多级放大电路和集成运算放大电路.ppt

第4章 多级放大电路和集成运算放大电路,4.1 多级放大电路的耦合方式及分析,4.2 差动放大电路,4.3 集成运算放大电路,思考：4-1（1.2.3.4.5.）习题：45、48、415选作：47、413,第4章 多级放大电路和集成运算放大电路,重点:1.多级放大电路的耦合方式及其特点，多级放大电路的动态参数与组成它的各级电路之间的关系。2.差动放大电路工作原理、静态工作点、差模放大倍数、输入电阻、输出电阻的分析和估算。3.集成运放的特点及主要参数。,本章重点与难点,本章重点与难点,难点:1.组成多级放大电路的各级电路的输入电阻和输出电阻及其对多级放大电路动态参数的影响。2.单端输出差分放大电路静态和动态的分析。,常见耦合方式有四种:,多个基本放大电路连接构成了“多级放大电路”，每一个基本放大电路叫一“级”，级与级之间的连接方式叫“耦合方式”。,4.1 多级放大电路的耦合方式及分析,1.直接耦合,问题：UCE1=UBE2 0.7V,使VT1接近饱和区,动态时易产生饱和失真。,前一级输出直接接后一级输入。,解决办法：设法提高UB2。,(1)电路形式,4.1.1多级放大电路的耦合方式,1)加入电阻RE2(影响Au2),1.直接耦合,2）在VT2的发射极加稳压管,电阻R保证稳压管的电流大于最小稳压稳定电流。直流时VS有压降，但动态时电阻小，对放大能力影响小。,3）NPN型和PNP型管配合使用,UC2UB2(UC1),利用NPN型管和PNP型管进行电平移动。,保证VT2工作在放大区,要解决NPN管多级共射接集电极电位逐级升高，级数受到限制问题！,(2)直接耦合方式的特点,各级静态工作点相互影响，电路的分析、设计和调试较困难。,1）低频特性较好，可以放大变化缓慢的信号；,2）电路中没有大电容，易于集成。,优点：,缺点：,零点漂移：输入电压为零时，而输出电压不为零且缓慢变化的现象。,（3）直接耦合放大电路的零点漂移,产生的原因：电源电压波动、元器件老化、半导体元件参数随温度变化而产生变化等。,放大电路的漂移逐级放大,会造成电路无法正常工作。,将温度变化1C时，放大电路输出端的漂移电压折合到输入端，衡量零点漂移大小。,主要原因：温度变化引起半导体器件参数的变化，又称温度漂移（简称温漂）。,（3）直接耦合放大电路的零点漂移,抑制零点漂移的方法：,1）采用恒温措施；2）温度补偿法，用热敏元件（如:二极管、热敏电阻）抵消温度的变化；3）引入直流负反馈稳定静态工作点；4）采用“差动放大电路”（用特性相同的两只管子，使其温漂相互抵消）。,（3）直接耦合放大电路的零点漂移,2.阻容耦合,将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。,特点：,1）各级静态工作点相互独立,静态分析、设计和调试方便；,2)交流信号在传输过程中损失小；,2.阻容耦合,3）耦合电容的隔直作用使电路的温漂很小；4）低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；,5）大电容的存在，阻容耦合放大电路不便于集成。,3.变压器耦合,前级输出端通过变压器接到后级输入端或负载电阻上，前后级通过磁路耦合。,变压器耦合方式的特点：,（1）各级静态工作点相互独立，设计、计算、调试方便；,（3）变压器的存在，不便集成。,（2）低频特性差，不能用来放大直流和缓慢变化的信号。,（4）最大特点可以实现阻抗变换，广泛用于分立元件功率放大电路。,3.变压器耦合,4.光电耦合,(1)光电耦合器,以光信号为媒介实现电信号的耦合与传递。,将发光元件与光敏元件相互绝缘地组合在一起.,发光元件在输入回路，将电能转换为光能；,光敏元件在输出回路：将光能转换为电能。,传输比：（与晶体管相类似）,CTR数值小，在0.11.5。,传输特性,传输特性描述了光电晶体管集电极电流及管压降与发光二极管电流的关系。,当管压降合适时，iC几乎仅由iD决定。,4.光电耦合,(2)光电耦合放大电路,光电耦合电路输入回路与输出回路间没有电气连接，靠光耦合，具有较强的抗干扰能力。,4.1.2 多级放大电路的静态及动态分析,阻容耦合电路各级静态工作点相互独立,计算方法同单管放大电路。直接耦合电路各级静态工作点相互影响,需列方程组求解，常以特殊电位点做为突破口,简化求解过程。,1.静态工作点的分析,例4-1 求图示电路的静态工作点。已知：1、2、UBEQ、UZ。,2.动态性能的分析,多级放大电路方框图：,总电压增益等于组成它的各级放大电路电压增益的乘积。