計算機應用技術電工電子第八講

電子技術基礎

第八講主講人：周恒艷合肥信息技術職業(yè)學院第三章集成運算放大器集成運放的概念在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件（管子、電容、電阻）及其連接的導線，制作在一個硅片上，引出若干個引出端（輸入端、輸出端、正負電源端等）構成特定功能的電子電路稱為集成電路。將集成電路進行封裝，當做一個元器件來用。這就是集成運算放大器。運算放大器的用途早已不限于數(shù)學運算，它在信號的產(chǎn)生、變換、處理、測量、自動控制等方面起了非常重要的作用，因此得到了非常廣泛的應用。3.1.1集成運放電路的組成輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的

放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大

不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。3.1.1集成運放電路的組成輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的

放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大

不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。3.1.1集成運放電路的組成輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的

放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大

不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。集成運放的代表符號3.2集成電路的特點和分類電路元件制造在同一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，因此元器件的性能比較一致，溫度均一致。適合做差分放大電路電阻元件用硅半導體制成，范圍在幾十~幾千歐，阻值太高太低都不易制造，高阻值用三極管的有源元件代替。100PF的小電容用PN結的結電容構成。二極管一般用三極管來代替。

集成電路的分類按功能分：模擬集成電路：集成運算放大器（簡稱運放）、集成功率放大器、集成模擬乘法器、集成穩(wěn)壓器等。數(shù)字集成電路：集成門電路、集成觸發(fā)器、寄存器等。按導電類型分：單極型、雙極型。按集成度分：小規(guī)模集成、大規(guī)模集成等?！?.2差動放大電路-耦合方式一、直接耦合

UCEQ1＝UBEQ2→加Re（Au2數(shù)值變?。挠枚O管→若要求UCEQ1

較大，則改用穩(wěn)壓管。§3.2差動放大電路-耦合方式一、直接耦合

UCEQ1＝UBEQ2→加Re（Au2數(shù)值變?。挠枚O管→若要求UCEQ1

較大，則改用穩(wěn)壓管。§3.3直接耦合放大電路一、零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ?.引入直流負反饋，2.溫度補償。典型電路：差分放大電路（第三種方法）§3.3直接耦合放大電路一、零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ?.引入直流負反饋，2.溫度補償。典型電路：差分放大電路（第三種方法）二、差分放大電路

1、基本電路1)結構特點：對稱性，Rb1=Rb1=Rb，Rc1=Rc1=Rc，T1和T2特性完全相同。2)Q點：令uI1=uI2=0UEQ≈-UBEQ靜態(tài)分析RB3)抑制共模信號

共模信號：數(shù)值相等，極性相同的輸入信號。即uI1=uI2=uIcRe的共模負反饋作用：

T(℃)↑→IC1↑IC2↑→UE↑→IB1↓IB2↓→IC1↓IC2↓抑制每只差分管集電極電位的變化。對于每一邊電路，Re=?對共模信號不放大！動態(tài)分析4)放大差模信號差模信號：數(shù)值相等，極性相反的輸入信號。即uI1=-uI2=uId/2?！鱥E1=－△iE2，Re中電流不變，即Re

對差模信號無反饋作用。E點相當于交流接地！動態(tài)分析E點電位發(fā)生改變了嗎？放大倍數(shù)并未提高，犧牲了成本，抑制了零點漂移比較輸入方式:如果兩個輸入信號既不是差模，也不是共模，其相位和大小都是任意的.

3.1.3集成運算放大器的主要技術指標一、開環(huán)差模電壓增益AUO（動態(tài)指標）

AUO=UO/(U+-U-)二、輸入失調電壓UIO（靜態(tài)指標）運放在輸入電壓為零，但輸出電壓不是零，有偏差，這時候我們就需要在輸入端加一個很小的電壓以校正輸出電壓為零，這個加的電壓為輸入失調電壓UIO三、輸入失調電流IIO（靜態(tài)指標）在輸入信號為零時，同向反相兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。如果輸入理想對稱，則IIO為零。四、輸入偏置電流IIB

輸入信號為零，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值IIB=1/2(IB1+IB2)五、最大差模輸入電壓UIDM

兩個輸入端間允許加的差模輸入電壓的最大值。六、最大共模輸入電壓UICM

輸入端加有相同的電壓，叫共模輸入電壓。運放對共模信號有抑制作用。但僅僅在一定范圍內，此范圍為共模輸入電壓UICM七、差模輸入電阻rid（動態(tài)指標）從運放的輸入端看過去的交流等效電阻八、最大輸出電壓UOP

