第3章 集成运算放大器基础及负反馈电路

第3章 集成运算放大器基础及负反馈电路

第3章 集成运算放大器基础及负反馈电路 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 差分放大电路 集成运算放大器 负反馈电路 反馈的一般表达式 负反馈对放大电路性能的影响 深度负反馈放大电路的估算 负反馈电路应用示例

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本章教学目标1、了解直接耦合电路存在问题、零点漂移产生原因及其抑制 措施。 2、掌握差分放大器组成、抑制零漂原理。熟悉差模信号与 共模信号及其放大倍数、共模抑制比概念。会对任意信号进 行分解。 3、选学常见恒流源电路组成。 4、熟悉集成运放特点及其内电路框图、电路符号、理想运 放概念。了解集成电路分类、外形、命名方法。

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本章教学目标5、熟悉反馈、反馈深度和深度负反馈的概念。掌握反馈的分 类及其判别方法。 6、熟悉负反馈对放大电路性能影响。了解负反馈电路产生 自激震振荡条件及其消除方法。熟悉深度负反馈放大电路的 闭环增益估算方法。 7、选学负反馈电路应用示例。

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3.1 差分放大电路差分放大电路(Differential amplifier)又称差动放大器，

简称差放，是集成运算放大器(Intergrated operationalamplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂 移性能。

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3.1.1 差动放大器的电路组成和静态分析

一、直接耦合放大电路需要解决的问题： 1. 各级静态工作点相互影响，相互牵制。2. 存在零点漂移(Zero drift)。 ①零漂定义：在输入信号为零时，出现输出端的直流电位

缓慢变化的现象。 ②产生零点漂移的原因：元器件参数的变化；环境的温度 的变化(最主要的因素，因温度变化引起零漂称为温漂)。 ③零漂在 RC 耦合电路中影响不大；但在直接耦合放大电 路中会被后级电路逐级放大，且第一级的零漂影响最为严重。

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抑制零漂的措施： 1、选用高稳定性的元器件。 2、电路元件在安装前要经过认真的筛选和老化处理， 以确保质量和参数的稳定性。 3、采用稳定性高的稳压电源，减少电源电压的波动的影响。 4、采用温度补偿电路。 5、采用调制型直流放大器。 6、采用差动放大电路。这是目前应用最广的电路， 它常用作集成运放的输入级。

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二、差动放大电路组成

典型的差动放大器电路如图3.1.1所示，它具有两个输入 端，两个输出端。该电路采用发射极电阻Re耦合的对称共射 电路，其中V1、V2称为差分对管，两边的元器件采用相同 的温度特性和参数，使之具有很好的对称性，双电源供电， 且VCC=VEE,输出负载可以接到两输出端之间(称为双端输 出),也可接到任一输出端到地之间(称为单端输出)。

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三、静态分析

图3.1.2 差动放大电路直流通路

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三、静态分析 静态时，IC1=IC2≈IE,UC1=UC2=VCC-IC1Rc1 。 故：

Uo=UC1-UC2=0。另一思路，忽略IB影响。UB=0,UE=-UBE,

U BE VEE VEE IE 2Re 2Re即静态时，差动放大器具有零输入零输出的特点。不会 产生零点漂移现象，前提：电路完全对称。

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3.1.2

共模信号、差模信号及放大倍数

一、差模信号(Difference-Mode signal)和差模放大倍数 (Difference-Mode gain) 差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即 ui1=-ui2

uid=uid1-uid2 =2uid1 ,uid1=-uid2=uid/2 。若电路仅有uid作用，则输出电压为uod,电路的差模电压

放大倍数Aud=uod/uid 。

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二 、 共 模 信 号 (Common-Mode signal) 和 共 模 放 大 倍 数 (Common-Mode gain) 共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即 ui1=ui2=uic 差动放大器只有 uic作用输出电压为 uoc;则共模电压放 大倍数Auc=uoc/uic 。

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三、任意信号的分解 ui1和ui2输入的两个任意信号。此时，若将ui1和ui2改写成 u u i2 u i1 u i2 u i1 i1 2 2 u i1 u i2 u i1 u i2 ui2 2 2 由此可知，一对任意信号均可以分解为一对共模信号和一对 差模信号之和，即 uic (ui1 ui2 ) / 2 ui1 uic uid / 2 其中 uid ui1 ui2 ui2 uic uid / 2 任意信号输入时，分解成uid和 uic ,分别放大再叠加。即

uo uod uoc Aud uid Auc uic

差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。

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[例3.1.1] 已知差动放大电路ui1=10.04V,ui2=9.96V,试求共 模和差模输入电压。 解：

uic (ui1 ui2 ) / 2 10V uid ui1 ui2 0.08V 80mV

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3.1.3

差模输入信号的动态分析

差动电路有两个输入端、两个输出端，它具有双端输入 双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输 入单端输出四种组态。

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一、双端输出电路的差模特性

图3.1.3 双端输出差分电路

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双端输出差分电路原理图如图3.1.3(a)所示，其中输 出负载RL接在两管集电极之间。在差模输入电压下，两管集 电极电流产生电流数值相等、极性相反的变化。即

ic1 I C1 ic

ic 2 I C 2 ic由此产生以下结果：一是由输入差模电压产生在RL两端 的信号电压数值相等、极性相反，从而使得RL中点电位必然 交流接地；二是两管集电极电流共同通过Re时，仅有静态电 流2IE=IC1+IC2,而由输入差模电压产生的电流相互抵消，因此， 对差模信号而言，Re可看做短路。

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双端输出电路的差模交流通路如图3.1.3(b)所示。由图可得

uod uod1 uod2 2uod1 RL Aud Au1 uid uid1 uid2 2uid1 Rb rbeu od 为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之 式中， / RC //(RL / 2) 。上式说明双 差；Au1 为单管共射电路电压放大倍数；RL 端输出差动当大电路的电压放

大倍数与单管共射放大电路的电压放 大倍数相同。

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电路的输入电阻则是从两个输入端看进去的等效电阻。 Ri=2(Rb+rbe) 电路的输出电阻为 Ro=2Rc

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二、单端输出电路的差模特性 单端输出差动放大电路原理图如图3.1.4(a)所示 。

图3.1.4 单端输出差分电路

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