多级放大电路和运算放大器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,兴趣是最好的老师,模 拟 电 子 技 术,Analog Electronic Technology,第十章,多级放大电路,耦合方式：,直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,多级耦合放大电路,耦合：,即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1.静态：保证各级,Q,点设置,2.动态:传送信号。,第一级,放大电路,输 入,输 出,第二级,放大电路,第,n,级,放大电路,第,n-,1,级,放大电路,功放级,要求：,波形不失真，减少压降损失。,多级放大电路的动态分析,前级,后级,+,U,CC,R,S,1M,(+24V),R,1,20k,27k,C,2,C,3,R,3,R,2,R,L,R,E,2,82k,43k,10k,8k,10k,C,1,R,C2,T,1,R,E,1,C,E,T,2,多级阻容耦合放大器的特点：,(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。,(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。,(3)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。,(4)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。,(5)总输入电阻,r,i,即为第一级的输入电阻,r,i,1,。,(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,u,i,R,C,1,R,1,T,1,直接耦合电路的特殊问题,R,2,、,R,E,2,:用于设置合适的,Q,点。,问题,1,:,前后级,Q,点相互影响。,+U,CC,u,o,R,C,2,T,2,R,2,R,E,2,问题,2,:,零点漂移,。,u,o,t,0,有时会将信号淹没,当,u,i,等于零时，,u,o,不等于零。,基本型结构,特点：,结构对称。,差动放大电路,u,i,1,u,i,2,u,o,R,C,R,1,T,1,R,B,R,C,R,1,T,2,R,B,二、抑制零漂的原理,u,o,=,u,C,1,-,u,C,2,=0,u,o,=(,u,C,1,+,u,C,1,)-(,u,C,2,+,u,C,2,)=0,当,u,i,1,=,u,i,2,=0,时：,当温度变化时：,+U,CC,u,o,u,i,1,R,C,R,1,T,1,R,B,R,C,R,1,T,2,R,B,u,i,2,三、共模电压放大倍数,A,C,+U,CC,u,o,u,i,1,R,C,R,1,T,1,R,B,R,C,R,1,T,2,R,B,u,i,2,共模输入信号：,u,i,1,=,u,i,2,=,u,C,（大小相等，极性相同）,理想情况：,u,i,1,=,u,i,2,u,C,1,=,u,C,2,u,o,=0,共模电压放大倍数：,（很小，1),设,u,C,1,=,U,C,1,+,u,C,1,，,u,C,2,=,U,C,2,+,u,C,2,。,因,u,i,1,=-,u,i,2,，,u,C,1,=-,u,C,2,u,o,=,u,C,1,-,u,C,2,=,u,C,1,-,u,C,2,=2,u,C,1,差模电压放大倍数：,+U,CC,五、共模抑制比(CMRR)的定义,例:,A,d,=-200,A,c,=0.1,K,CMRR,=20 lg,(-200)/0.1,=66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,K,CMRR,=,K,CMRR,(dB)=,(分贝),1.集成电路与集成运算放大器,集成电路是利用半导体制造工艺，将整个电路所含有的元器件及相互连接导线全部制作在一块半导体基片上，封装在管壳内，能完成特定功能的电路块。,集成运算放大器,实质上是一种高放大倍数、多级直接耦合的放大电路,。,集成电路,按其功能可,分为模拟集成电路,和,数字集成电路,两大类。模拟集成电路品种繁多，主要分为,集成运算放大器,、,集成功率放大器,和,集成稳压器,等，其中应用最为广泛的是集成运算放大器。,集成运算放大电路概述,集成电路内部结构的特点：,1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4.二极管一般用三极管的发射结构成。,U,EE,+U,CC,u,+,u,o,u,反相,输入端,同相,输入端,T,3,T,4,T,5,T,1,T,2,I,S,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与,u,o,反相,与,u,o,同相,对输入级的要求：,尽量减小零点漂移,尽量提高,K,CMRR,输入阻抗,r,i,尽可能大。,对中间级的要求：,足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流,i,o,。即输出阻抗,r,o,小。,1.,集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式,(,DIP,),CF741,DIP,D,ual,I,n-Line,P,akage,2.1 集成运放的封装形式与电路符号,集成运放外形结构示意图,运算放大器外形图,2集成运放的电路符号,集成运放,有两个输入端,，N端称为,反相输入,端，用“”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位反相。P端称为,同相输入,端，用“+”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位相同。,习惯用符号,u,id,+,V,CC,V,EE,国家标准符号,u,o,u,id,+,V,CC,V,EE,8,2.2 集成运放的分类,集成运放种类较多，按性能不同可分为,通用型,和,专用型,两大类。专用型又有高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型等。,1.通用型,2.高速型和宽带型,3.高精度(低漂移型）,4.高输入阻抗型,5.低功耗型,6.