運放工作在放大狀態(tài)時，能夠輸出的最大電壓幅度。差動放大電路的改進單端輸入單端輸出4.3互補對稱功率放大電路4.3.1

功率放大電路的特點及類型1．功率放大電路的特點功率放大電路的任務是向負載提供足夠大的功率，這就要求①功率放大電路不僅要有較高的輸出電壓，還要有較大的輸出電流。因此功率放大電路中的晶體管通常工作在高電壓大電流狀態(tài)，晶體管的功耗也比較大。對晶體管的各項指標必須認真選擇，且盡可能使其得到充分利用。因為功率放大電路中的晶體管處在大信號極限運用狀態(tài)，②非線性失真也要比小信號的電壓放大電路嚴重得多。此外，功率放大電路從電源取用的功率較大，為提高電源的利用率，③必須盡可能提高功率放大電路的效率。放大電路的效率是指負載得到的交流信號功率與直流電源供出功率的比值。2．功率放大電路的類型甲類功率放大電路的靜態(tài)工作點設置在交流負載線的中點。在工作過程中，晶體管始終處在導通狀態(tài)。這種電路功率損耗較大，效率較低，最高只能達到50％。乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點設置在交流負載線的截止點，晶體管僅在輸入信號的半個周期導通。這種電路功率損耗減到最少，使效率大大提高。甲乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點介于甲類和乙類之間，晶體管有不大的靜態(tài)偏流。其失真情況和效率介于甲類和乙類之間。4.3.1互補對稱功率放大電路1．OCL功率放大電路靜態(tài)（ui=0）時，UB=0、UE=0，偏置電壓為零，V1、V2均處于截止狀態(tài)，負載中沒有電流，電路工作在乙類狀態(tài)。動態(tài)（ui≠0）時，在ui的正半周V1導通而V2截止，V1以射極輸出器的形式將正半周信號輸出給負載；在ui的負半周V2導通而V1截止，V2以射極輸出器的形式將負半周信號輸出給負載?？梢娫谳斎胄盘杣i的整個周期內，V1、V2兩管輪流交替地工作，互相補充，使負載獲得完整的信號波形，故稱互補對稱電路。由于V1、V2都工作在共集電極接法，輸出電阻極小，可與低阻負載RL直接匹配。從工作波形可以看到，在波形過零的一個小區(qū)域內輸出波形產(chǎn)生了失真，這種失真稱為交越失真。產(chǎn)生交越失真的原因是由于V1、V2發(fā)射結靜態(tài)偏壓為零，放大電路工作在乙類狀態(tài)。當輸入信號ui小于晶體管的發(fā)射結死區(qū)電壓時，兩個晶體管都截止，在這一區(qū)域內輸出電壓為零，使波形失真。為減小交越失真，可給V1、V2發(fā)射結加適當?shù)恼蚱珘?，以便產(chǎn)生一個不大的靜態(tài)偏流，使V1、V2導通時間稍微超過半個周期，即工作在甲乙類狀態(tài)，如圖所示。圖中二極管D1、D2用來提供偏置電壓。靜態(tài)時三極管V1、V2雖然都已基本導通，但因它們對稱，UE仍為零，負載中仍無電流流過。2．OTL功率放大電路因電路對稱，靜態(tài)時兩個晶體管發(fā)射極連接點電位為電源電壓的一半，負載中沒有電流。動態(tài)時，在ui的正半周V1導通而V2截止，V1以射極輸出器的形式將正半周信號輸出給負載，同時對電容C充電；在ui的負半周V2導通而V1截止，電容C通過V2、RL放電，V2以射極輸出器的形式將負半周信號輸出給負載，電容C在這時起到負電源的作用。為了使輸出波形對稱，必須保持電容C上的電壓基本維持在UCC/2不變，因此C的容量必須足夠大。反饋放大電路反饋

在電子系統(tǒng)中把輸出回路的電量（電壓或電流）饋送到輸入回路,用來影響其輸入量的措施稱反饋。

反饋就是將輸出信號取出一部分或全部送回到放大電路的輸入回路，與原輸入信號相加或相減后再作用到放大電路的輸入端。反饋信號的傳輸是反向傳輸。所以放大電路無反饋也稱開環(huán)，放大電路有反饋也稱閉環(huán)。輸入信號反饋信號凈輸入信號4.4反饋的基本概念及判斷方法一有無反饋的判斷1.是否有反饋通路2.是否影響了凈輸入原則:二、交流反饋和直流反饋

反饋信號只有交流成分時為交流反饋，反饋信號只有直流成分時為直流反饋，既有交流成分又有直流成分時為交直流反饋。直流反饋與交流反饋的判斷（一）直流反饋！直流通路交流通路僅在直流通路中存在的反饋——直流反饋僅在交流通路中存在的反饋——交流反饋直流反饋與交流反饋的判斷（二）返回交流反饋正反饋負反饋凈輸入信號|Xi'|>|Xi|輸出幅度增加

。凈輸入信號|Xi'|<|Xi輸出幅度下降。

在某些振蕩電路中，有意引入正反饋構成自激振蕩。正確引入負反饋可以改善放大電路的性能。+++---三正反饋和負反饋的判斷

在放大電路的輸入端，假設一個輸入信號對地的極性，用“+”、“-”表示。按信號傳輸方向依次判斷相關點的瞬時極性，直至判斷出反饋信號的瞬時極性。如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小，則為負反饋；反之為正反饋。瞬時極性法反饋極性的判斷負反饋正反饋負反饋結論

