用差模输入时,11CCCCCUURI22CCCCCUURI011111()2iidUAUAU022221()2iidUAUAU12AAA00102idUUUAU表明差放电路与单管放大电路有相同的电压放大倍数。01CCCBURIRI11()iBBEBURrI011111()CBCiBBEBBBEURIRAAURrIRr1CBRR为两管的电压放大倍数1iU2iUiURR1BR2BR2BR1BRCRCRCCU1VT2VT01U02U简单的差动放大电路0U差放电路对共模输入信号起抑制作用温度升高时,相当于两管输入相同的干扰信号两管的都增加,因两边完全对称,故12icicUUBCII、12BBII12CCII0102UU(漂移相同)001020UUU实际器件不可能完全一致,所以不可能完全抑制共模信号。引入共模抑制比来衡量差放电路对差摸放大对共模抑制的能力。(二)典型的差动放大电路iURR1BR2BR2BR1BRCRCR1VT2VT01U02U典型的差动放大电路0UEEUCCU1CI2CI2BI1BIBIBI1BIERPREU2EI调零电位器对共模输入有负反馈,抑制零漂。不影响差模放大!几种差放电路的形式双入双出型单入单出型双入单出型单入双出型三、带恒流源的差动放大电路CRCR1VT2VT0UCCU1iU2iU1R3CI3VT3R2R电路图EEUCRCR1VT2VT习惯画法0UCCUEI1iU2iUEEU恒流源二、集成电路的基本知识(一)常见的集成运算放大器有圆形、扁平型、双列直插式等,有8管脚、14管脚等。NC81234567调零--UCC+IN调零+-INUoTO-5+UCC管键8金属封片标记凹格标记14174典型封装12348765调零--UCC+IN-INNC调零+Uo+UCC1234567141312111098NCNC调零--IN+IN-UCCNCNCNCNC+UCCUo调零+NCMIN-DIP14PINDIP4.2集成运放外形结构示意图+-u-u+uo集成运算放大器符号同相输入端反相输入端输出端VVVo+∞+-A+-uuu惯用符号国际符号(一)基本结构三、集成运放的结构特点及理想化条件输入级是一个高性能的差动放大器,提高输入电阻、提高共模抑制比。多数为两路电源供电。输入级的好坏影响着集成运放的主要参数。输入信号加在同相输入端,则输出信号与输入信号相位相同;一般要求其输入阻抗高,差模放大倍数大,共模抑制比高,差模输入电压及共模电压范围大,且静态电流小。输入信号加在反相输入端,则输出信号与输入信号相位相反。中间级,提供较高的电压增益。输出级,提供较高电压输出的带负载能力(其输出电阻小)。偏置电路,稳定各级的静态工作点,减小温漂。它的主要特点是:有很高的输入阻抗。很高的差模电压放大倍数Aod,很低的输出阻抗。一般为104~107,即80~140dB(二)电压传输特性开环差模电压放大倍数Aod非常高,它的线性区非常之窄。输出电压最大值接近供电电压(轨到轨,railtorail)为使运放工作在线性区,通常引入深度负反馈。(三)理想运放开环差模电压放大倍数Aod=∞;差模输入电阻Rid=∞;输出电阻Ro=0;共模抑制比KCMR=∞;输入偏置电流Iib=0上限频率fH=∞(四)集成运放应用电路的分析方法(一)利用理想运放的概念简化分析过程把实际的集成运放作为理想运放处理,在工程计算中是允许的。(二)集成运放线性应用电路的一般分析方法理想运放工作在线性区时,有两个重要特点:第一:净输入电压为零,也就是同相输入端电位与反相输入端电位相等U+=U-即第二:净输入电流为零,也就是说反相输入端与同相输入端的输入电流均为零即I+=I-=0“虚短”“虚断”四、集成运放的基本应用(一)反相比例运算ioufUUA=ifII=1RUIii=0V闭环电压增益因净输入电压=0因净输入电流=0ffoRIRIUif=闭环输入电阻1RIURiiif==闭环输出电阻0ofR特例:R1=Rf时,Auf=-1Uo=-Ui。反相器。电阻R2称为平衡电阻R2=R1∥Rf在上图中应使其作用是为了保证运放的两个输入端处于静态平衡的状态,避免因电阻不平衡时,偏置电流引起的失调。它的求法是:令运放电路中所有信号电压为零,使从同相端和反相端向外看对地的电阻相等。1RRAfuf=-平衡电阻(二)同相比例运算Ui11RRRUUAfiouf==of-URRR=U+11i-=UU因净输入电压=0因净输入电流=0闭环电压增益1RRAfuf=1+闭环输入电阻ifR闭环输出电阻0ofR电阻R2称为平衡电阻R2=R1∥Rf在上图中应使电压增益等于1。(三)电压跟随器用于隔离、缓冲和阻抗换。输出电压跟随输入电压。在同相比例运算电路中1RRAfuf=1+当R1=∞,且Rf=R2=0时,可得(b)所示的电压跟随器。