汽車電工電子技術(shù)-吉林大學6228

○○○＋UCCRRB2RC1RB1VT1RC2VT2V3○○

*直流信號：變化比較緩慢且極性往往不變的信號。7.1

直接耦合放大電路與差動放大電路7.1.1直接耦合放大電路返回

*直接耦合：級與級之間用導線直接相連的方式。

零點漂移—

當輸入信號為零時，輸出端電壓偏離原來的起始電壓緩慢地無規(guī)則的上下漂動，這種現(xiàn)象叫零點漂移。產(chǎn)生原因—

溫度變化、電源電壓的波動、電路元件參數(shù)的變化等等。第一級產(chǎn)生的零漂對放大電路影響最大。7.1.2差動放大電路1.基本差動放大電路ui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo2電路結(jié)構(gòu)特點：左右兩邊對稱輸入輸出形式：雙端輸入、雙端輸出uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo21)抑制零點漂移的原理靜態(tài)時，ui1=ui2=0，由于電路對稱溫度上升，引起兩邊電流變化零漂被抑制。uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo22)動態(tài)工作原理①差模輸入*差模信號：極性相反，大小相同的信號。*1bi1ci01u2bi2ci02u有放大作用*差模電壓放大倍數(shù)：uiui1ui2uo○＋UCCRB2RCRB1VT1○RB2RCRB1○VT2○○uo1uo2②共模輸入*共模信號：極性相同，大小相同的信號。*1bi1ci01u2bi2ci02u理想化對共模信號的不放大就是對零點漂移的抑制*共模電壓放大倍數(shù)：(由于兩側(cè)不完全對稱,uo≠0，很小，即AC?1)ui③任意輸入*任意信號：既非差模，又非共模的，大小和相位都任意的一對信號。放大任意信號中的差值成份**共模抑制比差模電壓放大倍數(shù)Ad共模電壓放大倍數(shù)AC2.典型差動放大電路

由于電路仍然保持對稱，所以該電路對零點漂移的抑制和對輸入信號的處理過程與基本差動放大電路相同。但電路中增加了RE、RP、-UEE三個元件。RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoVT1VT2T↑IC1↑IC2↑IE↑UE↑UBE1↓UBE2↓IB1↓IB2↓IC1↓IC2↓

RE對共模信號有強烈的負反饋作用，進一步抑制零漂。但對差模信號相當于短路毫不影響Ad，同時，也可克服電路不對稱引起的零漂。

加入射極公共電阻RE（共模反饋電阻）可以克服電路不完全對稱引起的零漂。

RE的作用：RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoVT1VT2

負電源UEE

(EE)的作用是補償RE上的電壓降，從而保證兩管有合適的靜態(tài)工作點。

但當RE越大時，雖然抑制零漂作用越強，但UEE也需增大。

RP為調(diào)零電位器，用來改變兩邊晶體管的工作狀態(tài)，使輸出電壓為零，一般取值不大。差動放大電路四種輸入輸出方式性能比較

利用半導體集成制造技術(shù)，將一個具有高放大倍數(shù)，多級的直接耦合的放大電路，集中制造在一個半導體硅基片上，并進行封裝，引出功能引腳所形成的集成電子電路，簡稱集成運放。7.2

集成運算放大器簡介*集成運算放大器返回7.2.1集成運算放大器的電路構(gòu)成簡單介紹1.集成運放的組成差動輸入級中間級輸出級偏置電路輸入輸出抑制零漂，共模抑制比高低輸出電阻，多采用射隨器放大作用的主要單元提供各級靜態(tài)電流2.集成運放的管腳圖及符號F007管腳圖

F741（F007）12348765符號A—反相輸入端B—同相輸入端F—輸出端

Au－＋u+u－uoABF＋

信號從反相輸入端輸入時，輸出與輸入相位相反。信號從同相輸入端輸入時，輸出與輸入相位相同。7.2.2集成運算放大器的主要技術(shù)指標1.輸入失調(diào)電壓Uio

當無輸入信號時，為使輸出的電壓值為零，在輸入端加入的補償電壓。其值越小越好（0.5～5mV）2.輸入失調(diào)電流Iio

輸入電壓為零時，流入放大器兩個輸入端的靜態(tài)基極電流之差。

Iio＝IB1－IB2

其值越小越好（1~10nA）3.輸入電阻與輸出電阻輸入電阻大，ri>1MΩ，有的可達100MΩ以上；輸出電阻小，ro＝幾Ω～幾十Ω。4.開環(huán)差模放大倍數(shù)Auo

