第九章直接耦合放大电路和集成运算放大器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
变压器耦合：原边阻抗小，对信号相当 于短路，无法将信号传递到副边，变压 器也不能集成。
直接耦合：对信号频率要求不高，适合用 于放大低频信号，且容易集成。
9.1.1 直接耦合放大电路的零点漂移问题
零点漂移：当输入信号为0，由于电源波动、温度变化等原因，
使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起始点做上下漂 动，成为零点漂移。
本章重点和难点
集成运算放大器工作的特点； 常用信号运算电路的分析。
9.1 直接耦合放大电路
问题 的 引出
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些 变化缓慢的低频信号（频率为几赫兹至几十赫 兹，甚至接近于零），这些低频信号在多级放 大电路中处理时，该怎样处理？
多级放大电路 耦合方式
阻容耦合：对于低频信号阻抗大，且电容 不能集成。
KCMRR
Ad Ac
Ad 越大，Ac 越小，KCMRR 越大，差动放大电路的性能越好。
理想情况下，KCMRR 为 ∞。对实际差动电路，KCMRR 愈大愈 好。
结论
A、差动放大电路具有放大差模信号、 抑制共模信号的能力， 因此， 在普遍采用直接耦合的集成运算放大器中， 广泛采用 差动放大电路作为输入级，以起到抑制零点漂移的作用。 B、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大，但射极 电阻越大， 抑制共模的能力就越强，一般采用恒流源电路来替 代射极电阻， 以获得较好的共模抑制能力。
2） ui1 12 uid , ui2 ( 12)uid , uid ui1 ui2 ，这种信号输 入方式称为差模输入， uid 称为差模输入信号。
差模信号输入
UCC
Rb Rc
VC1
பைடு நூலகம்uo
uo1
ui1
Rc
VC 2 uo 2
Rb
ui2
Re
U EE
设差动放大电路单侧的放大倍数为 A1，则有：
U o1
第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
本章基本要求:
1、了解直接耦合放大电路的零点漂移问题； 2、了解差动放大电路的结构，掌握差动放大电路抑制零点 漂移的原理； 3、了解差动放大电路的输入信号； 4、了解集成运算放大器的组成和特点； 5、掌握集成运算放大器工作的特点； 6、掌握常用信号运算电路的分析。
2. 集成运放内部的电路组成
输入端 输入级
中间级
偏置 电路
输出级
输出端
输入级是具有恒流源的差动放大电路， 用于消除零漂。 中间级一般由一级共射极放大电路（或共源极放大电路） 或组合放大电路组成， 用以提供高的电压放大倍数。 输出级大多为互补推挽电路， 并附有安全保护电路。降低 输出电阻，提高带载能力。 偏置电路采用恒流源电路， 为各级电路设置稳定的直流偏 置。
3. 集成运放的外部引出端子
F007金属封装
8
7
6
5
18 7
2
6
3 4
5
F007双列直插式封装 1
2
3
4
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
符号
OA1 ININ+ VOA2 OUT
V+ NC
功能说明 失调调整端 反相输入端 同相输入端 偏置负电源电压，负电源端 失调调整端 输出端 偏置正电源电压，正电源端 空闲
解为差模信号uid 和共模信号uic两部分分别定义差模信号和 共模信号为：
uid
ui1 ui2 , uic
1 2
(ui1
ui 2
)
Ad
uod uid
Ac
uoc uic
uo Aduid Acuic
越大，电路差模放大能力越强
越小，电路抑制共模信号的能力越强
共模抑制比
uo Aduid Acuic
UCC
Rb
Rc VC1
uo1 uo2
uo
Rc VC 2
ui1
Rb
ui2
Re
U EE
ui1 ui2
ui1 ui2
uo VC1 VC2 0 uo VC1 VC2 0
“有差能动”
差动放大电路输入信号分析
差动放大电路中输入信号 ui1 和 ui2有三种情况:
1) ui1 ui2 uic 这种信号输入方式称为共模输入, uic 称为 共模输入信号 。如果差动放大电路完全对称，则共模输入 产生的输出电压为零，完全对称的差动放大电路对共模信号 没有放大能力，亦即共模电压放大倍数为零。实际的差动放 大电路由于不可能完全对称，因此存在一定的共模输出电压。 在差动放大电路中，共模输入信号一般为噪声信号(比如零 漂信号)，必须尽可能加以抑制！
0.3v
Au 3 ( 30
)
U O 3
9v
结论：对于直接耦合的多级放大电路由于零漂的存在，容 易造成在电路里无法区分有用的信号电压和零漂电压。因 此，在直接耦合的多级放大电路中，解决零漂问题是非常 关键的， 解决零漂的办法：采用差动放大电路。
