电工电子学课件第5章集成运算放大器ppt

5.1集成运放的基本组成5.1.1概述5.1.2集成运放的输入级电路差分放大电路5.1.3集成运放的输出级电路互补对称电路5.1.4集成运放的工作原理和图形符号返回第5章上页下页u-u0中间级输出级置路偏电u+ui输入级5.1.1概述集成运放是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。第5章上页下页返回集成运放的组成框图集成电路的特点第5章上页下页在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量电容，因此集成运放主要采用直接耦合。运算放大器的输入级采用差分放大电路，其特点是输入电阻高、抗干扰能力强、零漂小。在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。返回序:直接耦合方式及其存在问题5.1.2集成运放的输入级电路差分放大电路第5章上页下页返回RRB1C1uiuoTT12UCE1+UCCE2RRC2－－++前、后级静态工作点的相互影响当放大器的输入电压ui=0时，其输出电压uO往往不为常数，称这种现象为放大器的零点漂移。差分放大电路能很好地抑制零点漂移。tu0o出现零点漂移的原因：多级直接耦合放大器的放大倍数很高。输入级由于管子特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化，从而导致整个放大器无法正常工作。第5章上页下页返回直接耦合放大器的零点漂移第5章上页下页返回恒流源的组成：工作原理：设iC3iB3iC3UR2UBE3（UB3固定）R1、DZ、T3、R2ToCiC1iC21.典型差分放大电路对零漂的抑制+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRBiC1iC1大小相等、极性相反第5章上页下页返回2.差分放大电路对差模信号的放大作用差模输入：ui1=－ui2大小相等、极性相反ui1=—2ui2ui，ui2=-—+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRB第5章上页下页返回uO=－uO2uO1=Au1ui1=Au1（ui1-ui2）双端输出时差模信号电压放大倍数uiAdAu1=uO=ui2Au2－输出uO=－uO2uO1差模输入ui1ui2，ui=－=uiAu1RCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1+u01u02++－－E+－u0RL2RL2差分放大电路的交流通路第5章上页下页返回共模输入：输出uo1C=uo2CKCMR=——AdAc共模抑制比大小相等，极性相同。ui1=ui2双端输出时Auc=————≈0uiCuO1C－uO2C3.差分放大电路的共模放大倍数+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRB单端输入-单端输出第5章上页下页4.差分放大电路的输入－输出方式双端输入-单端输出单端输入-双端输出返回+UCCRCT1T2+_uiUEE_IS+_u0RLRCRBRBu0+_ui+_RCRC+UCCRBRBISUEE_u0+_uiRCRC+UCCRBRBISUEE_+_5.1.3集成运放的输出级电路互补对称电路+UCCR1R2RLT1T2BiC1iC2uOiO－UCC特点：T1和T2两个晶体管特性相同且轮流导通，提高输出功率。互补对称电路结构对称，采用正负对称电源，静态时无直流电压输出，负载可直接接到发射极，实现了直接耦合。电路为射级输出器，输出电阻小，带负载能力强。第5章上页下页返回R3uiB2B1++－－D1D2+UCCR3R2RLT4T5BuOiO－UCCR3+－D1D2RCRCT1T2uiIS+_D3D4T312第5章上页下页返回5.1.4集成运放的工作原理和图形符号三级直接耦合放大电路R4集成运放内部电路集成运算放大器的符号－＋＋反相输入端u－u＋同相输入端信号传输方向ui输出端理想运放开环电压放大倍数ou实际运放开环电压放大倍数第5章上页下页返回01.