運放在開環(huán)時的差模放大倍數(shù)其值越高越好（104～107）5.最大輸出電壓Uopp

輸出不失真的最大輸出電壓值，通常小于近似等于集成運放的供電電壓。共模抑制比KCMR

集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比，大于100dB。

實際運放

u+u－uoriroAuoUiuiAuo很高，>104ri很高，幾十~幾百kΩro很低，幾十~幾百ΩKCMR很高

理想運放

u+u－uoAuoUiuiAuo＝∞r(nóng)i=∞ ro=0KCMR＝∞u+uo

∞－＋＋u-集成運放圖形符號7.2.3集成運算放大器的電壓傳輸特性及其

分析特點

運算放大器的電壓傳輸特性

集成運放的輸出電壓uo與輸入電壓ui(u+－u－)之間的關(guān)系uo＝f(ui)稱為集成運放的電壓傳輸特性。uoui+UOM－UOMuo＝Auo

ui

=Auo(u+－u－)ui<|UiM|

，運放工作在線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)ui>|UiM|

，運放飽和，工作在非線性區(qū)線性區(qū)引入深度負反饋，可以使運放工作在線性區(qū)。O

∞－＋uo＋ud反饋電路開環(huán)系統(tǒng)：不加反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng)，此時的放大倍數(shù)叫開環(huán)放大倍數(shù)。uoui+UOM－UOM理想運放的電壓傳輸特性ui≠0，|uo|＝±UOM即u+≠

u－時，運放處于非線性區(qū)。閉環(huán)系統(tǒng)：加上反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng)，此時的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù)。O

運算放大器的分析特點1.線性區(qū)

集成運放兩個輸入端之間的電壓通常非常接近于零，但不是短路，故簡稱為“虛短”。

虛短

uo＝Auo（u＋－u－）

Auo≈∞u＋－u－≈uo／Auo≈0u＋≈u－

當u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈

0

稱此時的反相輸入端為“虛地點”。反之，也成立。

u+u－uoui

虛斷

流入集成運放兩個輸入端的電流通常為零，但又不是斷路故簡稱為“虛斷”?！遰i≈∞ I－≈I+≈02.非線性區(qū)

在非線性區(qū)，虛短概念不成立，但虛斷概念成立。

u+I－uou－I+1.5kΩ

例、利用理想運放組成的二極管檢測電路，求出流過VD的電流iD及VD兩端的電壓uD。

∞－＋uo＋ui15V－0.67VVDiDiRi＋i

－解：虛地點R2

∞－＋uo＋uiifi1R1Rf7.3集成運放在信號運算電路中的應用1.比例運算電路1)反相比例運算電路∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝0

u

+≈u

－≈0（虛地點）i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f即ui/R1=－uo/

Rf

返回uo、ui符合比例關(guān)系，負號表示輸出輸入電壓變化方向相反。電路中引入深度負反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)Auf

與運放的Au無關(guān)，僅與R1、Rf

有關(guān)。

R2—平衡電阻同相端與地的等效電阻。其作用是保持輸入級電路的對稱性，以保持電路的靜態(tài)平衡。

R2＝R1//Rf

當R1＝Rf時，uo＝－ui，該電路稱為反相器。R2

∞－＋uo＋uiifi1R1RfR22)同相比例電路

∞－＋uo＋uiR1Rf∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝ui

u

+≈u

－≈ui（虛短）i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo)／Rf

=(ui－uo)／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝ififi1

當Rf＝0或為有限值時，R1＝∞

∞－+uo＋ui

R2—平衡電阻

R2＝R1//RfAuf=1→電路成為電壓跟隨器。

uo＝ui

此電路輸入電阻大，輸出電阻小。例1、應用運放來測量電阻的電路如圖，U＝10V，R1=1MΩ，輸出端接電壓表，被測電阻為Rx，試找出Rx與電壓表讀數(shù)uo之間的關(guān)系。Rx

∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此電路為反相比例電路例2、理想化運放組成的電路如圖，試推算輸出電壓uo的表達式。

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4解:此電路為同相比例電路判斷這個等式、×√

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4u+解:此電路為同相比例電路RP2.加法運算電路uo

∞－＋＋ui2ifi2R2Rfui3i3R3ui1i1R1

在調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻的阻值時，不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。

