直接耦合放大电路和集成运算放大器.pptx

第第3章章 直接耦合放大电路和直接耦合放大电路和集成运算放大器集成运算放大器3.1 直接耦合放大电路直接耦合放大电路3.2 差动放大电路差动放大电路3.3 集成运算放大器集成运算放大器 许多放大器都是由多级当大电路组成的，各级放大电路对微弱信号进行接续放大，从而获得必要的电压幅数或足够的功率。多级放大器的组成模式可用下列框图示意：第一级第(n1)级第二级第n级输入输出前置级末前级末级(输出级)功率放大功率放大电压放大电压放大多级放大器的耦合多级放大器的耦合耦合的概念及类型耦合的概念及类型：多级放大电路中，前后两级之间的联接方式称为耦合耦合。常用的级间耦合有阻容耦合、直接耦合阻容耦合、直接耦合及变压器耦合变压器耦合三种方式。阻容耦合阻容耦合方式的结构简单，易于调整，适合于交流放大电路；直接耦合直接耦合结构较复杂，调整比较繁琐。在集成电路得到极大发展以来，直接耦合的应用越来越多；变压器耦合变压器耦合结构虽比较简单，但元件体积大、重量大、不适于电路的小型化和集成化，在应用上有许多局限性，许多场合已被前两种方式所取代。为了能对缓慢变化的信号或直流信号进行为了能对缓慢变化的信号或直流信号进行放大，不能采用阻容耦合而只能采用直接耦合放大，不能采用阻容耦合而只能采用直接耦合将前级的输出信号直接接到后级的输入端将前级的输出信号直接接到后级的输入端.直接耦合的结构虽然简单，但存在着严重问直接耦合的结构虽然简单，但存在着严重问题，一是前后级静态工作点的相互影响；二题，一是前后级静态工作点的相互影响；二是所谓的零点漂移。是所谓的零点漂移。3.1.1 直接耦合放大电路的两个特殊问题直接耦合放大电路的两个特殊问题3.1 直接耦合放大电路直接耦合放大电路R2、RE2:为设置合适的为设置合适的Q点点而增加。而增加。1.各级工作点的互相影响与合理安排问题各级工作点的互相影响与合理安排问题+VCCu0RC2T2uiRC1R1T1R2RE2返回返回2.直耦放大电路的特殊问题直耦放大电路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：零漂的衡量方法：零漂的衡量方法：由由温温度度变变化化引引起起的的。当当温温度度变变化化使使第第一一级级放放大大器器的的静静态态工工作作点点发发生生微微小小变变化化时时，这这种种变变化化量量会会被被后后面面的的电电路路逐逐级级放放大大，最最终终在在输输出出端端产产生生较较大大的的电电压压漂移。因而零点漂移也叫漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输输入入ui=0时时，输输出出有有缓缓慢慢变化的电压产生。变化的电压产生。将将输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折折算算到到输输入端计算。入端计算。+Re1b1Rc1RV1ouuiVV2CCRe2VEE例如例如 若若输输出出有有1 V的的漂漂移移电压电压。则等效输入有则等效输入有100 uV的漂移电压的漂移电压假设假设第一级是关键第一级是关键3.减小零漂的措施减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路采用差动放大电路等效等效 100 uV漂移漂移 1 V3.1.2 合理安排各级工作点的常用方法合理安排各级工作点的常用方法1.在后级射极接电阻，提高前级集电极电压在后级射极接电阻，提高前级集电极电压用Re2调节电位 2.串联二极管或稳压管串联二极管或稳压管 用二极管调节电位 用稳压管调节电位3.1.3 零漂的抑制零漂的抑制（1）对电路元件进行认真筛选及做“老化”处理，确保质量和参数的稳定性。（2）采用稳定度高的稳压电源减小电源电压波动引起的零漂。（3）采用差动放大电路，其工作原理将在下一节介绍。3.2 差动放大电路差动放大电路一一.结构结构:对称性结构对称性结构即：即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb11=Rb12Rb11=Rb12=Rb,R1=R2 3.2.1 基本差动放大电路基本差动放大电路2024/8/23 周五 1.1.差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端：双端输入双端输入从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。单端输入单端输入仅从一个输入端仅从一个输入端对地对地加信号。加信号。2.2.差动放大电路可差动放大电路可以有两个输出端。以有两个输出端。双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。二二.几个基本概念几个基本概念3.差模信号与共模信号差模信号与共模信号差模信号：差模信号：共模信号：共模信号：差模电压增益：差模电压增益：共模电压增益：共模电压增益：总输出电压：总输出电压：4.共模抑制比共模抑制比三、抑制零漂的原理三、抑制零漂的原理:Uo=UC1-UC2 =0当当ui1=ui2 =0 时，时，当温度变化时：当温度变化时：UC1=UC2设设T ic1 ,ic2 uc1 ,uc2 uo=uc1-uc2=03.2.2 带发射极电阻Re的差动放大电路1.失调与调零实际上差放很难做到完全实际上差放很难做到完全对称，所以在静态时，输对称，所以在静态时，输出电压不为出电压不为0，这种现象，这种现象称为失调。称为失调。为了消除失调，在实际差放电路中采用调为了消除失调，在实际差放电路中采用调零电路。调节零电路。调节RPRP可以改变两个晶体管发射可以改变两个晶体管发射极电阻的大小，从而改变两管的发射极电极电阻的大小，从而改变两管的发射极电流，也改变了集电极电流，使无输入信号流，也改变了集电极电流，使无输入信号时的输出信号时的输出信号u uO=0O=0，(1)(1)加入差模信号加入差模信号 ui1i1=-=-ui2i2=uidid/2/2，2.2.电路的动态分析电路的动态分析 所以，所以，Re对差模信号对差模信号相当于短路。相当于短路。若若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变不变 UE不变不变 uicic=0=0。求差模电压放大倍数求差模电压放大倍数：因为因为ui1=-ui2设设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。电路对称电路对称uo1=uo2 uo=uo1 uo2=2 uo1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数+ibberR-+Co1uRL-+ui1icib2bR差模输入电阻差模输入电阻输出电阻输出电阻(2)(2)加入共模信号加入共模信号 ui1i1=ui2i2=uicic，uidid=0=0。设设ui1 ，ui2 uo1 ，uo2 。因因ui1=ui2，uo1=uo2 uo=0(理想化理想化)。