9 .1.2 差动放大电路
抑制零点漂移的原理： 当温度变化时，对两管 的影响是一致的，相当 给两管电路同时加入大 小相等、极性相同的输 入信号，因此，当电路 特性完全对称的情况下 ，两管的集电极电位始 终相同，不会出现普通 直接耦合放大器那样的 漂移电压，这就是为什 么差动放大电路能够抑 制零点漂移的原因。
uo1 uo2
ui 0
零点漂移现象
如下图中，当 ΔUi 0 时，由于某种原因使 ΔUo1 0.1V ，设 Aui Au2 Au3 30 ，则 ΔUo3 9V 这种缓慢变化
的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。
Ui 0
Au1 ( 30 )
UO1 0.01v
Au 2 ( 30
)
U O 2
A1
•
1 2 U id
,Uo2
A1
• (
1 2 )Uid
U od U o1 U o2 A1 •U id
Ad
U od U id
A1
3）任意输入信号
在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和
极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共
模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分
9.2 集成运算放大器的结构和指标
9.21 集成运放的结构特点
1. 集成运放的特点
集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能， 现在 成为一种通用器件。
高增益（高放大倍数）、高可靠性、低成本和小尺寸。 集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大 倍数的放大器，具有输入电阻大、输出电阻小的特点。
9.2.2 集成运放的主要性能指标
1. 输入失调电压UOS
当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端 之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS。它反映了差放输入 级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型 运放的UOS为毫伏数量级，好的可小于1mV，差的达10mV左 右。 2. 输入失调电流IOS
直接耦合：对信号频率要求不高，适合用 于放大低频信号，且容易集成。
9.1.1 直接耦合放大电路的零点漂移问题
零点漂移：当输入信号为0，由于电源波动、温度变化等原因，
使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起始点做上下漂 动，成为零点漂移。
本章重点和难点
集成运算放大器工作的特点； 常用信号运算电路的分析。
9.1 直接耦合放大电路
问题 的 引出
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些 变化缓慢的低频信号（频率为几赫兹至几十赫 兹，甚至接近于零），这些低频信号在多级放 大电路中处理时，该怎样处理？
多级放大电路 耦合方式
阻容耦合：对于低频信号阻抗大，且电容 不能集成。
KCMRR
Ad Ac
Ad 越大，Ac 越小，KCMRR 越大，差动放大电路的性能越好。
理想情况下，KCMRR 为 ∞。对实际差动电路，KCMRR 愈大愈 好。
结论
A、差动放大电路具有放大差模信号、 抑制共模信号的能力， 因此， 在普遍采用直接耦合的集成运算放大器中， 广泛采用 差动放大电路作为输入级，以起到抑制零点漂移的作用。 B、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大，但射极 电阻越大， 抑制共模的能力就越强，一般采用恒流源电路来替 代射极电阻， 以获得较好的共模抑制能力。
2） ui1 12 uid , ui2 ( 12)uid , uid ui1 ui2 ，这种信号输 入方式称为差模输入， uid 称为差模输入信号。
差模信号输入
UCC
Rb Rc
VC1
பைடு நூலகம்uo
uo1
ui1
Rc
VC 2 uo 2
Rb
ui2
Re
U EE
设差动放大电路单侧的放大倍数为 A1，则有：
U o1
第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
本章基本要求:
1、了解直接耦合放大电路的零点漂移问题； 2、了解差动放大电路的结构，掌握差动放大电路抑制零点 漂移的原理； 3、了解差动放大电路的输入信号； 4、了解集成运算放大器的组成和特点； 5、掌握集成运算放大器工作的特点； 6、掌握常用信号运算电路的分析。
