1、共模信号与差模信号
2、集成运算放大电路简介
3、集成运放的性能指标
4、集成运算放大电路“虚短”和“虚断”的解释
5、用集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路
一、零点漂移现象及其产生的原因
1. 什么是零点漂移现象:ΔuI=0,ΔuO≠0的现象。
产生原因:温度变化,直流电源波动,元器件老化。其中晶 体管的特性对温度敏感是主要原因,故也称零漂为温漂。 克服温漂的方法:引入直流负反馈,温度补偿。 典型电路:差分放大电路
典型电路
I BQ1 I BQ2 I BQ I CQ1 I CQ2 I CQ I EQ1 I EQ 2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ uO U CQ1 U CQ2 0
+V CC
在理想对称的情况下: 1. 克服零点漂移; 2. 零输入零输出; 3. 抑制共模信号; 4. 放大差模信号。
R
R
Rt
R
uI
三、长尾式差分放大电路的分析 I BQ1 I BQ2 I BQ 1. Q点:
I CQ1 I CQ2 I CQ I EQ1 I EQ 2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ uO U CQ1 U CQ2 0
Rb是必要的吗?
U CEQ VCC I CQ Rc U BEQ
VEE I BQ Rb U BEQ 2I EQ Re 晶体管输入回路方程: VEE U BEQ I EQ 通常,Rb较小,且IBQ很小,故 I EQ I BQ 2 Re 1
选合适的VEE和Re就 可得合适的Q
2. 抑制共模信号
共模信号:数值相等、极性相同的 输入信号,即
uI1 uI2 uIc
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2
uO uC1 uC2 (uCQ1 uC1) (uCQ2 uC2 ) 0
uOc 共模放大倍数 Ac ,参数理想对称时 Ac 0 uIc
2. 抑制共模信号 :Re的共模负反馈作用
uOc 共模放大倍数 Ac uIc 参数理想对称时 Ac 0
对于每一边电 路,Re=?
Re的共模负反馈作用:温度变化所引起的变化等效为共模信号 如 T(℃)↑→IC1↑ IC2 ↑→UE↑→ IB1 ↓IB2 ↓→ IC1 ↓ IC2 ↓
抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。
3. 放大差模信号
差模信号:数值相等,极性相反 的输入信号,即
uI1 uI2 uId / 2
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2 uO 2uC1
+
u Id 2 -
+
u Id 2 -
△iE1=-△ iE2,Re中电流不变,即Re 对差模信号无反馈作用。
差模信号作用时的动态分析
为什么? 差模放大倍数
Ad
uOd uId
RL ( Rc ∥ ) 2 Ad Rb rbe
Ri 2( Rb rbe ) ,Ro 2Rc
uId iB 2( Rb rbe )
uOd RL iC 2( Rc ∥ ) 2
4. 动态参数:Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
共模抑制比KCMR:综合考察差分放大电路放大差模信号的能 力和抑制共模信号的能力。
K CMR
Ad Ac
在参数理想对称的情况 下,K CMR 。
在实际应用时,信号源需要有“ 接地”点,以避免 干扰;或负载需要有“ 接地”点,以安全工作。 根据信号源和负载的
接地情况,差分放大电路有四种 接法:双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输 入双端输出、单端输入单端输出。
二、集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则可等效为一个 双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路:为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。 输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad 大, Ac小,输入端耐压高。 中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最 大不失真输出电压尽可能大。
几代产品中输入级的变化最大!
三、集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区: uO=Aod(uP-uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍,所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP-uN)的数值仅为几十~一百多微伏。
(uP-uN)的数值大于一定值时,集成运放的输出不是 +UOM , 就是-UOM,即集成运放工作在非线性区。
三、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • • 指标参数 理想值 20lg│Aod│ F007典型值 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0 超过此值不能正常放大 dIO的温漂d UIO/dT(℃) 几 nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 差模信号 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级放大管击穿 -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
二、高通电路和低通电路 1. 高通电路:信号频率越高,输出电压越接近输入电压。
. Uo . I . Ui
超前U U o i,当 f 0 时; 0,U 超前U 90。 U
o o i
2. 低通电路:信号频率越低,输出电压越接近输入电压。 .
