电子线路配套资源第4章-运算放大器课件.ppt

1、 名名 师师 课课 堂堂4.1 差分放大器差分放大器4.1.1直接耦合电路存在的问题直接耦合电路存在的问题1.直流电平配置直流电平配置 直接耦合放大电路中前后级的直流工作点互相影响、直接耦合放大电路中前后级的直流工作点互相影响、互相牵制。由于每级的工作点不是独立的，故考虑每级静互相牵制。由于每级的工作点不是独立的，故考虑每级静态工作点的同时，还要态工作点的同时，还要考虑到前后级之间的直流电平配置。考虑到前后级之间的直流电平配置。以保证每级都有合适的工作点，处于线性放大状态。以保证每级都有合适的工作点，处于线性放大状态。2.零点漂移零点漂移 零点漂移（简称零漂）是指直接耦合放大电路中，未加输入信

2、号时，输出端将产生叠加在静态工作点上的缓慢变化的输出电压，如图所示。产生零点漂移的原因主要是由于温度等外界因素的变化引起放大电路静态工作点的变化。这种变化可以被看作在设定的静态工作点上叠加了缓慢变化的漂移电压，经后面各级放大电路放大后输出。聪明小博士：聪明小博士：零点漂移存在于什么形式的放大电路中？零点漂移存在于什么形式的放大电路中？零点漂移是不是在任何耦合方式的多级放大器中都存在呢？不是。尽管各级的静态工作点都会随温度而变化。但是，由于它们产生的漂移电压十分缓慢(相当于频率很低)，无法通过耦合电容（阻容耦合）或变压器(变压器耦合)传送到后级，因此在阻容耦合和变压器耦合等多级电在阻容耦合和变压

3、器耦合等多级电路中不存在零点漂移。只有在直接耦合的放大器中才能存路中不存在零点漂移。只有在直接耦合的放大器中才能存在零点漂移在零点漂移 基本差动放大电路基本差动放大电路利用电路的对称性来抑制零利用电路的对称性来抑制零点漂移点漂移，但当输出方式由双端输出（从两个三级，但当输出方式由双端输出（从两个三级管的集电极输出，）改为单端输出（从一个三极管的集电极输出，）改为单端输出（从一个三极管的集电极输出，）时，管的集电极输出，）时，抑制零漂的能力就完全抑制零漂的能力就完全丧失，因为输出不是由差值产生丧失，因为输出不是由差值产生。为了增强差分放大电路的实用性，我们对它作为了增强差分放大电路的实用性，我们

4、对它作了一些改进。典型的改进后电路如图所示。图电了一些改进。典型的改进后电路如图所示。图电路也是由二个对称的单管放大电路构成，但与基路也是由二个对称的单管放大电路构成，但与基本差分放大器相比较，本差分放大器相比较，VT1、VT2的发射极多了一的发射极多了一个发射极电阻，同时采用双电源供电。个发射极电阻，同时采用双电源供电。图图4.5 典型差分放大电路典型差分放大电路 电路也是由二个对称的单管放大电路构成，但与基本差分放大器相比较，VT1、VT2的发射极多了一个发射极电阻。采用双电源供电的目的是在保证一定输出幅度的前提下，可以使发射极电阻取较大的阻值，从而提高电路的共模抑制比，并省略了偏置电阻；

5、引入了共模负反馈，可以稳定静态工作点。在共模信号输入时，由于差分放大在共模信号输入时，由于差分放大器在上形成了反馈电压是单管电路的两倍，故对器在上形成了反馈电压是单管电路的两倍，故对共模信号有更强的抑制能力。但是对差模信号没共模信号有更强的抑制能力。但是对差模信号没有负反馈作用，因为在上形成的差模反馈量互相有负反馈作用，因为在上形成的差模反馈量互相抵消。抵消。带发射极电阻差分放大器原理带发射极电阻差分放大器原理 图4.5（b）所示电路为具有恒流源的差分放大具有恒流源的差分放大器器。由4.5（a）图分析可知，电阻越大，共模抑制能力越强，但负电源-VEE相对也要提高，制作这样的电路不现实。因此把它

6、改装成如4.5（b）图所示电路，用一个恒流源来代替，由VT3、R1、R2、R3构成。R1、R2为恒流源电路的偏置电阻，调整R1的阻值，可调整IC3，使之满足合适的静态工作点的要求。当VT3管工作在放大区时，IC只受IB控制，与VCE无关。也就是说也就是说ce端呈现的交流电端呈现的交流电阻相当大。用它来代替电阻阻相当大。用它来代替电阻RE，既能使静态工作，既能使静态工作点满足要求，又能呈现很大的交流电阻。对共模点满足要求，又能呈现很大的交流电阻。对共模信号的抑制能力很强，共模抑制比可达到信号的抑制能力很强，共模抑制比可达到60120dB。4.差分放大器的输入、输出方式差分放大器的输入、输出方式