求和電路也可從同相端輸入，但同相求和電路的共模輸入電壓較高，且不如反相求和電路調(diào)節(jié)方便。3.減法運算電路（差動運算電路）

∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3利用疊加原理同相端輸入ui1反相端輸入當R1=R2=R3=Rf=R

時，uo=ui2－ui1(減法器）R2//R3=

R1//

Rf當例3、用運放組成的直流毫伏表電路如圖所示，設表的內(nèi)阻可忽略，試求Io與US的關(guān)系。解:電路實為反相比例電路

∞－＋Uo＋USI2I1R1R1mAIoIRUo=－USI1=I2(虛斷）Io=I－I2=Uo/R－US/R1I=Uo/RI1=I2=US/R1=－US(1/R+1/R1)例4、已知RF＝4R1，求uo與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－

+＋ui1

A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1為跟隨器；A2為差放。uo′=ui1uo＝5ui2－4ui130kΩ10kΩ10kΩ例5、如圖，求uo與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui2uo′10kΩ6kΩ解:A1為反向加法器；A2為反相比例電路。4.

積分運算電路

∞－＋uo＋uiiCi1RRPCuituot－UOMuo正比于ui的積分OO

延遲積分電路的應用uitUuotT－U信號延遲時間T后，電壓值達到U

方波轉(zhuǎn)化為三角波uituotOOOO例6、電路如圖，已知運放±UOM=±10V，輸入信號波形如圖，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求輸出波形。（電容初始能量為零）

∞－＋＋uiRRPCuoui/vt/s1ORC=1×106×0.05×10－6s=0.05suo=

UOMAX＝－10V=－20tt=0.5suo/vt/s－100.5解:O-1uo/Vt(ms)－5+5OOui/Vt(ms)1O2O3O例7、在積分運算電路中，R＝50KΩ，C＝1μF，輸入波形如圖，求uO。設電容的初始電壓為零。當t＝0～10ms時當t＝10～20ms時解：例8、電路如圖所示，已知R1=R2=10kΩ,C=0.1μF,集成運放±UOM=±18V,求：

試導出uo與u1、u2關(guān)系式；

已知u1、u2波形，試畫出uo波形。

∞－＋＋u1R1RCuou2R2t=10mst=20msu1/vt/ms1－0.50.5t/ms10102020u2/vuo/vt/ms－151020－10－12OO5.

微分運算電路iR

∞－＋＋uiRRPCiCuouo正比于ui的微分uituotOO例1、如圖，求uo。A1：反相比例

A2：同相比例

A3：差動輸入解：

A1－

+＋

A3－＋uo＋100kuo150k80k20k

A2－

+＋12k50k100k12k11k30k60kuo2－0.3V0.4V關(guān)于推導運算關(guān)系的小結(jié)1.利用基本單元運算電路的基本關(guān)系式例2、如圖，求uo1、uo2、uo3的值。A1：反相加法A2：同相比例A3：差動輸入4kΩ2kΩ2kΩ3kΩ24kΩ

A1－

+＋

A3－＋uo3＋12kΩuo12kΩ

A2－

+＋4kΩ3kΩuo2－1V3V1.2V例1：求iL與ui的關(guān)系式。

∞－＋uo＋uiRR1iLRL2.利用虛斷、虛短、虛地重新推導R4R

∞－＋uo＋uii2i1R1R2R3i4i3M例2、圖示電路為T形反饋網(wǎng)絡的反相比例電路，試推算輸出輸入之間的關(guān)系。u

+≈u

－≈0（虛地點）∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i2=ui／R1解:

此電路只在要求放大倍數(shù)較大、輸入電阻較高和避免阻值過高時才采用。ui

∞－＋uo＋ifiR1R2CfRfR1C1iC1例3：電路如圖求運算關(guān)系比例——積分——微分放大器即PID調(diào)節(jié)器例1、理想運放如圖，試求證：