电压传输特性第5章上页下页返回5.2集成运放的基本特性uo0uiUOM–UOMuo=f(ui),其中ui=u＋–u－Ui–Ui+线性区uiUi–Ui+uo=A0ui=A0（u+–u－）uiUi+和uiUi-饱和区uo=+–UOMou＋－＋u–u+AO2.集成运放的理想特性理想化的条件：开环电压放大倍数AO∞;差模输入电阻ri开环输出电阻rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞;上页下页返回－＋＋u－u＋ouAO第5章集成运放的理想电压传输特性0uouiUO+理想运放第5章上页下页返回ou＋－＋u–u+uo0uiUo+U0-Uim–Uim实际运放UO-3.理想运放的分析特点理想运放对于理想运放Ao,ri,“虚短路”原则（2）“虚断路”原则（1）uuouiu=Ao=–-+第5章上页下页返回理想运放工作在线性区的分析依据uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+0i-=i+=0uirii-=i+=u-u+=当u+u-时，u0=UO+iiuO+rid+输出电压u0只有两种可能：当u+u-时，u0=UO－“虚断”的条件原则上仍成立，即ii≈0“虚短”原则上不成立，即u+和u-不一定相等！第5章上页下页返回理想运放工作在非线性区的分析依据uiuO_++u-u+第5章上页下页返回5.3.1反馈的基本概念5.3.2负反馈的四种类型5.3.3负反馈对放大电路性能的影响5.3放大电路中的负反馈5.3.1反馈的基本概念AFxoxixdxfxi—输入信号xd—净输入信号xo—输出信号xf—反馈信号无反馈有反馈方框图A=xo/xd开环放大倍数F=xf/xo反馈系数负反馈xd=xi–xf(同相)闭环放大倍数xoAf=—xi反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络引回输入端。第5章上页下页返回5.3.2负反馈的四种类型电压串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈电流串联负反馈负反馈的类型第5章上页下页返回1.电压串联负反馈在输出端，F与A相并联,uf与uo成正比，为电压反馈；在输入端,uf与ui相串联（以电压的形式）为串联反馈；ud=ui–ufui，为负反馈。净输入信号第5章上页下页R1Rf+uiR2_uf+_uo_+RLuLFA0uiudufuo+-ui–uf返回同相输入电路AOR1uiR2+_RLuo_+uL判断是电压还是电流反馈？uf与uo成正比，fRuf+_uf=u0R1+Rf因为，为电压反馈判断是串联还是并联反馈？从输入端分析：uf与ui相串联,-ud+ud=ui–uf第5章上页下页返回从输出端分析：id~+_uf+_uduf以电压的形式出现。为串联反馈~+_uiid=0AOR1uouiR2+__+RLfRuf+_-ud+判断是正反馈还是负反馈？反馈类型的判别——瞬时极性法首先设输入电压的极性在某一瞬时对地为正；最后根据同一瞬时反馈电压与输入电压相比较的结果加以判断然后找出电路其余各点的瞬时极性；由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。该例为电压串联负反馈电路第5章上页下页返回+_ud~+_uf~+_uiud=ui–ufuiAO在输入端,信号以电流出现,if与ii相并联,为并联反馈；id=ii–ifii，为负反馈。净输入信号在输出端，if与uo成正比,为电压反馈；if第5章上页下页2.电压并联负反馈RLuiuoRfR2R1ii反相输入电路_+uL返回FA0uiuo+-iiifii–ifidAORLuiuoRfR2R1ii反相输入电路_+uLif判断是电压还是电流反馈？u-if=u-_u0Rf因为所以为电压反馈。判断是串联还是并联反馈？信号以电流出现,if与ii相并联,为并联反馈；判断是正反馈还是负反馈？