模拟电子技术及应用,作者：赵玉玲,责任编辑：阮海潮 出版日期：2009年9月 IDPN：308-2009-106 课件章数：7,第三章 运算放大电路及其应用,3.1 直流放大电路的特殊问题 3.2 差动放大电路 3.3 集成运算放大器 3.4 集成运放的非线性应用 3.5 集成运放的线性应用 3.6 信号滤波电路 3.7 实用知识, - 直流放大电路的特殊问题,- - 前后级的电路配合问题,前一级放大电路静态工作点的调整会影响后一级放大电路的静态工作点，使各级放大电路静态工作点的设置和调节变得麻烦,- - 零点漂移问题,直流放大器在输入信号为零时，输出电压偏离其起始值的现象称为零点漂移,- - 零点漂移的抑制,下面介绍若干抑制零漂的具体措施： （）电路元件在安装前要经过认真筛选和“老化”处理，以确保质量和参数的稳定性 （）为减小电源电压波动引起的漂移，必要时要采用稳定度高的稳压电源 （）采用温度补偿 （）采用调制型直流放大器 （）采用差动放大电路,温度补偿法, - 差动放大电路,- - 基本差动放大电路,它由两个特性完全相同的单管共射极电路组成。输入信号u和u从差动对管的两个基极加入（称为双端输入），输出信号从两个集电极之间取出（称为双端输），或从其中任一个集电极输出（称为单端输出）,一、静态特性 静态时，u u ，由于电路参数完全对称，uuU ，考虑到两管的基极电流 I 远小于射极电流I，偏置电路方程是：,当温度T 变化引起两管集电极电流变化时，由于R 具有稳定工作点电流的作用，使集电极电流变化减小；又由于电路的对称性，使两管集电极电流变化量相等，因此，输出电压总为零，即对称差动放大电路的温度漂移等于零,二、差模特性 当差动放大电路的两输入端加上大小相等、极性相反的信号时，称为差模输入方式。此时uu，uuu，u 、u称为差模输入信号。在差模输入信号的作用下，差动对管的两集电极电流变化大小相等，方向相反，因此，流过 R 上的总电流不变,差模特性分析,（）差模电压放大倍数 A 从两管集电极作双端输出时，差模电压放大倍数 A 是指差模输出电压 u与差模输入电压u之比，即A u/u,单端输出时（u或u单端接负载R ），差模电压放大倍数是指单端输出电压u（或u ）与差模输入电压u之比，即,（）差模输入电阻是从两输入端看进去的交流等效电阻，故为两个半边等效电路差 模输入电阻之和，即 R （R r ）,（）差模输出电阻是从输出端看进去的交流等效电阻，因此，双端输出时 R R 单端输出时 R R ,三、共模特性,当差动放大电路两输入端加上大小相等、极性相同的信号时，称为共模输入方式,双端输出时，共模电压放大倍数 A 是指双端共模输出电压 u与共模输入电压 u之比 温度变化或电源电压波动引起两管集电极电流的变化，可以等效地视为在输入端加入共模信号的结果 单端输出时，共模电压放大倍数,四、共模抑制比,用来衡量差动放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的指标，定义为差模电压放大倍数A 和共模电压放大倍数A 之比的绝对值 共模抑制比越大，表示差动放大电路对共模信号的抑制作用越强,五、单端输入特性,是指信号由差动对管的一管基极输入，另一管基极接地,差模输入电压为： uuuu 共模输入电压为： u/*（uu）/* us,可总结出以下规律：,（）差动放大电路的主要性能指标仅与输出方式有关，而与输入方式无关； （）差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍数就是半边差模等效电路的电压放大倍数；而单端输出时，是半边差模等效电路电压放大倍数的一半（当R 时）； （）差模输入电阻不论双端输入还是单端输入方式，都是半边差模等效电路输入电阻的两倍。 而输出电阻，在单端输出时，R R ；在双端输出时，R R 。,例 - - 在图 - - 所示电路中，设 V V ，R R ，R 14. ，R 5.1 ， 。 求： （）双端输出时的差模电压放大倍数 A ； （）当R 接在 管的集电极与地之间时的差模电压放大倍数 A 、共模电压放大倍数A 和共模抑制比K ； （）当u、u 时，求在第（）问条件下的单端输出总电压u。,图 - - ,六、传输特性,描述差动放大电路输出信号电压（或电流）随差模输入电压变化的规律 （）差模传输特性的线性工作范围 （）差模传输特性的非线性特性,- - 改进型差动放大电路,例 - - 在如图 - - （）所示电路中，设 的 120，r 200 ，R 10 ，R R 100 ，R4.3 ，R ，V ，V 。 （）试计算电路的静态工作点； （）求差模电压放大倍数A 、差模输入电阻R 和输出电阻R 。,实际上，差动放大电路两管特性和电阻参数不可能完全对称，这将使电路的输入电压为零时，输出电压不为零。 为了消除差动放大电路的这种失调现象，常用的办法是加一个调零电位器,例 - - 电路如图 - - 所示，已知 、 、 和 特性相同， 80，U 0.7； 和 管特性相同，i i ， 。 