2. 集成运放内部的电路组成
输入端 输入级
中间级
偏置 电路
输出级
输出端
输入级是具有恒流源的差动放大电路， 用于消除零漂。 中间级一般由一级共射极放大电路（或共源极放大电路） 或组合放大电路组成， 用以提供高的电压放大倍数。 输出级大多为互补推挽电路， 并附有安全保护电路。降低 输出电阻，提高带载能力。 偏置电路采用恒流源电路， 为各级电路设置稳定的直流偏 置。
3. 集成运放的外部引出端子
F007金属封装
8
7
6
5
18 7
2
6
3 4
5
F007双列直插式封装 1
2
3
4
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
符号
OA1 ININ+ VOA2 OUT
V+ NC
功能说明 失调调整端 反相输入端 同相输入端 偏置负电源电压，负电源端 失调调整端 输出端 偏置正电源电压，正电源端 空闲
解为差模信号uid 和共模信号uic两部分分别定义差模信号和 共模信号为：
uid
ui1 ui2 , uic
1 2
(ui1
ui 2
)
Ad
uod uid
Ac
uoc uic
uo Aduid Acuic
越大，电路差模放大能力越强
越小，电路抑制共模信号的能力越强
共模抑制比
uo Aduid Acuic
UCC
Rb
Rc VC1
uo1 uo2
uo
Rc VC 2
ui1
Rb
ui2
Re
U EE
ui1 ui2
ui1 ui2
uo VC1 VC2 0 uo VC1 VC2 0
“有差能动”
差动放大电路输入信号分析
差动放大电路中输入信号 ui1 和 ui2有三种情况:
1) ui1 ui2 uic 这种信号输入方式称为共模输入, uic 称为 共模输入信号 。如果差动放大电路完全对称，则共模输入 产生的输出电压为零，完全对称的差动放大电路对共模信号 没有放大能力，亦即共模电压放大倍数为零。实际的差动放 大电路由于不可能完全对称，因此存在一定的共模输出电压。 在差动放大电路中，共模输入信号一般为噪声信号(比如零 漂信号)，必须尽可能加以抑制！
0.3v
Au 3 ( 30
)
U O 3
9v
结论：对于直接耦合的多级放大电路由于零漂的存在，容 易造成在电路里无法区分有用的信号电压和零漂电压。因 此，在直接耦合的多级放大电路中，解决零漂问题是非常 关键的， 解决零漂的办法：采用差动放大电路。
9 .1.2 差动放大电路
抑制零点漂移的原理： 当温度变化时，对两管 的影响是一致的，相当 给两管电路同时加入大 小相等、极性相同的输 入信号，因此，当电路 特性完全对称的情况下 ，两管的集电极电位始 终相同，不会出现普通 直接耦合放大器那样的 漂移电压，这就是为什 么差动放大电路能够抑 制零点漂移的原因。
uo1 uo2
ui 0
零点漂移现象
如下图中，当 ΔUi 0 时，由于某种原因使 ΔUo1 0.1V ，设 Aui Au2 Au3 30 ，则 ΔUo3 9V 这种缓慢变化
的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。
Ui 0
Au1 ( 30 )
UO1 0.01v
Au 2 ( 30
)
U O 2
A1
•
1 2 U id
,Uo2
A1
• (
1 2 )Uid
U od U o1 U o2 A1 •U id
Ad
U od U id
A1
3）任意输入信号
在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和
极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共
模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分
9.2 集成运算放大器的结构和指标
9.21 集成运放的结构特点
1. 集成运放的特点
集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能， 现在 成为一种通用器件。
高增益（高放大倍数）、高可靠性、低成本和小尺寸。 集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大 倍数的放大器，具有输入电阻大、输出电阻小的特点。
9.2.2 集成运放的主要性能指标
1. 输入失调电压UOS
当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端 之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS。它反映了差放输入 级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型 运放的UOS为毫伏数量级，好的可小于1mV，差的达10mV左 右。 2. 输入失调电流IOS