I . Ui . Uo
滞后U U o i,当 f 时; 0,U 滞后U 90。 U
o o i
使输出电压幅值下降到70.7%,相位为±45º 的信号频率为 截止频率。
三、放大电路中的频率参数
高通 电路 低通 电路
结电容
f bw f H f L
下限频率
上限频率
在低频段,随着信号频率逐渐降低,耦合电容、旁路电
容等的容抗增大,使动态信号损失,放大能力下降。 在高频段,随着信号频率逐渐升高,晶体管极间电容和 分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小,使动态信号 损失,放大能力下降。
第六章 放大电路中的反馈
§6.1 反馈的概念及判断 §6.2 负反馈放大电路的方框图及放大倍数的估算
§6.3 交流负反馈对放大电路性能的影响 §6.4 负反馈放大电路的稳定性 §6.5 放大电路中反馈的其它问题
本章基本要求
• • • • 会判:判断电路中有无反馈及反馈的性质 会算:估算深度负反馈条件下的放大倍数 会引:根据需求引入合适的反馈 会判振消振:判断电路是否能稳定工作,会消 除自激振荡。
一、反馈的基本概念
1. 什么是反馈
反馈放大电路可用 方框图表示。 要研究哪些问题? 放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路,影响输入,称为反馈。
怎样引回
是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少 怎样引出 影响放大电路的输入 电压还是输入电流
2. 正反馈和负反馈
引入反馈后其变化是增大? 还是减小?
引入反馈后其变化是 增大?还是减小?
从反馈的结果来判断,凡反馈的结果使输出量 的变化减小的为负反馈,否则为正反馈;
或者,凡反馈的结果使净输入量减小的为负反 馈,否则为正反馈。
3. 直流反馈和交流反馈
直流通路中存在的反馈称为直流反馈,交流通 路中存在的反馈称为交流反馈。
引入交流负反馈
引入直流负反馈
4. 局部反馈和级间反馈
只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部 反馈,将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输 入回路的称为级间反馈。 通过R3引入的是局部反馈
通过R4引入的是级间反馈 通常,重点研究级间反馈或称总体反馈。
二、交流负反馈的四种组态 1. 电压反馈和电流反馈
描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式,即 反馈网络的取样对象。 将输出电压的一部分或全 部引回到输入回路来影响净 输入量的为电压反馈,即
U X o o
将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净 输入量的为电流反馈,即
I X o o
2. 串联反馈和并联反馈
描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式, 即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。
+ _
负反馈
' U --串联负反馈 U U i i f ' I --并联负反馈 I I i i f
3. 四种反馈组态:注意量纲
电压串联负反馈
电流串联负反馈
为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号?
电压并联负反馈
电流并联负反馈
3. 四种反馈组态:注意量纲
电压串联负反馈
电流串联负反馈
为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号?
电压并联负反馈
电流并联负反馈
§6.2 负反馈放大电路的方框图及 放大倍数的估算
一、负反馈放大电路的方框图 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达
式 三、深度负反馈的实质 四、基于反馈系数的放大倍数的估算方法 五、基于理想运放的放大倍数的计算方法
一、负反馈放大电路的方框图
负反馈放大电路 的基本放大电路 反馈网络 断开反馈,且 考虑反馈网络 的负载效应
决定反馈量和输出量关系 的所有元件所组成的网络
方框图中信号是单向流通的。
基本放大电路的放大倍数
反馈系数
X f F X o
X o A ' X i X o A f X i
反馈放大电路的放大倍数
二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式
' X X X X F A f o o i
X X A f o i
' ' A X A X i i A f ' ' X X X i f i FX o ' A X A i ' ' A AF f 1 A X X F i i
反馈组态 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联
功能 电压控制电压 电流控制电压 电压控制电流 电流控制电流
A
U o U
o ' U i ' I i
F
' U I o i ' I I o i
U U U U f o o i U U I I f o o i I I U U
A f
I I f o
f
o
I I o i
o
i
三、深度负反馈的实质 引入反馈后,反馈放大电路的放大倍数称为闭环放大倍数,用Af表示,则反 馈放大电路的基本关系式:
Af
Xo Xi
.
.
Xo Xd Xf
. .
.