,注意:计算每一级的Au必须将后一级的输入电阻作为其负载。,多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻：Ri=Ri1,多级放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻。Ro=Ron,2.动态性能的分析,例:写出图示电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。,静态工作点稳定电路,共射电路,共集电路,画出多级放大电路的微变等效电路，逐级进行计算过程复杂。根据所学知识，直接写出总电路的各项参数的表达式。,静态工作点稳定电路,分压式偏置稳定共射放大电路的动态分析,画出微变等效电路,（1）电压增益,（2）输入电阻,（3）输出电阻,（1）电压增益,画交流等效电路,Uo、Ui同相，Au1Uo Ui。又称射极跟随器。,共集放大电路,（2）输入电阻,利用阻抗折算原理,输出回路电阻折合到输入回路需乘(1+),（3）输出电阻Ro,.,（输入信号短路，去掉负载，在输出端加电压）,输入回路电阻折合到输出回路需除(1+),解：,电压放大倍数,输入电阻,Ri=R1/R5/rbe1+(1+1)R3=Ri1,输出电阻,Ro=R10=Ro3,如果输入级（或输出级）为共集电路，则输入电阻（输出电阻）的计算需考虑后（前）级的影响。,4.2 差动放大电路,1.电路的组成,4.2.1 电路组成及抑制零漂原理,特性相同的管子，组成两半结构完全对称的电路。,信号从两管基极输入，从两管集电极输出。,2.抑制零点漂移的原理,因为两个管子的特性相同，当外界条件变化时，两管的集电极电位始终相等，使输出端电压为0，如此抑制了零点漂移。,3.信号的输入方式和电路响应,（1）共模输入方式,两输入端接相同的信号的输入方式。,共模信号：大小相等、极性相同的信号,共模电压增益,干扰信号可等效为共模信号，该差动放大电路输出端的共模电压为零。,差模信号：大小相等、极性相反的信号。,（2）差模输入方式,加在两管输入端的信号大小相等，极性相反的输入方式。,用差模信号表示输入信号为,差模电压增益,输出电压不为零，出现差模输出信号。,输入差模信号时：,（2）差模输入方式,半电路分析法：,半电路电压增益：,用多一倍电路来换取对零点漂移的抑制。,整个电路的输出电压：,整个差放电路的差模电压增益：,整个差放电路的电压增益与半电路相等,（2）差模输入方式,（3）任意输入方式,两输入端接的输入信号分别为,将任意输入信号看作由共模输入分量和差模输入分量组成。,由,有,（3）任意输入方式,因为共模电压增益为零，所以输出电压中只有差模分量。,（3）任意输入方式,两个输入端之间有差别，输出端才有变动，因此称为差动放大电路。,（4）存在的问题及解决方案,两半电路不完全对称或输出信号取自一个管子的集电极（单端输出）时，电路没有抑制零点漂移的能力，必须提高每一半电路的稳定性。,（4）存在的问题及解决方案,在射极接大电阻，同时采用正负电源保证合适的静态电流及动态范围。该电路称为“长尾式差动放大电路”。又称为“射极耦合差动放大电路”。,4.2.2 射极耦合差动放大电路的分析,1.射极耦合差动放大电路的静态分析,（RRP较小可略）,表明受温度影响很小，Q点基本稳定。,或,1.射极耦合差动放大电路的静态分析,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,双端输入、双端输出,共模和差模输入分量分别为：,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,当输入信号地在中点时，由于电路对称，输入信号经分压后加在半电路上的信号各为一半，大小相等方向相反，不存在共模输入。,两管射极电流变化大小相等方向相反（一增大一减小），RE上的总电流不变，RP中点C电位恒定，相当交流接地。,差模信号作用下:,A、B、C三点均为交流接地,两管集电极电位一升高一降低，RL两端电位一端升高，一端降低，中点电位恒定，相当交流接地。,（1）差模电压增益,（2）共模电压增益,差模电压增益等于半电路电压增益。,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,(4)差模输入电阻:,(3)差模输出电阻:,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,()共模抑制比:,衡量差动放大电路对差模信号放大能力和对共模信号抑制能力的技术指标。