A1+－＋

A3－＋uo＋uo1

A2－

+＋uo2RRRR/2R/2R1ui1ui2uR1=ui1－ui2

3.即利用基本單元運算電路的基本關(guān)系式，又利用虛斷、虛短、虛地，還要利用分析電路的各種定律及分析方法。例2：由儀用放大器組成的溫度測量電路

ui=Rt-R2(Rt+R)URt熱敏電阻uo=Rt=f(T°C)uoR/2R/2++A3RR++A1_+A2RRR1+

U=+5VRRRRtui＋

集成化:儀表放大器AD520系列例3:按下列運算關(guān)系畫出運算電路，

給定RF=10k

。答案不唯一！請再設計一個不同的電路。_+

+

RFR1RP1ui2_+

+

RFR3RP2R2ui1uo7.4.1反饋的基本概念

正反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變大。負反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變小。1.反饋：指將放大電路輸出量的一部分或全部按一定方式送回到輸入回路來影響整個放大電路的過程。放大電路反饋電路輸出信號反饋信號輸入信號比較環(huán)節(jié)凈輸入信號7.4放大電路中的負反饋返回2.反饋放大器的一般分析

開環(huán)放大倍數(shù)：

反饋系數(shù)：

閉環(huán)放大倍數(shù):放大電路反饋電路

負反饋放大器的一般關(guān)系

反饋深度正反饋負反饋深度負反饋

當A很大時,負反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡有關(guān)。7.4.2反饋類型及其判別電壓負反饋—

反饋信號取自輸出電壓,反饋信號與輸出電壓成比例;電流負反饋—

反饋信號取自輸出電流,反饋信號與輸出電流成比例;串聯(lián)負反饋—

反饋信號與輸入信號以串聯(lián)的形式作用于輸入端；并聯(lián)負反饋—

反饋信號與輸入信號以并聯(lián)的形式作用于輸入端。串聯(lián)電流負反饋電壓并聯(lián)1.反饋類型2.反饋類型的判別

反饋類型的判別包括反饋極性、直流反饋或交流反饋、電壓反饋或電流反饋以及串聯(lián)或并聯(lián)反饋的分析判定。

正反饋或負反饋的判別—瞬時極性法

假定輸入信號在某一瞬時對地極性為正。由各級輸入、輸出之間的相位關(guān)系，分別推出其它有關(guān)各點的瞬時極性。判別反映到電路輸入端的作用是加強了輸入信號還是削弱了輸入信號。若加強則為正反饋，削弱則為負反饋。

電壓反饋與電流反饋的判別—輸出短路法

令輸出電壓端口短路，若此時反饋信號仍存在（非0），則電路為電流反饋，反之為電壓反饋。

并聯(lián)反饋或串聯(lián)反饋的判別凈輸入信號與負反饋信號是并聯(lián)關(guān)系，且有凈輸入信號與負反饋信號是串聯(lián)關(guān)系，且有R2

∞－＋uo＋uiifi1R1RfR2

∞－＋uo＋uiR1Rfifi1電壓并聯(lián)負反饋例：電壓串聯(lián)負反饋

A1－

+＋ui

A2－＋uo＋RRRuo′RRF例、判斷下圖反饋類別。負反饋若ui＝0，uo′＝0，則uo＝0電壓反饋?i?f顯然有并聯(lián)反饋交、直流并聯(lián)電壓負反饋RERL○RB++uo＋UCCRSuSui～例、判斷下圖反饋類別。○C1C2CE直流電流串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋＋UCCRER2RPR1例：判別串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的反饋類型UI=Uo+UCE1UBE1=UB1－UE1

=UC2－Uo采樣基準調(diào)整比較放大CR3R4RLVZUZUIUBE1UCE2UBE2UoIoUCE1Uo

→UB2

→UC2

→UBE1

Uo

UCE1

7.4.3負反饋對放大器性能的影響1.放大倍數(shù)被降低

電路加入負反饋，使凈輸入信號減小，等于削弱了輸入信號，使得放大倍數(shù)減小。

增加放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

電路加入負反饋，放大倍數(shù)被降低的同時，也使由于溫度、負載、元器件等條件變化而引起的放大倍數(shù)的變化大大減小，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性得到提高。

擴展通頻帶|A|fBOBF

電路加入負反饋，通頻帶由BO加寬到BF。

減小非線性失真

電路加入負反饋，使凈輸入信號減小，iC減小，改善了非線性失真。、|Af|O

串聯(lián)負反饋增加輸入電阻，并聯(lián)負反饋減小輸入電阻。電壓反饋能穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻；電流反饋能穩(wěn)定輸出電流，增加輸出電阻。