Ao Xd Xd F X o
. .
.
Ao 1 F Xo Xd
. .
Ao 1 FAo
由上式可知 Af Ao
引入负反馈后,闭环放大倍数下降。
Ao Af Ao Ao 1 FAo
1 FAo 1
1 AoF ——反馈深度
反映了负反馈的强弱程度。
1 FAo
越大, 越小,反馈越强烈。
Af
若 AoF 1 称为深度负反馈,此时:
1 Af F
在深度负反馈的条件下,闭环放大倍数 Af取决于反馈系数F,与开环放大倍数Ao无 关。
3) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式 的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联,即反馈信号与输
入信号以电压形式作比较,称为串联反馈。
反馈信号与输入信号并联,即反馈信号与输 入信号以电流形式作比较,称为并联反馈。 串联反馈使电路的输入电阻增大,
并联反馈使电路的输入电阻减小。
五、基于理想运放的电压放大倍数的计算方法 1. 理想运放参数特点: 无源网络
Aod=∞,rid=∞, ro=0,fH =∞, 所有失调因素、温漂、噪声均为零。
2. 理想运放工作在线性区的电路特征:引入交、直流负
反馈
3. 理想运放工作在线性区的特点
因为uO为有限值, Aod=∞,所以 uN-uP=0,即 uN=uP--虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0--虚断路
求解放大倍数 的基本出发点
利用“虚短”、“虚断”求解电路
uF uI
, iR1 iR2 uI R1
uI uO ( R1 R2 ) R1
R2 Au 1 R1
利用“虚短”、“虚断”求解电路。
u N uP uI, iR 2
iR 3 u R1 u R2 R3
uI iR1 R1
R2 (1 )uI R3 R1
iO iR 2 iR 3
R1 R2 R3 uI R1R3
uO iO RL R1 R2 R3 Auf RL uI uI R1R3
清华大学 华成英 [email protected]
§6.3 交流负反馈对放大电路性能 的影响
一、提高放大倍数的稳定性 二、改变输入电阻和输出电阻 三、展宽频带 四、减小非线性失真
五、引入负反馈的一般原则
§7.1 集成运放组成的运算电路
一、概述 二、比例运算电路 三、加减运算电路 四、积分运算电路和微分运算电路 五、对数运算电路和指数运算电路
一、概述
1. 理想运放的参数特点
Aod、 rid 、fH 均为无穷大,ro、失调电压及其温漂、失 调电流及其温漂、噪声均为0。
2. 集成运放的线性工作区: uO=Aod(uP- uN)
电路特征:引入电压负反馈。
无源网络 因为uO为有限值, Aod=∞, 所以 uN-uP=0,即 uN=uP…………虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0………虚断路
3. 研究的问题
(1)运算电路:运算电路的输出电压是输入电压某种 运算的结果,如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微
分、对数、指数等。
(2)描述方法:运算关系式 uO=f (uI) (3)分析方法:“虚短”和“虚断”是基本出发点。
4、学习运算电路的基本要求
(1)识别电路; (2)掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。
二、比例运算电路 1. 反相输入
iN=iP=0, uN=uP=0--虚地
+
_
1) 2) 3) 4)
uI Rf i i uO iF Rf uI 在节点N: F R R R 电路引入了哪种组态的负反馈? 电路的输入电阻为多少? 保证输入级的对称性 R’=?为什么? R’=R∥Rf 若要Ri=100kΩ,比例系数为-100,R1=? Rf=?
Rf太大,噪声大。如何利用相对小 的电阻获得-100的比例系数?
T 形反馈网络反相比例运算电路
利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。
uI i2 i1 R1
R2 uM uI R1
uO uM (i2 i3 ) R4
uM i3 R3
R2 R4 R2 ∥ R4 uO (1 ) uI R1 R3
若要求Ri 100k,则R1 ? 若比例系数为 100,R2 R4 100k,则R3 ?
2. 同相输入
u N uP uI Rf uO (1 ) uN R Rf uO (1 ) uI R
1) 2) 3) 4)
电路引入了哪种组态的负反馈? 输入电阻为多少? 电阻R’=?为什么? 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗?为什么?