7、差分放大器输入、输出端均可采用双端输入和单端输入两种方式。双端输出时负载RL接在两个管子的集电极，负载RL不接地端；单端输出时，负载RL接在某个管子的集电极与地端，而另一个管子无输出。因此差分放大器有差分放大器有4种连接方式种连接方式。(1)双端输入和双端输出差分放大器双端输入和双端输出差分放大器如图（a）所示，可利用电路的对称性及RE的共模反馈来抑制零漂。(2)双端输入、单端输出差分放大器双端输入、单端输出差分放大器如图(b)所示。(3)单端输入、双端输出差分放大器单端输入、双端输出差分放大器如图(c)所示。(4)单端输入、单端输出差分放大器单端输入、单端输出差分放大器如图(d)所示 单端输

8、出的电路已不具备对称性，抑制零漂主要靠射极电单端输出的电路已不具备对称性，抑制零漂主要靠射极电阻阻Re的共模反馈来实现的共模反馈来实现 4.2 集成运算放大器集成运算放大器分立元件电子线路：分立元件电子线路：由电阻、电容、电感、晶体管等元器件及导线组成，这些元器件结构上彼此独立，称为分立元件。集成电路电子线路集成电路电子线路：采用半导体制造工艺，将晶体管、场效应管、电阻、小电容以及它们之间的连线集中制作在一块硅片上，封装在一个管壳内，构成特定功能的电子线路，称为集成电路，简称IC。集成运算放大器简称集成运放：集成运算放大器简称集成运放：它实际是一种高增益的多级直接耦合放大器的集成电路。它最初多

9、用于对模拟信号的数学运算，现已作为一种通用的高性能的放大器件，与分立元件相比，更实用，更方便，因此广泛地用于电子技术的各种领域。4.2.1集成运放的组成、符号和外形集成运放的组成、符号和外形1.集成运放器的组成集成运放器的组成集成运放内部电路一般由四部分组成四部分组成，(1)输入级输入级 通常是由三极管或场效应管构成的差分放大器，利用它可以使集成运放获得尽可能高的共模抑制比，以及良好的输入特性。由于差分放大器有二个输入端，故由它构成的集成运放输入级也有二个输入端。(2)中间级中间级 中间级的主要作用使保证集成运放具有较强的放大能力，通常由多级共射(或共源)放大器构成，并经常采用复合管做放大器。

10、(3)输出级输出级 输出级应具有输出电阻小，非线性失真小等特点。故此级大多采用射极输出器或复合射极输出器。此外，输出级还应有过载保护。(4)偏置电路偏置电路 偏置电路用于为集成运放各级放大器提供稳定的偏置电流，从而确定合适而稳定的静态工作点。4.2.1集成运放的组成、符号和外形集成运放的组成、符号和外形1.集成运放器的组成集成运放器的组成集成运放内部电路一般由四部分组成四部分组成，(1)输入级输入级 通常是由三极管或场效应管构成的差分放大器，利用它可以使集成运放获得尽可能高的共模抑制比，以及良好的输入特性。由于差分放大器有二个输入端，故由它构成的集成运放输入级也有二个输入端。(2)中间级中间级

11、 中间级的主要作用使保证集成运放具有较强的放大能力，通常由多级共射(或共源)放大器构成，并经常采用复合管做放大器。(3)输出级输出级 输出级应具有输出电阻小，非线性失真小等特点。故此级大多采用射极输出器或复合射极输出器。此外，输出级还应有过载保护。(4)偏置电路偏置电路 偏置电路用于为集成运放各级放大器提供稳定的偏置电流，从而确定合适而稳定的静态工作点。什么是复合管？什么是复合管？复合管即复合三极管，它是把两个以上三极管把两个以上三极管按一定方式连接起来作为一个三极管使用按一定方式连接起来作为一个三极管使用。复合复合管有以下几个特点：管有以下几个特点：1.连接时一般以小功率管（小功率管（VT1

12、）作为输入管）作为输入管，大功率管（VT2）作为输出管，复合管的输出功率复合管的输出功率取决于输出管取决于输出管VT2；2.两管复合后的管子极性取决于输入管两管复合后的管子极性取决于输入管VT1，例如假设VT1管为NPN型，则组成的复合管也是NPN型；3.复合管的电流放大系数约等于两只管1、2的乘积，即=12。由于此三个特点，复合管大量地运用于各种电子线路中。判断复合三极管连接是否正确，主要是看判断复合三极管连接是否正确，主要是看：1.两只管子的各极电流能否都顺着各个管的正常工作方向流顺着各个管的正常工作方向流动动；2.前管的前管的c、e极是否极是否与后管的与后管的c、b极相连极相连，因为如果

13、前管的c、e极与后管的b、e相连，前管的VCE会受到后管的VBE的钳制而无法正常工作。2.集成运放的符号和外形集成运放的符号和外形 集成运放的符号目前能见到的有两种，为了简便，省去电源等端口，通常只画输入和输出端，如图所示。图中“”表示运算放大器信号传输的方向，三角形顶所指方向表示信号从左至右传输；“”表示开环增益极高。它有两个输入，标“+”（或P）的为同相输入端同相输入端，标“-”(或N)的为反相输入端反相输入端。图所示符号为旧标准采用的图形符号,但在很多参考书上还很常见。4.2.2集成运放的主要参数集成运放的主要参数1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数：指在没有外接反馈时集成运放本身的差模