+_idid=ii–ifii，为负反馈。净输入信号该例为电压并联负反馈电路第5章上页下页返回-u0Rf瞬时极性法AO=3.电流串联负反馈ud=ui–ufui，为负反馈。净输入信号在输入端,信号以电压形式出现,uf与ui相串联,为串联反馈；在输出端，uf与io成正比，为电流反馈；i0ＲbＲＲL第5章上页下页返回udui++uLioFA0uiuduf+-ui–uf––uf+–AO在放大器输入端,信号以电流出现,if与id相并联,为并联反馈；id=ii–ifii，为负反馈。净输入电流在放大器输出端，if与io成正比，为电流反馈；4.电流并联负反馈第5章上页下页返回FA0io+-iiifii–ifid第5章上页下页返回RL++i0uLRfR2R1iiidifRbui++--iiL运用瞬时极性法判别正、负反馈？各点的瞬时极性u0各电流的实际方向id净输入电流id=ii–ifii，为负反馈。电压还是电流反馈？R2+Rfif=i0R2,判断是串联还是并联反馈？该例为电流并联负反馈电路RLuLRfR2if+-ii0~+_uiid_ii~+_u0´+~~AO第5章上页下页返回负反馈类型的分析方法小结——瞬时极性法正、负反馈的分析第一步：找出电路各点的瞬时极性第二步：将反馈信号与输入信号相比较id=ii–ifiiud=ui–ufui削弱净输入信号——负反馈串联还是并联反馈从输入回路分析反馈信号与输入信号相串联加到输入端串联负反馈（以电压形式出现）反馈信号与输入信号相并联加到输入端并联负反馈（以电流形式出现）Rf+_R1R2uf+_u0ui~+_uf+_ud~+_uiRf+_R1R2u0uiiiifAO~+_uiid_ii~+_u0´+~~第5章上页下页返回电压还是电流反馈从输出回路分析Rf+_R1R2u0uiiiif反馈信号（）与输出电压u0或ufif电压负反馈直接成比例关系反馈信号（）与输出电流i0或ufif电流负反馈直接成比例关系Ｒ’ＲF+-+-i0ＲLuiufRfUif=Rf-u0uf=i0RfAOAO[例题5.3.1]反馈类型的判别uiA1A2ufuoRFRL在输入端：ud=ui-ufui为负为反馈ud——瞬时极性法u01+++第5章上页下页返回AOAO串联、并联反馈判别——在输入回路中分析uiA1A2ufuoRFuf以电压形式出现且与ui相串联接在输入端，故为串联反馈udu01+++第5章上页下页返回AOAO电压、电流反馈判别——在输出回路中分析uiA1A2ufuoRF反馈电路直接从输出端引出，uf与uo成正比为电压反馈udu01+++Rf引入电压串联负反馈第5章上页下页返回AOAO试判别图示电路中反馈的类型和极性uiA1A2iiuoRFu01++ioidifRL利用瞬时极性法判别正、负反馈为负反馈在输入回路中分析串联、并联反馈并联反馈在输出回路中分析电压、电流反馈电流反馈第5章上页下页返回所以，RF引入了电流并联负反馈[例题5.3.2]AOAOAFxoxixdxf5.3.3负反馈对放大器性能的影响1.提高放大倍数的稳定性设开环放大倍数的相对变化率为dA/AAf=A1+AF，对A求导得dAfdA=11+AF－AF(1+AF)2=1(1+AF)2，dAf=dA(1+AF)2dAfAf=dA/A(1+AF)21+AF=dAA.11+AFdAfAf=dAA1.1+AF第5章上页下页返回闭环放大倍数的相对变化率为dAf/AfAFxoxixdxf0.707A0AfffLfH2.扩展通频带AAfA00.707AffLffHfBWf1AFBW加入负反馈使放大器的通频带展宽0无负反馈有负反馈第5章上页下页返回BWBWf对于集成运放则有：fLf=fL=0ufuiuiuo负反馈改善了波形失真A3.减小非线性失真加入负反馈无负反馈FAuoud第5章上页下页返回4.对输入电阻输出电阻的影响输入电阻串联负反馈提高输入电阻rifri并联负反馈降低输入电阻rifri输出电阻电压负反馈稳定输出电压，所以电压负反馈降低输出电阻，rofro电流负反馈稳定输出电流，所以电流负反馈增加输出电阻，rofro第5章上页下页返回第5章