运算关系的分析方法:节点电流法
同相输入比例运算电路的特例:电压跟随器
uO uN uP uI
? 1) F 2) Ri ? Ro ? 3) uIc ?
三、加减运算电路
1. 反相求和
方法一:
节点电流法
u N uP 0 iF iR1 iR 2 iR 3 uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
uI1 uI2 uI3 uO iF Rf Rf ( ) R1 R2 R3
1. 反相求和 方法二:利用叠加原理
首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压,然后将所 有结果相加,即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
同理可得 uO2 Rf u I2 R2
Rf Rf uO1 uI1 uO3 u I3 R3 R1
uO uO1 uO2 uO3
Rf Rf Rf uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf
利用叠加原理求解: 令uI2= uI3=0,求uI1单独 作用时的输出电压
uO1 (1 R2 ∥ R3 ∥ R4 Rf ) uI1 R R1 R2 ∥ R3 ∥ R4
同理可得, uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3,形式与
uO1相同, uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意义清楚,计算麻烦! 在求解运算电路时,应选择合适的方法,使运算结果 简单明了,易于计算。
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf
i1 i2 i3 i4
uI1 uP uI2 uP uI3 uP uP R1 R2 R3 R4
必不可 少吗?
uI1 uI2 uI3 1 1 1 1 ( )uP R1 R2 R3 R1 R2 R3 R4
uI1 uI2 uI3 ) ( RP R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 ) R1 R2 R3 u R R Rf u u R uO (1 f ) uP RP ( I1 I2 I3 ) f R R R1 R2 R3 Rf uP RP (
uO Rf (
uI1 uI2 uI3 ) R1 R2 R3
与反相求和运算电路 的结果差一负号
3. 加减运算
利用求和运算电路的分析结果
设 R1∥ R2∥ Rf= R3∥ R4 ∥ R5
uI3 uI4 uI1 uI2 uO Rf ( ) R3 R4 R1 R2
若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5,uO=?
Rf uO (uI2 uI1 ) R
实现了差分 放大电路
讨论一:电路如图所示
(1)组成哪种基本运算电路?与用一个运放组成的 完成同样运算的电路的主要区别是什么? (2)为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不 考虑第二级电路对它的影响?
讨论二:求解图示各电路
iO f (uI ) ?
uO f (uI ) ? Ri ? Ro ?
该电路可等效成差分放 大电路的哪种接法?与该 接法的分立元件电路相比 有什么优点?
四、积分运算电路和微分运算电路
1. 积分运算电路
iC iR uI R
1 uI uO uC dt C R
uO 1 uI dt RC
1 uO RC
t2 t1
uI dt uO (t1 )
若uI在t1~t2为常量,则 uO
1 uI (t2 t1 ) uO (t1 ) RC
利用积分运算的基本关系实现不同的功能
1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形? 2) 输入为方波时的输出电压波形? 3) 输入为正弦波时的输出电压波形? 线性积分,延时 波形变换
移相
方波变三角波
R2的作用?
2. 微分运算电路
duI iR iC C dt
虚地
duI uO iR R RC dt
限制输出 电压幅值 滞后补偿
为了克服集成运 放的阻塞现象和自 激振荡,
实用电路 应采取措施。
运放由于某种原因 进入非线性区而不 能自动恢复的现象
限制输 入电流
怎么识别微分运算 电路?
五、对数运算电路和指数运算电路
1. 对数运算
uI i C i R R
i C I Se
实际 极性
u BE UT
利用PN结端电 压与电流的关系
uI U T ln IS R
uO uBE
实用电路中常常采取措施 消除IS对运算关系的影响
对输入电压的极性和幅值有何要求?
ICM限制其值
集成对数运算电路
uI iC1 iI I Se U T R3 uI uBE1 U T ln I S R3 I 同理,uBE2 U T ln R IS
u BE1
u N2
热敏电阻?温度系数为正?为负? uI U T kT q uP2 uBE2 uBE1 U T ln I R R3
R2 R u )u N2 (1 2 )U T ln I R5 R5 I R R3
uO (1
2. 指数运算电路
uI uBE
iR iE I Se
uI UT
uI UT
uO iR R I S Re
对输入电压的极性和幅值有何要求?