共模电压放大倍数共模电压放大倍数 3.2.3 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式：根据共模抑制比公式：加大加大Re，可以提高共模抑，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源制比。为此可用恒流源T3来来代替代替Re。等效很大的交流电阻，直等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。流电阻并不大。恒流源使共模放大倍数减小，而恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。共模抑制比。恒流源的作用恒流源的作用3.2.4 差动放大电路的四种接法差动放大电路的四种接法 差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输出（双端输入、双端输出（双入双出双入双出）2.双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出）3.单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出）4.单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数（3）差模输入电阻）差模输入电阻（4）输出电阻）输出电阻2.双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用这种方式适用于将差分信号转换于将差分信号转换为单端输出的信号。为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）输出电阻）输出电阻（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数 ui1i1=ui2i2=uicic，设设ui1 ，ui2 ie1 ，ie1 。iRe（=2 ie1）画出共模等效画出共模等效电路电路求共模电压放大倍数求共模电压放大倍数：+i-RbeuLuRR+r-bo1CbbiicciRe2 3.单端输入双端输出单端输入双端输出 单端输入等效双端输单端输入等效双端输入入:因为因为Re从从T2发射极看进发射极看进去的等效电阻，故去的等效电阻，故 Re 可视为开可视为开路，于是有路，于是有ui1=ui2 =ui/2 计算同双端输入双端输出：计算同双端输入双端输出：动画演示4.单端输入单端输出单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号：注意放大倍数的正负号：设从设从T1的基极输入信号，如果从的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从输出为负号；从uo2 输出为正号。输出为正号。计算同双入单出：计算同双入单出：(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：差动放大器动态参数计算总结差动放大器动态参数计算总结 双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，(4)(4)输出电阻输出电阻(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。，或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：3.3 集成运算放大器 3.3.1 概述 将多级放大电路的差动输入级、中间放大级、输出功率级和偏置电路等集成在同一基片上就可得到高性能的集成多级放大电路集成运算放大器。3.3.2 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成unup uo集成运算放大器符号集成运算放大器符号国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端VVVo+A+-upunu 1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。3.2.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 2.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。4.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。5.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。本章小结本章小结（1）放大电路的级间耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压）放大电路的级间耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合等。放大电路一般采用阻容耦合，因为它电路简单，调器耦合等。放大电路一般采用阻容耦合，因为它电路简单，调试方便；而对于直流或缓慢变化的信号，则必须采用直接耦合试方便；而对于直流或缓慢变化的信号，则必须采用直接耦合方式。方式。（2）直接耦合放大电路存在直流电位配合和零点漂移两大问）直接耦合放大电路存在直流电位配合和零点漂移两大问题。通常采用电平移动电路来解决前后级静态工作点的合理安题。通常采用电平移动电路来解决前后级静态工作点的合理安排问题，采用差动放大电路解决零点漂移问题。排问题，采用差动放大电路解决零点漂移问题。（3）在基本的差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿）在基本的差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿来抑制零点漂移。来抑制零点漂移。常用共模抑制比常用共模抑制比KCMR来衡量差动放大电路抑制共模信号的能来衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，力，KCMR=|Aud/Auc|，KCMR越大，则共模抑制能力越强越大，则共模抑制能力越强。（4）集成电路是将包括元件、器件及电路连线在）集成电路是将包括元件、器件及电路连线在内的整个电路制作在一块半导体基片上，构成特内的整个电路制作在一块半导体基片上，构成特定功能的电子电路。它具有体积小，性能好的优定功能的电子电路。它具有体积小，性能好的优点，得到越来越广泛的应用。集成运放是众多集点，得到越来越广泛的应用。集成运放是众多集成电路中的一种。成电路中的一种。（5）集成运放是高放大倍数的直接耦合多级放大）集成运放是高放大倍数的直接耦合多级放大电路。为抑制零点漂移，输入级常采用差动放大电路。为抑制零点漂移，输入级常采用差动放大电路，中间级一般为共射极电路，输出级多用互电路，中间级一般为共射极电路，输出级多用互补输出，以提高带负载能力。补输出，以提高带负载能力。（6）集成运放的主要参数有）集成运放的主要参数有UIO、IIO、IIB、Aod、KCMR等，使用时应合理选用。等，使用时应合理选用。