,KCMR:,定义,电路对称且信号双端输出时,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,(8)电压传输特性,只在线性范围内能对差模信号实现放大。,(6)最大共模输入电压UicM:,(7)最大差模输入电压UidM:,电路对正负向的共模输入电压都有限制。,两个输入端间能承受的最大差模电压,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,1.双端输入、双端输出方式（双入双出),*2.双端输入、单端输出方式（双入单出）,*3.单端输入、双端输出方式（单入双出）,*4.单端输入、单端输出方式（单入单出）,4.2.3 输入和输出的四种接法及性能分析,1.双端输入、双端输出（双入双出）,差模电压增益,差模输入电阻,差模输出电阻,1.双端输入、双端输出（双入双出）,共模电压增益,Ac=0,共模抑制比,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,常用于将双端输入信号转换为单端输出信号。,因输出回路不对称，单端输出时不能利用两管的相互补偿来抑制零漂，只能靠RE的作用。,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,静态时：,UCQ2=V CC-ICQRc,IBQ1=IBQ2，ICQ1=ICQ2，但UCEQ1 UCEQ2,差模电压增益,动态时：只取出一个管的集电极电压变化量。,只有双端输出时的一半,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,差模输入电阻,差模输出电阻,注意：从C1输出时电压增益为负，从C2输出时电压增益为正。即C1处电压瞬时极性与1端反相；C2处电压瞬时极性与1端同相。,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,共模电压增益：,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,共模抑制比：,输出电压,差模电压,共模电压,R越大抑制共模信号的能力越强,*2.双端输入、单端输出（双入单出）,解：（）静态分析,求双端输出时的输出电压及共模抑制比。,（）动态分析,将输入信号分解为差模分量和共模分量,差模电压增益,共模电压增益,Ac=0,共模抑制比,输出电压,*4.2.4 带射极恒流源的差动放大电路,问题的提出：增大电阻RE能有效拟制零点漂移,提高共模抑制比。但RE的增大在同样静态工作电流的情况下则要求提高VEE,实现困难。同时集成电路中不易制作大电阻。,电路的组成和工作原理,解决的办法:采用恒流源代替大电阻R,以保证交流时有很大的等效电阻,又可采用较低的电源电压。,*4.2.4 带射极恒流源的差动放大电路,电路的组成和工作原理,用工作点稳定电路代替RE,若UBE3的变化可忽略不记，IC3基本不受温度影响，是一个恒流源。恒流源的直流电阻较小，动态电阻非常大，对共模信号的抑制作用大，使AC0。,*4.2.4 带射极恒流源的差动放大电路,静态计算：,*4.2.4 带射极恒流源的差动放大电路,动态分析：,对差模信号：点交流接地。对共模信号：射极上接入了大电阻。分析方法与带射极电阻时同。,*4.2.4 带射极恒流源的差动放大电路,用专门的制作工艺，将元器件及连线组成完整的放大电路制作在一块硅片上。因最初用于模拟信号的运算，所以叫做“集成运算放大电路”（简称集成运放）。,4.3 集成运算放大电路,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。广泛用于模拟信号的产生与处理等电路中。性能价格比优越，在绝大多数情况下已取代了分立元件放大电路。,1 集成运放的组成,输入级,中间级,输出级,偏置电路,4.3.1 集成运算放大电路概述,输出级：射极输出器或互补对称功率放大器。输出电阻小（带载能力强），非线性失真小。,中间级：共射/共源放大电路。具有较强的放大能力，以恒流源做负载。,偏置电路：设置各级放大电路的静态工作点,一般采 用电流源电路。,输入级：差动放大电路，具有较强的抑制零点漂移能力。,还有电平偏移电路，短路保护电路等。,4.3 集成运算放大电路,*4.3.2 集成运放中的电流源电路,1.镜像电流源,用途：为各级提供偏置电流，作为有源负载取代大电阻。,镜像电流源,具有一定的温度补偿作用，电路简单，应用广泛。