3. 乘法、除法运算电路
1、共模信号与差模信号
2、集成运算放大电路简介
3、集成运放的性能指标
4、集成运算放大电路“虚短”和“虚断”的解释
5、用集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路
一、零点漂移现象及其产生的原因
1. 什么是零点漂移现象:ΔuI=0,ΔuO≠0的现象。
产生原因:温度变化,直流电源波动,元器件老化。其中晶 体管的特性对温度敏感是主要原因,故也称零漂为温漂。 克服温漂的方法:引入直流负反馈,温度补偿。 典型电路:差分放大电路
典型电路
I BQ1 I BQ2 I BQ I CQ1 I CQ2 I CQ I EQ1 I EQ 2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ uO U CQ1 U CQ2 0
+V CC
在理想对称的情况下: 1. 克服零点漂移; 2. 零输入零输出; 3. 抑制共模信号; 4. 放大差模信号。
R
R
Rt
R
uI
三、长尾式差分放大电路的分析 I BQ1 I BQ2 I BQ 1. Q点:
I CQ1 I CQ2 I CQ I EQ1 I EQ 2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ uO U CQ1 U CQ2 0
Rb是必要的吗?
U CEQ VCC I CQ Rc U BEQ
VEE I BQ Rb U BEQ 2I EQ Re 晶体管输入回路方程: VEE U BEQ I EQ 通常,Rb较小,且IBQ很小,故 I EQ I BQ 2 Re 1
选合适的VEE和Re就 可得合适的Q
2. 抑制共模信号
共模信号:数值相等、极性相同的 输入信号,即
uI1 uI2 uIc
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2
uO uC1 uC2 (uCQ1 uC1) (uCQ2 uC2 ) 0
uOc 共模放大倍数 Ac ,参数理想对称时 Ac 0 uIc
2. 抑制共模信号 :Re的共模负反馈作用
uOc 共模放大倍数 Ac uIc 参数理想对称时 Ac 0
对于每一边电 路,Re=?
Re的共模负反馈作用:温度变化所引起的变化等效为共模信号 如 T(℃)↑→IC1↑ IC2 ↑→UE↑→ IB1 ↓IB2 ↓→ IC1 ↓ IC2 ↓
抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。
3. 放大差模信号
差模信号:数值相等,极性相反 的输入信号,即
uI1 uI2 uId / 2
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2 uO 2uC1
+
u Id 2 -
+
u Id 2 -
△iE1=-△ iE2,Re中电流不变,即Re 对差模信号无反馈作用。
差模信号作用时的动态分析
为什么? 差模放大倍数
Ad
uOd uId
RL ( Rc ∥ ) 2 Ad Rb rbe
Ri 2( Rb rbe ) ,Ro 2Rc
uId iB 2( Rb rbe )
uOd RL iC 2( Rc ∥ ) 2
4. 动态参数:Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
共模抑制比KCMR:综合考察差分放大电路放大差模信号的能 力和抑制共模信号的能力。
K CMR
Ad Ac
在参数理想对称的情况 下,K CMR 。
在实际应用时,信号源需要有“ 接地”点,以避免 干扰;或负载需要有“ 接地”点,以安全工作。 根据信号源和负载的
接地情况,差分放大电路有四种 接法:双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输 入双端输出、单端输入单端输出。
二、集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则可等效为一个 双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路:为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。 输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad 大, Ac小,输入端耐压高。 中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最 大不失真输出电压尽可能大。
几代产品中输入级的变化最大!
三、集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区: uO=Aod(uP-uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍,所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP-uN)的数值仅为几十~一百多微伏。
(uP-uN)的数值大于一定值时,集成运放的输出不是 +UOM , 就是-UOM,即集成运放工作在非线性区。
三、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • • 指标参数 理想值 20lg│Aod│ F007典型值 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0 超过此值不能正常放大 dIO的温漂d UIO/dT(℃) 几 nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 差模信号 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级放大管击穿 -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
二、高通电路和低通电路 1. 高通电路:信号频率越高,输出电压越接近输入电压。
. Uo . I . Ui
超前U U o i,当 f 0 时; 0,U 超前U 90。 U
o o i
2. 低通电路:信号频率越低,输出电压越接近输入电压。 .