反饋信號和輸入信號加于輸入回路一點時，瞬時極性相同的為正反饋，瞬時極性相反的是負反饋。

反饋信號和輸入信號加于輸入回路兩點時，瞬時極性相同的為負反饋，瞬時極性相反的是正反饋。

以上輸入信號和反饋信號的瞬時極性都是指對地而言，這樣才有可比性。瞬時極性法

對三極管來說？對運算放大器來說是同相輸入端和反相輸入端。判斷電壓反饋和電流反饋

將輸出電壓‘短路’，若反饋信號為零，則為電壓反饋；若反饋信號仍然存在，則為電流反饋。電壓反饋：反饋信號的大小與輸出電壓成比例的反饋稱為電壓反饋；電壓反饋與電流反饋的判斷：電流反饋：反饋信號的大小與輸出電流成比例的反饋稱為電流反饋。圖6.2.6電壓反饋與電流反饋的判斷（一）返回圖6.2.7電壓反饋與電流反饋的判斷（二）返回串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

反饋信號與輸入信號加在輸入回路的同一個電極上，則為并聯(lián)反饋；反之，加在放大電路輸入回路的兩個電極，則為串聯(lián)反饋。

對于三極管來說，反饋信號與輸入信號同時加在三極管的基極或發(fā)射極，為并聯(lián)反饋；一個加在基極一個加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。

對于運算放大器來說，反饋信號與輸入信號同時加在同相輸入端或反相輸入端，則為并聯(lián)反饋；一個加在同相輸入端一個加在反相輸入端則為串聯(lián)反饋。

此時反饋信號與輸入信號是電壓相加減的關系。

此時反饋信號與輸入信號是電流相加減的關系。判斷圖6.2.2電壓串聯(lián)負反饋電路返回負反饋類型電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋負反饋類型6.2負反饋放大電路的四種基本組態(tài)電壓串聯(lián)負反饋瞬時極性法當vi一定時：若

RLvovfvidvo電壓串聯(lián)負反饋電壓負反饋串聯(lián)負反饋輸出回路輸入回路⊕⊕⊕⊕反饋信號和輸入信號加于輸入回路兩點時，瞬時極性相同為負反饋。電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓反饋信號與電壓成比例，是電壓反饋。

反饋電壓Vf與輸入電壓Vid是串聯(lián)關系，故為串聯(lián)負反饋。UF=?UO例1：試分析該電路存在的反饋，并判斷其反饋組態(tài)。⊕⊕⊕⊕○

經(jīng)Rf加在發(fā)射極E1上的反饋電壓Vf與輸入電壓Vi是串聯(lián)關系，故為串聯(lián)負反饋。+vf-解：根據(jù)瞬時極性法判斷該電路為負反饋。輸出回路反饋信號與電壓成比例，是電壓反饋。輸入回路反饋信號和輸入信號加于輸入回路兩點時，瞬時極性相同為負反饋。電壓串聯(lián)負反饋二、電流串聯(lián)負反饋輸出端的取樣是電流，所以是電流負反饋。輸入端uI和uF求差后放大，所以是串聯(lián)負反饋。反饋信號和輸入信號加于輸入回路兩點時，瞬時極性相同為負反饋。⊕⊕⊕uF=iOR1三、電壓并聯(lián)負反饋⊕○反饋信號和輸入信號加于輸入回路同一點時，瞬時極性相反為負反饋。電壓負反饋輸出端的取樣是電壓并聯(lián)負反饋輸入端Ii和If求差后放大○iF=?四、電流并聯(lián)負反饋⊕○○反饋信號和輸入信號加于輸入回路同一點時，瞬時極性相反為負反饋。當ii一定時：若

RLioifiidio電流負反饋穩(wěn)定輸出電流電流負反饋輸出端的取樣是電流并聯(lián)負反饋輸入端Ii和If求差后放大iF=?電壓負反饋——穩(wěn)定輸出電壓電流負反饋——穩(wěn)定輸出電流串聯(lián)負反饋——適用輸入信號為恒壓源并聯(lián)負反饋——適用輸入信號為恒流源小結輸出端輸入端穩(wěn)定放大倍數(shù)

有反饋時增益的穩(wěn)定性比無反饋時提高了(1+AF)倍。

引入深度負反饋后，放大電路的增益由反饋網(wǎng)絡決定，與基本放大電路無關。3.5集成運放的線性運用

在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)，Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多μV。當其大于此值時，集成運放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM

，即集成運放工作在非線性區(qū)。

理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)(負反饋）下工作。

理想運算放大器的特性

(1)虛短由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般都在80

dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在10

V～14

V。因此運放的差模輸入電壓不足1

mV，兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。

“虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可