抑制干擾和噪聲放大電路反饋電路加入負反饋的電路，以降低放大倍數(shù)為代價，換來了放大器諸多方面性能的改善。例：下列情況下，應引入何種組態(tài)的負反饋？(1)使放大電路的輸出電阻降低，輸入電阻降低。(2)使放大電路的輸入電阻提高，輸出電壓穩(wěn)定。(3)使放大電路吸收信號源的電流小，帶負載能力強。電壓并聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋(2)濾波器的分類:*

按所用元件分:7.5.1有源濾波器(1)濾波器：它是一種選頻電路。能使一定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而在此頻率范圍以外的信號衰減很大，不易通過。7.5集成運放在信號處理與產(chǎn)生方面的應用1.濾波器概述無源濾波器RC+

+

有源濾波器RR1RFC+-+返回

低通高通帶通帶阻*

按電路功能分:

*按階數(shù)分：即傳遞函數(shù)中出現(xiàn)信號頻率ω的幾次項，稱為幾階。有一階、二階、‥‥‥高階。RR1RFC+-+2.一階有源低通濾波器稱ω0為截止角頻率|Auf|ω|Auf0|0.707|Auf0|ω0幅頻特性曲線O

二階有源低通濾波器RR1RFC+-+CR階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器|Auf|ω|Auf0|理想低通一階低通二階低通O7.5.2

電壓比較器1.

電壓比較器概述1)

電壓比較器：

它是一種用來比較輸入信號ui和參考電壓UR大小的電路。2)

工作狀態(tài)：

比較器處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，輸入與輸出之間成非線性關(guān)系，因此虛短等深度負反饋概念不再適用。3)

分析方法：*門限電壓UT：使u+=u－的ui稱為門限電壓UT，當ui與UT比較。*使u+>u-

時，比較器輸出高電平(無限幅時，uo=+Uom）*使u+<u-時，比較器輸出低電平(無限幅時，uo=-Uom）2.

過零比較器

∞－＋＋uiRRPuououi+UOM－UOMO若ui為正弦波uituot－UOM+UOMuo為方波OO限幅措施ui<0正飽和uo＝+(UZ+UD)ui>0負飽和uo＝－(UZ+UD)

∞－＋＋uiRRPuo±UZuoui+UZ－UZOuoui-UZ+0.7VOuoui+UZ－0.7VO

∞－＋＋uiRRPuo±UZ

∞－＋＋uiRRPuo±UZ關(guān)于畫電壓傳輸特性曲線的小結(jié)：1、曲線的躍變點：門限電壓UT

2、曲線的扭拐形狀：反相輸入(ui)：曲線全部(過零電壓比較器)

或大部分(任意電壓比較器)在2、4象限。同相輸入(ui)：曲線全部(過零電壓比較器)

或大部分(任意電壓比較器)在1、3象限。3、曲線的高度：1)輸出無限幅：uO＝±UOM2)輸出雙向穩(wěn)壓管限幅：uO＝±UZ或±(UZ+0.7V)3)輸出單穩(wěn)壓管限幅：+UZ、-0.7V或-

UZ、+0.7VuouiOui<UR

正飽和uo＝+UZui>UR

負飽和uo＝－UZ

uoui+UZ－UZURO3.

任意電壓比較器UR

∞－＋＋uiR1R2uo±UZUR

∞－＋＋uiR1R2uo±UZ+UZ－UZUR集成運放的應用——車燈斷線監(jiān)測電路

+-VT正常工作時，車燈全亮，檢測電阻R中電流大，R上電壓大。UA電位低，使UB>UA即u－>u+，比較器輸出u0低電平三極管VT截止，斷線報警燈不亮。當有一個或幾個車燈斷線R中電流小、電壓小。uA↑使UA>UB，u0高電平VT導通，報警燈亮。返回例1：已知：UOM＝±15V，UZ＝6V，正向?qū)妷?/p>

0.7V，畫出uo1～uo4的波形。

∞－＋＋uiuo11VVSuo1t－6.7+6.7ui/Vt5

∞－＋＋uiuo21VVS過1反相限幅比較器1uo2t－6.7+6.7過1同相限幅比較器OOO

∞－＋＋uiuo41VVD

∞－＋＋uiuo31VVSuo3t－0.7+6.7ui/Vt51uo4t－0.7+15過1反相限幅比較器過1反相限幅比較器OOO例2：已知UOM＝±12V，UZ＝6V，正向?qū)妷?.7V，ui=12sinωt，UR＝3V，畫出電壓傳輸特性曲線和uo波形。ui

<3正飽和VS穩(wěn)壓，uo＝