I . Ui . Uo
滞后U U o i,当 f 时; 0,U 滞后U 90。 U
o o i
使输出电压幅值下降到70.7%,相位为±45º 的信号频率为 截止频率。
三、放大电路中的频率参数
高通 电路 低通 电路
结电容
f bw f H f L
下限频率
上限频率
在低频段,随着信号频率逐渐降低,耦合电容、旁路电
容等的容抗增大,使动态信号损失,放大能力下降。 在高频段,随着信号频率逐渐升高,晶体管极间电容和 分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小,使动态信号 损失,放大能力下降。
第六章 放大电路中的反馈
§6.1 反馈的概念及判断 §6.2 负反馈放大电路的方框图及放大倍数的估算
§6.3 交流负反馈对放大电路性能的影响 §6.4 负反馈放大电路的稳定性 §6.5 放大电路中反馈的其它问题
本章基本要求
• • • • 会判:判断电路中有无反馈及反馈的性质 会算:估算深度负反馈条件下的放大倍数 会引:根据需求引入合适的反馈 会判振消振:判断电路是否能稳定工作,会消 除自激振荡。
一、反馈的基本概念
1. 什么是反馈
反馈放大电路可用 方框图表示。 要研究哪些问题? 放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路,影响输入,称为反馈。
怎样引回
是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少 怎样引出 影响放大电路的输入 电压还是输入电流
2. 正反馈和负反馈
引入反馈后其变化是增大? 还是减小?
引入反馈后其变化是 增大?还是减小?
从反馈的结果来判断,凡反馈的结果使输出量 的变化减小的为负反馈,否则为正反馈;
或者,凡反馈的结果使净输入量减小的为负反 馈,否则为正反馈。
3. 直流反馈和交流反馈
直流通路中存在的反馈称为直流反馈,交流通 路中存在的反馈称为交流反馈。
引入交流负反馈
引入直流负反馈
4. 局部反馈和级间反馈
只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部 反馈,将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输 入回路的称为级间反馈。 通过R3引入的是局部反馈
通过R4引入的是级间反馈 通常,重点研究级间反馈或称总体反馈。
二、交流负反馈的四种组态 1. 电压反馈和电流反馈
描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式,即 反馈网络的取样对象。 将输出电压的一部分或全 部引回到输入回路来影响净 输入量的为电压反馈,即
U X o o
将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净 输入量的为电流反馈,即
I X o o
2. 串联反馈和并联反馈
描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式, 即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。
+ _
负反馈
' U --串联负反馈 U U i i f ' I --并联负反馈 I I i i f
3. 四种反馈组态:注意量纲
电压串联负反馈
电流串联负反馈
为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号?
电压并联负反馈
电流并联负反馈
3. 四种反馈组态:注意量纲
电压串联负反馈
电流串联负反馈
为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号?
电压并联负反馈
电流并联负反馈
§6.2 负反馈放大电路的方框图及 放大倍数的估算
一、负反馈放大电路的方框图 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达
式 三、深度负反馈的实质 四、基于反馈系数的放大倍数的估算方法 五、基于理想运放的放大倍数的计算方法
一、负反馈放大电路的方框图
负反馈放大电路 的基本放大电路 反馈网络 断开反馈,且 考虑反馈网络 的负载效应
决定反馈量和输出量关系 的所有元件所组成的网络
方框图中信号是单向流通的。
基本放大电路的放大倍数
反馈系数
X f F X o
X o A ' X i X o A f X i
反馈放大电路的放大倍数
二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式
' X X X X F A f o o i
X X A f o i
' ' A X A X i i A f ' ' X X X i f i FX o ' A X A i ' ' A AF f 1 A X X F i i
反馈组态 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联
功能 电压控制电压 电流控制电压 电压控制电流 电流控制电流
A
U o U
o ' U i ' I i
F
' U I o i ' I I o i
U U U U f o o i U U I I f o o i I I U U
A f
I I f o
f
o
I I o i
o
i
三、深度负反馈的实质 引入反馈后,反馈放大电路的放大倍数称为闭环放大倍数,用Af表示,则反 馈放大电路的基本关系式:
Af
Xo Xi
.
.
Xo Xd Xf
. .
.