Auf=1UiUiUiUiUiUo=UiUo=UiUo=Ui当R1=∞时,可得(a)所示的电压跟随器显然即(四)减法运算(差动)1RRAfuf=1+1fo1RR=-U设Ui1单独作用(令Ui2=0)时,设Ui2单独作用(令Ui1=0)时,利用迭加原理2i323RRRUU+=+23231112UUUiffoRRRRRRRR=1+=+当Ui1、Ui2同时作用于电路时由于引入了负反馈,电路工作在线性区2o1ooUUU+=11232311UUififRRRRRRRR-电路为反相比例运算电路为同相比例运算其电路参数应对称,即11232311ififoURRURRRRRRU-当R1=R2,Rf=R3时121iifo-UURRU=1f1i2ioufRRA=-=UUU输出信号只反映了输入信号的差值,而不反映共模信号。即放大差模,抑制共模。其闭环差模电压增益为当R1=Rf时,Uo=Ui2-Ui1,实现了两个信号的减法运算。为保证运放输入端保持平衡工作状态。R1∥Rf=R2∥R3在仅放大交流信号的场合,应采用交流放大器(五)反相交流放大器1fumufRRAA=-=闭环电压增益闭环输入电阻闭环输出电阻Rif≈R1Rof≈0。在通带内,C1可视为短路应保持输入端对地的直流电阻相等R2=Rf(六)同相交流放大器1uf1ARRAfum==闭环电压增益闭环输入电阻闭环输出电阻Rif≈R2Rof≈0。在通带内,C1、C2、C3均可视为短路应保持输入端对地的直流电阻相等R2=Rf去掉C1(R1)的左端直接接地)对交流分析无影响。R2=R1//Rf但这时应使R2是为了给运放的同相端提供直流通道的,但却闭使环输入电阻减低了。提高闭环输入电阻的电路由于C1对交流相当于短路,因此,输出信号通过Rf在R1上产生的反馈电压uB≈u-≈u+=uA。即R2两端交流电压近似为零。C1具有自举作用流经电阻R2的电流趋于零,亦即R2的视在值趋于无穷大。从而使电路总的输入电阻Rif得以极大的提高。若令Rf=0,则可构成具有极高输入电阻,极低的输出电阻的交流电压跟随器。用作隔离器和阻抗变换器(七)音调控制放大器人为地调节低频、中频、高频的成分比例,改变前置放大器的频率响应特性,以满足聆听者对音色的不同爱好。基本原理就是调节反馈网络或衰减网络的频率特性,使它对信号中的不同频率成分产生不同程度的反馈或衰减,即使某些频率的信号幅度被提升,某些频率的信号幅度被削弱。六、运算放大器的其他应用当Rp2动点右移时,负反馈减弱,增益提高,高音被提升对输入信号中的低音(频)成分当Rp1动点左移时,负反馈减弱,增益提高,低音被提升;当Rp1动点右移时,负反馈加强,增益减小,低音被衰减;C2可视为短路,Rp1对信号不起作用。C3可视为开路,高频反馈支路断开。高频反馈支路对输入信号中的高音(频)成分当Rp2动点左移时,负反馈加强,增益减小,高音被抑制。高频反馈支路(八)加法器332211RuRuRuRuiiifo=-利用迭加原理332211RuRuRuRuiiifo=-同相加法器))((41)(1111212iiiffffouuuRRuRRu11=设:R1=R2=R3=Rui1单独作用时U+1321321////////iuRRRRRRRu141iuui2、ui3单独作用时,情况类似)(41321iiiuuuu例已知R1=R2=R3=Rf。如果ui1、ui2、ui3的波形如图5-16(b)所示,试画出输出电压uo的波形。解输出电压uo为32133221uiiiififiouuuuRRuRRRRu++=-++=-1f(九)积分器dtuRCdtiuCuuiRiCo1=-1=-=-RiRCuii==tRCUuio=-当ui=Ui时(常量)0V(十)微分器dtduCiiiCR=0VdtduRCRiuiRo例求解uo与u1、u2、u3之间的运算关系。解逐级写出表达式dtudtudtuCRuo116311110101000111334224--∥1+=uRRuRRuRRRuoo123423211020102010101020uudtu∥132-2-2=-uutud5013267-2-2-=-RR=-uutuuud501010012oo3212020d500uutu++=解①首先分析电路的输入、输出关系。例①试求输出电压uo的表达式。②设其两个输入信号ui1和ui2皆为阶跃信号请画出uo的波形tiiodtRuRuCu022111②t0.5sdtuudtuutiitii0210211051.02.011tdtut50500)5.0(55.21055.25.00tdtut③t=0.5sVu5.20④t0.5s55t将K换算成MSFM解①ui1单独作用例ttdtuCRutio512.0101111②ui2单独作用,t≥0.5StiodtuCRu02221tt1011.01-2.50.510ui1/Vui1/VuO/Vt/S00t/St/S③21ooo
本文标题:第8章集成运算放大器
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