功率型,通用型,专用型,性能指标比较适中,某些技术指标,比较突出,集成运放的使用常识,1、集成电路器件命名,1)国标 GB-3430-82 对集成电路的规定,第一部分,第二部分,第三部分,第四部分,第五部分,字 母,符号国标,字 母,器件类型,数 字,系列品种,字 母,工作条件,字 母,封 装,符,号,意 义,符,号,意 义,符,号,意 义,符,号,意 义,C,中国,制造,T,H,E,C,F,D,W,J,B,TTL,HTL,ECL,CMOS,线性放大,音响电视,稳压器,接口电路,非线性,C,E,R,M,.,0 70,C,-,40 85,C,-,55 85,C,-,55 125,C,W,B,F,D,P,J,K,T,陶瓷扁平,塑料扁平,全封闭扁平,陶瓷直插,塑料直插,黑陶瓷直插,金属菱形,金属圆形,2)型号命名,数字序号,(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同,。),其它例如:集成功率放大器的型号命名,CD,集成稳压器的型号命名,CW,4 理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,A,u,o,，,r,id,，,r,o,0，,K,CMR,u,o,+,+,u,+,u,+,U,CC,U,EE,2.理想运放工作在线性区的特点,因为,u,o,=,A,u,o,(,u,+,u,),所以(,1)差模输入电压约等于 0,即,u,+,=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于 0,即,i,+,=i,0,称“虚断”,+,+,u,o,u,u,+,i,+,i,虚短,虚断,2,运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,2.1 比例运算,1,.,反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地(,),。,（2）电压放大倍数,因,虚短,所以,u,=,u,+,=0，,称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因,虚断，,i,+,=i,=0,，,i,f,i,1,i,i,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,所以,i,1,i,f,因要求静态时,u,+,、,u,对地电阻相同，,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,结论：,A,u,f,为负值，即,u,o,与,u,i,极性相反。,因为,u,i,加,在反相输入端。,A,u,f,只与外部电阻,R,1,、R,F,有关，与运放本,身参数无关。,|,A,u,f,|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,因,u,=u,+,=0，,所以,反相输入端“虚地”。,例：,电路如下图所示，已知,R,1,=10 k,，,R,F,=50 k,。,求：1.,A,u,f,、R,2,；,2.若,R,1,不变，要求,A,u,f,为,10，则,R,F,、,R,2,应为 多少？,解：,1.,A,u,f,=,R,F,R,1,=50,10=5,R,2,=,R,1,R,F,=10 50,(,10+50),=8.3,k,2.,因,A,uf,=,R,F,/,R,1,=,R,F,10,=,10,故得,R,F,=,A,u,f,R,1,=(,10),10=100,k,R,2,=10 100,(,10+100)=9.1,k,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,2.同相比例运算,因,虚断，,所以,u,+,=,u,i,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,因,虚短，,所以,u,=,u,i,，,因要求静态时,u,+,、,u,对地电阻相同，,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,u,+,u,结论：,A,u,f,为正值，即,u,o,与,u,i,极性相同。,因为,u,i,加,在同相输入端。,A,u,f,只与外部电阻 R,1,、R,F,有关，与运放本,身参数无关。,A,u,f,1，不能小于 1。,u,=u,+,0，反相输入端不存在“虚地”现象。,当,R,1,=,且,R,F,=,0 时，,u,o,=u,i,，,A,u,f,=1，,称电压跟随器。,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,由运放构成的电压跟,随器,输入电阻高、输出,电阻低，,其跟随性能比,射极输出器更好。,u,o,u,i,+,+,+,+,2.2 加法运算电路,1.反相加法运算电路,因,虚短,u,=u,+,=,0,平衡电阻：,R,2,=R,i1,/R,i2,/R,F,i,i2,i,i1,i,f,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,2,+,因,虚断,，,i,=0,所以,i,i1,+i,i2,=,i,f,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理,u,i1,单独作用(,u,i2,0)时，,同理，,u,i2,单独作用时,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,1,+,方法2：,平衡电阻：,R,i1,/R,i2,=R,1,/R,F,u,+,思考,u,+,=?,也可写出,u,和,u,+,的表达式，利用,u,=,u,+,的性质求解。,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,1,+,1.输入电阻低；,2.共模电压低；,3.当改变某一路输入电阻时，,对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点：,1.输入电阻高；,2.共模电压高；,3.当改变某一路输入电阻时，,对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,1,+,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,2,+,),(,2,12,2,1,11,2,i,i,o,u,R,R,f,u,R,R,f,u,+,-,=,2.3 减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,3,R,2,+,+,R,1,+,+,+,如果取,R,1,=R,2