Ao Xd Xd F X o
. .
.
Ao 1 F Xo Xd
. .
Ao 1 FAo
由上式可知 Af Ao
引入负反馈后,闭环放大倍数下降。
Ao Af Ao Ao 1 FAo
1 FAo 1
1 AoF ——反馈深度
反映了负反馈的强弱程度。
1 FAo
越大, 越小,反馈越强烈。
Af
若 AoF 1 称为深度负反馈,此时:
1 Af F
在深度负反馈的条件下,闭环放大倍数 Af取决于反馈系数F,与开环放大倍数Ao无 关。
3) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式 的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联,即反馈信号与输
入信号以电压形式作比较,称为串联反馈。
反馈信号与输入信号并联,即反馈信号与输 入信号以电流形式作比较,称为并联反馈。 串联反馈使电路的输入电阻增大,
并联反馈使电路的输入电阻减小。
五、基于理想运放的电压放大倍数的计算方法 1. 理想运放参数特点: 无源网络
Aod=∞,rid=∞, ro=0,fH =∞, 所有失调因素、温漂、噪声均为零。
2. 理想运放工作在线性区的电路特征:引入交、直流负
反馈
3. 理想运放工作在线性区的特点
因为uO为有限值, Aod=∞,所以 uN-uP=0,即 uN=uP--虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0--虚断路
求解放大倍数 的基本出发点
利用“虚短”、“虚断”求解电路
uF uI
, iR1 iR2 uI R1
uI uO ( R1 R2 ) R1
R2 Au 1 R1
利用“虚短”、“虚断”求解电路。
u N uP uI, iR 2
iR 3 u R1 u R2 R3
uI iR1 R1
R2 (1 )uI R3 R1
iO iR 2 iR 3
R1 R2 R3 uI R1R3
uO iO RL R1 R2 R3 Auf RL uI uI R1R3
清华大学 华成英 [email protected]
§6.3 交流负反馈对放大电路性能 的影响
一、提高放大倍数的稳定性 二、改变输入电阻和输出电阻 三、展宽频带 四、减小非线性失真
五、引入负反馈的一般原则
§7.1 集成运放组成的运算电路
一、概述 二、比例运算电路 三、加减运算电路 四、积分运算电路和微分运算电路 五、对数运算电路和指数运算电路
一、概述
1. 理想运放的参数特点
Aod、 rid 、fH 均为无穷大,ro、失调电压及其温漂、失 调电流及其温漂、噪声均为0。
2. 集成运放的线性工作区: uO=Aod(uP- uN)
电路特征:引入电压负反馈。
无源网络 因为uO为有限值, Aod=∞, 所以 uN-uP=0,即 uN=uP…………虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0………虚断路
3. 研究的问题
(1)运算电路:运算电路的输出电压是输入电压某种 运算的结果,如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微
分、对数、指数等。
(2)描述方法:运算关系式 uO=f (uI) (3)分析方法:“虚短”和“虚断”是基本出发点。
4、学习运算电路的基本要求
(1)识别电路; (2)掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。
二、比例运算电路 1. 反相输入
iN=iP=0, uN=uP=0--虚地
+
_
1) 2) 3) 4)
uI Rf i i uO iF Rf uI 在节点N: F R R R 电路引入了哪种组态的负反馈? 电路的输入电阻为多少? 保证输入级的对称性 R’=?为什么? R’=R∥Rf 若要Ri=100kΩ,比例系数为-100,R1=? Rf=?
Rf太大,噪声大。如何利用相对小 的电阻获得-100的比例系数?
T 形反馈网络反相比例运算电路
利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。
uI i2 i1 R1
R2 uM uI R1
uO uM (i2 i3 ) R4
uM i3 R3
R2 R4 R2 ∥ R4 uO (1 ) uI R1 R3
若要求Ri 100k,则R1 ? 若比例系数为 100,R2 R4 100k,则R3 ?
2. 同相输入
u N uP uI Rf uO (1 ) uN R Rf uO (1 ) uI R
1) 2) 3) 4)
电路引入了哪种组态的负反馈? 输入电阻为多少? 电阻R’=?为什么? 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗?为什么?