,不足之处：当VCC一定时若要求IC2大，必IR大，R 的功耗增大；若要求IC2很小，必IR很小，R 的阻值很大。这些给电路集成造成困难,故派生出了其它微电流源电路。,电流源有镜像电流源、微电流源、威尔逊电流源、比例电流源、多路电流源等。,2.电流源作为有源负载的电路,图示共射电路中，采用镜像电流源代替集电极电阻，既保证其直流工作点基本不变，又提高了电压增益。,4.3.3 典型集成运放电路,通用型集成运放,双极型,单极型,典型型号:F007(A741)、F324(LM324)。电流源作有源负载、提供电流偏置，电压增益高。,输入阻抗高；电源电压范围宽；集成度高。,典型型号:C14573,通用型集成运放F007,集成运放的符号及电压传输特性,线性区,非线性区,非线性区,符号,电压传输特性,特点：1.是双端输入、单端输出的差分放大电路。2.差模放大倍数高。3.输入阻抗高，输出阻抗低。4.共模抑制比高，能较好的抑制温漂。,集成运放的符号及电压传输特性,4.3.4 集成运放的主要性能指标,开环差模电压增益Aod Aod=uo/(uP-uN)，常用分贝(dB)表示，通用型在105左右（100dB）。,2.共模抑制比KCMR 常用分贝（dB）表示,80dB。,3.差模输入电阻rid(2M),4.输入失调电压UIO 为使输出电压为零，在输入端所加的补偿电压。,6.输入失调电流IIO 反映差分管输入电流的不对称程度。IIO=IB1 IB2,5.输入失调电压温漂dUIO/dT 是UIO的温度系数。,7.输入失调电流温漂dIIO/dT 是IIO的温度系数。,4.3.4 集成运放的主要性能指标,8.输入偏置电流IB 输入差放管基极偏置电流 的平均值。IB=(IB1+IB2)/2,4.3.4 集成运放的主要性能指标,9.最大共模输入电压UicM UIC高于此值时，运放就不能放大差模输入信号,10.最大差模输入电压UidM 不使PN结反向击穿所允许的最大Uid。,11.3dB带宽fH(BW)使Aod下降3dB（即下降到约0.707 Aod）时的信 号频率宽度。,12.单位增益带宽f(BWG)使Aod下降到0dB（即 Aod=1）时的信号频率。与晶体管的fT类似。,4.3.4 集成运放的主要性能指标,13.转换速率SR 表明集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量大幅值信号作用时工作速度的参数。SR=|duo/dt|max 常用单位:(输出电压变化)V/S。,近似分析中，常把运放理想化。理想运放参数：Aod、KCMR、rid、fH 均为无穷大；UIO、dUIO/dT、IIO、dIIO/dT、IB均为零。,4.3.4 集成运放的主要性能指标,高阻型 具有高输入电阻rid的运放。,2.高速型 具有转换速率高的运放。,3.高精度型 具有低失调、低温漂、低噪声、高增益的运放。,4.低功耗型 具有静态功耗低、工作电源电压低的运放。,*集成运放的种类,一、按性能指标分类,二、工作原理分类,电压放大型电流放大型跨导型互阻型,三、制造工艺分类,双极型、单极型,*集成运放的种类,*运放的选择,信号源的性质 根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围选择运放。,2.负载的性质 根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值选择运放。,*运放的选择,3.精度要求 根据精度要求和响应时间及灵敏度要求选择运放。,4.环境条件 根据环境温度的变化范围要求、所提供电源的限制、功耗的限制选择运放。,1.正确辨认管脚(目前未完全标准化),*集成运放的使用,7 6 5 A7411 2 3 4,U-,U+,-VCC,+VCC,出,调零,调零,2.调零或调偏置电压 对于内部无自稳零措施的运放,在外部要加调零电路;若为单电源供电,有时还需设置合适的静态输出电压,以便能放大双极性信号.,3.消除自激振荡 在电源端加去耦电容.有的需外接频率补偿电容.,集成运放的使用,*4.保护措施,(1)输入保护,开环工作防止差模信号过大,闭环工作防止共模信号过大,(2)输出保护,A,(3)电源保护,防止电源极性接反,限制了输出电流及输出电压幅值,*4.保护措施,本章基本要求,1.多级放大电路的耦合方式及其特点，阻容耦合多级放大电路静态参数及动态参数（Au、Ri、Ro)的分析计算方法。2.差动放大电路的组成和工作原理，双入双出差动放大电路静态和动态参数的分析方法。3.集成运放的电压传输特性和几个主要参数。,重点掌握：,