试回答下列问题： （）说明电路各部分的名称及作用； （）证明：利用镜像电流源可以使单端输出差分放大电路的差模电压放大倍数提高到近似双端输出差分放大电路的差模电压放大倍数； （）计算电路的差模电压放大倍数 A u/u,图 - - 例 - - 图, - 集成运算放大器,- - 集成运算放大器的外形和符号, 外接线图,- - 集成运算放大器的性能参数,开环增益和带宽 输入失调电压 U 输入偏置电流I 输入失调电流 I 温度漂移 共模抑制比 最大差模输入电压U 最大共模输入电压 U 差模输入电阻 r 转换速率 S,开环增益和带宽,输入失调电压 U ,一个理想的集成运放，当输入电压为零时输出电压也应为零。但实际上它的差动输入级很难做到完全对称，一般在u时，u。 U 值愈大，说明电路的匹配程度愈差,输入偏置电流I,集成运放的两个输入端一般必须有一定的直流电流 I 和I 才能工作,例 - - （）为什么在放大器的同相端常接入一个电阻R ，且其大小等于反相端的直流电阻值？ （）为什么在交流同相放大器中，同相端必须有一个电阻接地？,输入失调电流 I 输入失调电流是反映运放两输入端输入电流不对称程度的参数，以I II 表示 温度漂移 （）输入失调电压温漂 U T （）输入失调电流温漂 I T,共模抑制比 放大器抑制共模信号的能力 最大差模输入电压U 指的是集成运放的反相和同相输入端之间所能承受的最大电压值 最大共模输入电压 U 是指运放所能承受的最大共模输入电压,差模输入电阻 r 指输入差模信号时运放的输入电阻，r越大，对信号源的影响及所引起的动态误差越小。 转换速率 S 转换速率也叫压摆率，是反映运放输出对于高速变化的输入信号的响应情况,- - 专用集成运放简介,通用运放的各项性能指标并不都是十分理想的，为了满足一些特殊要求，又发展了一系列具有特殊指标的集成运放。 除了具有高增益的通用型外，还有高输入阻抗、高精度、低功耗、高速、高压和大功率等专用型集成运放,- - 通用型集成运放的组成及工作原理,一、带有源负载的差动放大电路 如利用镜像电流源作有源负载，还可以使单端输出的差动放大电路的电压放大倍数提高近一倍，使之接近双端输出的电压放大倍数,二、运放的组成及原理,偏置电路 输入级 输入级由 组成共集共基组态的差动放大电路， 组成有源负载。这种电路结构有利于提高输入级的电压放大能力和共模抑制比 中间级 这一级由 、 组成复合管共发射极放大电路，由 、 所组成的电流源作其有源负载，有利于进一步提高电路的电压放大能力 输出级 输出级对运放来说，要求带负载的能力强，输出线性范围宽，非线性失真小, - 集成运放的非线性应用,- - 集成运放的理想条件,（）开环电压放大倍数A ； （）开环输入电阻r； （）输出电阻 r； （）无零漂、无失调等。,- - 集成运放工作在线性区和非线性区的特点,. 线性区工作的特点运放两输入端间为“虚短”和“虚断” 在线性区内，由于u 为有限值，而 A ，所以 uu uu A ，即 u u ，理想运放两输入端间的电压为零（但不是短路），常称为“虚短”。 由于u，而r，所以运放的输入电流i u r，即理想运放的两输入端不取电流（但不是断开），故称为“虚断”。,（）集成运放同相输入端与反相输入端的对地电位相等，即： uu （）流入集成运放两个输入端的电流都等于零，即： i i ,. 非线性区工作的特点输出为正向或负向饱和电压 运放在非线性区工作时，其输出电压 uA （uu ）A u uuu u/A ,理想运放工作在非线性区时，我们也可归纳它的特点为：,()输出电压 u 只有两种可能的状态，不是正饱和电压 U 就是负饱和电压U 。 (2)运放的输入电流等于零,- - 集成运放的非线性应用比较器和波形发生器,一、比较器的基本原理及其传输特性 过零比较器,当u时，u则 uU ； 当u时，u则 uU 。,也就是说，每当输入信号越过零电平时，输出电压就要翻转到另一个状态（U 或U ），能够实现对输入信号的过零检测 若参考电压不为零，即 uV 时，这个电路就成为某一电平（V ）的检测器了，叫单门限比较器，V 即为门限电压, 传输特性及其应用 利用这种特性，可以进行波形变换,带输出限幅的过零比较器 如果希望减小比较器的输出电压幅值，可外加双向稳压管 ，这时，输出电压的幅值受 的稳压值 U 限制，电路的正向输出幅度与负向输出幅度基本相等，u U 或U ,二、具有滞回特性的比较器施密特触发器 . 电路特点和工作原理 电路输出正饱和电压时，得上限触发电平U ；电路输出负饱和电压时，得下限触发电平 U ,设开始时 u 足够低，电路输出正饱和电压U ，此时运放同相端对地电压等于U 。 当输入信号逐渐增大到刚超过上限触发电平U 时，电路立即翻转，输出由U 翻到U 。 u 继续增大，u 保持为U ，传输特性如图 （）所示。 这时运放同相端对地电压变为 U 值。 如u 开始下降，u 保持为U 值。 当u 降低到略小于下限触发电平U 时，电路又翻转，输出由U 翻回到U 。 传输特性如图 （）所示。, 传输