运算关系的分析方法:节点电流法
同相输入比例运算电路的特例:电压跟随器
uO uN uP uI
? 1) F 2) Ri ? Ro ? 3) uIc ?
三、加减运算电路
1. 反相求和
方法一:
节点电流法
u N uP 0 iF iR1 iR 2 iR 3 uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
uI1 uI2 uI3 uO iF Rf Rf ( ) R1 R2 R3
1. 反相求和 方法二:利用叠加原理
首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压,然后将所 有结果相加,即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
同理可得 uO2 Rf u I2 R2
Rf Rf uO1 uI1 uO3 u I3 R3 R1
uO uO1 uO2 uO3
Rf Rf Rf uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf
利用叠加原理求解: 令uI2= uI3=0,求uI1单独 作用时的输出电压
uO1 (1 R2 ∥ R3 ∥ R4 Rf ) uI1 R R1 R2 ∥ R3 ∥ R4
同理可得, uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3,形式与
uO1相同, uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意义清楚,计算麻烦! 在求解运算电路时,应选择合适的方法,使运算结果 简单明了,易于计算。
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf
i1 i2 i3 i4
uI1 uP uI2 uP uI3 uP uP R1 R2 R3 R4
必不可 少吗?
uI1 uI2 uI3 1 1 1 1 ( )uP R1 R2 R3 R1 R2 R3 R4
uI1 uI2 uI3 ) ( RP R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 ) R1 R2 R3 u R R Rf u u R uO (1 f ) uP RP ( I1 I2 I3 ) f R R R1 R2 R3 Rf uP RP (
uO Rf (
uI1 uI2 uI3 ) R1 R2 R3
与反相求和运算电路 的结果差一负号
3. 加减运算
利用求和运算电路的分析结果
设 R1∥ R2∥ Rf= R3∥ R4 ∥ R5
uI3 uI4 uI1 uI2 uO Rf ( ) R3 R4 R1 R2
若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5,uO=?
Rf uO (uI2 uI1 ) R
实现了差分 放大电路
讨论一:电路如图所示
(1)组成哪种基本运算电路?与用一个运放组成的 完成同样运算的电路的主要区别是什么? (2)为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不 考虑第二级电路对它的影响?
讨论二:求解图示各电路
iO f (uI ) ?
uO f (uI ) ? Ri ? Ro ?
该电路可等效成差分放 大电路的哪种接法?与该 接法的分立元件电路相比 有什么优点?
四、积分运算电路和微分运算电路
1. 积分运算电路
iC iR uI R
1 uI uO uC dt C R
uO 1 uI dt RC
1 uO RC
t2 t1
uI dt uO (t1 )
若uI在t1~t2为常量,则 uO
1 uI (t2 t1 ) uO (t1 ) RC
利用积分运算的基本关系实现不同的功能
1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形? 2) 输入为方波时的输出电压波形? 3) 输入为正弦波时的输出电压波形? 线性积分,延时 波形变换
移相
方波变三角波
R2的作用?
2. 微分运算电路
duI iR iC C dt
虚地
duI uO iR R RC dt
限制输出 电压幅值 滞后补偿
为了克服集成运 放的阻塞现象和自 激振荡,
实用电路 应采取措施。
运放由于某种原因 进入非线性区而不 能自动恢复的现象
限制输 入电流
怎么识别微分运算 电路?
五、对数运算电路和指数运算电路
1. 对数运算
uI i C i R R
i C I Se
实际 极性
u BE UT
利用PN结端电 压与电流的关系
uI U T ln IS R
uO uBE
实用电路中常常采取措施 消除IS对运算关系的影响
对输入电压的极性和幅值有何要求?
ICM限制其值
集成对数运算电路
uI iC1 iI I Se U T R3 uI uBE1 U T ln I S R3 I 同理,uBE2 U T ln R IS
u BE1
u N2
热敏电阻?温度系数为正?为负? uI U T kT q uP2 uBE2 uBE1 U T ln I R R3
R2 R u )u N2 (1 2 )U T ln I R5 R5 I R R3
uO (1
2. 指数运算电路
uI uBE
iR iE I Se
uI UT
uI UT
uO iR R I S Re
对输入电压的极性和幅值有何要求?
3. 乘法、除法运算电路