14、电压放大倍数。它是反映集成运放放大能力的一个重要参数。越高，运算精度越高。2.差模输入电阻差模输入电阻rid：是指运放开环工作，输入差模信号时的输入电阻。rid越大，运放向信号源索取的电流越小，对信号源的影响也越小，运算精度越高。3.输出电阻输出电阻ro：是指运放开环工作时的输出电阻。ro越小，运放带负载能力越强。4.输入失调电压输入失调电压VIo：因工艺上的误差，运放的差动输入级不可能完全对称，为了使输入电压为零时输出电压也为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，以抵消内部电路的不对称。这个补偿电压的数值表征了运放的失调程度，称为输入失调电压，它的值越小，输入级对称性越好。5.输入偏置电流输

15、入偏置电流IIB：指运放输入电压为零时，同相和反相输入端静态基极电流的平均值，其值越小越好。6.共模抑制比共模抑制比KCMR：表示运放对共模信号的抑制能力，它主要取决于输入级差动放大电路的共模抑制比，其值越大越好。4.2.3集成运放的特点1.理想集成运算放大器理想集成运算放大器 理想集成运算放大器也就是其技术指标都具有理想特性的运放，理想状态下的参数是：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Avd 差模输入电阻差模输入电阻 rid 输出电阻输出电阻 rO 0 此外还认为没有失调电压，即VIO=0，共模抑制比KCMR无限大。集成运放有几种输入方式？集成运放有几种输入方式？集成运放有两个输入端两个输入

16、端，这两个输入端是不是一定要同时输入信号呢？不是，就像差分放大电路一样，它既可以是单端输入也可以采用双端输入。一般集成运放有三种输入方式三种输入方式:反相输入反相输入（只从反相端输入信号）、（只从反相端输入信号）、同相输入同相输入（只从同相（只从同相端输入信号）和端输入信号）和差分输入差分输入（从反相端和同相端同（从反相端和同相端同时输入信号）时输入信号）。值得注意的是，不同的输入方式，输出的结果可是不一样的。1.反相输入比例运算反相输入比例运算（1）电路结构与特点 电路如图所示，同相输入端经电阻R2接地，输入电压i从反相输入端加入，在输入端和反相输入端接有负反馈电阻Rf，构成深度电压并联负反

17、馈电路。其中R2称为平衡电阻称为平衡电阻，其值为R2=R1/Rf，它可使运放输入级的差分放大电路对称，使运放输入级的差分放大电路对称，有利于抑制零漂。有利于抑制零漂。由于p=0，因而N=0表明N点为地电位，实际不接地，故称称N点为点为“虚虚地地”，这是反相输入比例运算电路的一个重要特点。4.3.1比例运算比例运算 输出电压与输入电压成比例关系的电路，称为比例运算电路。有反相输入比例运算电路和同相输入比例运算电路二种。2.同相输入比例运算同相输入比例运算电路结构与特点:输入信号i通过R2接至同相输入端，反馈电阻Rf与R1将输出电压反馈到反相输入端，形成电压串联负反馈。为使输入端保持平衡，应使R2

18、=R1/Rf。4.4.1简单的直流电压放大电路简单的直流电压放大电路 它主要是利用了一块集成运放构成一个同相比例运算器来实现的。VD1和VD2显示运算放大器集成电路的输出电压。一个发光二极管要在1.5V的电压下才能点亮。在这个电路中，我们将两个发光二极管串联，所以它们只有在3V的电压下才会亮起来。现在它们处于熄灭状态，因此运算放大器的输出电压必定小于运算放大器的输出电压必定小于3V 把开关打到A端时，不再接R1和R2两个10K的电阻，因此放大器的同相端输入电压就为1.5V。此时运算放大器的输出电压为：1.5V(220K100K)+1=4.8V。这时，发光二极管就会朦胧地亮发光二极管就会朦胧地亮

19、起来，因为输出电压超过了起来，因为输出电压超过了3V。4.4.2防盗报警器防盗报警器 电路是一个由双反馈支路的运算放大器构成的振荡器由双反馈支路的运算放大器构成的振荡器。正反馈支路由正反馈支路由R3、R1、R2组成，负反馈支路由组成，负反馈支路由K、R4、C1组成组成。当开关K接通时，扬声器里没有一点声音；当开关K断开，扬声器里就会传出嘟嘟的声音来，这种嘟嘟声就起到报警的作用。用不同的电阻、电容来代替10K的电阻和0.1uF的电容，可以改变振荡频率。集成运放的保护电路集成运放的保护电路 电源极性反接保护 输入保护 输出保护 欢迎老师和同学们提出宝贵的意见！欢迎老师和同学们提出宝贵的意见！名名 师师 课课 堂堂