1、5.1 差分式放大電路差分式放大電路5.2 集成電路運算放大器集成電路運算放大器零點漂移（零漂）零點漂移（零漂） 一個理想的直接耦合放大電路，輸入信號為一個理想的直接耦合放大電路，輸入信號為0時，輸時，輸出應保持不變。但實際中，輸出會發生變化。出應保持不變。但實際中，輸出會發生變化。 引起引起零漂零漂的原因有溫度變化、電源波動等許多因素，的原因有溫度變化、電源波動等許多因素，其中溫度的影響最為嚴重。溫度引起的漂移稱其中溫度的影響最為嚴重。溫度引起的漂移稱溫漂溫漂。 直接耦合多級放大電路中第一級的漂移影響最嚴重。直接耦合多級放大電路中第一級的漂移影響最嚴重。措施：引入直流負反饋；溫度補償；差分式

2、放大電路措施：引入直流負反饋；溫度補償；差分式放大電路bCCbCCRRVRUVIbBEQBQIIIRRbIR正溫度系數正溫度系數穩定原理：穩定原理：CBRCIIIIT溫溫度度補補償償溫度補償：溫度補償：電路中采用對溫度敏感的器件（如二極管、熱敏電阻等）電路中采用對溫度敏感的器件（如二極管、熱敏電阻等）電路中利用二極管的反向特性進行溫度補償電路中利用二極管的反向特性進行溫度補償5.1 差分式放大電路5.1.1 5.1.1 差動放大電路的工作原理差動放大電路的工作原理+ui1-+ uo -RCRB2T1RB1RCRB2T2RB1+UCC+ui2-特點：特點：結構對稱結構對稱即：即： 1= 2= U

3、BE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe1. 1. 零點漂移的零點漂移的抑制抑制uo= VC1 - VC2 = 0當當 ui1 = ui2 =0 時：時： 當溫度變化時：當溫度變化時：IC1=IC2，VC1 = VC2設設T iC1 ,iC2 vC1 , vC2 ( (增量相等增量相等) ) uo= vC1 - vC2 = 0+ui1-+ uo -RCRB2T1RB1RCRB2T2RB1+UCC+ui2-2. 2. 輸入信號分類輸入信號分類(1)差模差模(differential mode)輸入輸入ui1 = -ui2(2)共模共模( common mode) 輸入輸入ui1

4、 = ui2 = uic任意輸入的信號任意輸入的信號 ui1 , ui2 ，都可分解成差模分，都可分解成差模分量和共模分量。量和共模分量。(3)比較比較 輸入輸入兩輸入端加的信號大小相等、極性相反。兩輸入端加的信號大小相等、極性相同。ui1 = uic + uid1 ；ui2 = ui ic - uid1例例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV則：則：uid1 = 5mV , uic = 15mV 差模分量差模分量:i1i2id1id22uuuu 共模分量共模分量:i1i2ic2uuu ui1 = 15mV + 5mV ；ui2 = 15mV - 5mV+ uo +ui1+U

5、CCRCT1RBRCT2RBREUEE+ui2+uo1+uo2iBiBiEiCiEiCRP5.1.2 5.1.2 典型差動放大電路典型差動放大電路特點：特點：加入射極電阻加入射極電阻RE ；加入負電源加入負電源 -UEE ，采用正采用正負雙電源供電。負雙電源供電。為了使左右平衡，為了使左右平衡，可設置調零電位器可設置調零電位器設設ui1 = ui2 = 0RE : 對對共模信號有很共模信號有很強負反饋作用強負反饋作用, 抑制溫度漂移。抑制溫度漂移。 對對差模信號差模信號基本上不影響放大效果。基本上不影響放大效果。溫度溫度IC1IC2IE UREUBE1UBE2IB2IB1IC1IC2RE的作用

6、的作用 動畫演示動畫演示結論：結論：1 1 由于由于 R RE E上的電壓上的電壓U UE E的增高，使每個管子的漂移得到了抑的增高，使每個管子的漂移得到了抑制（制（電流負反饋作用電流負反饋作用）。顯然，）。顯然，R RE E越大，抑制能力越強越大，抑制能力越強。3 3 當輸入差模信號時，當輸入差模信號時， iE=(=(iE1+ iE2),),由于由于iE1與與 iE2的極性相反，的極性相反， iE=0=0。所以里流過。所以里流過R RE E的電流幾乎不變，的電流幾乎不變，R RE E基本上不影響差模信號的放大作用基本上不影響差模信號的放大作用。2 2 當輸入共模信號時，它的抑制過程同對零漂的

7、抑制過程當輸入共模信號時，它的抑制過程同對零漂的抑制過程相似，所以相似，所以R RE E又稱為共模抑制電阻又稱為共模抑制電阻。雙電源的作用：雙電源的作用：（3）使信號變化幅度加大。）使信號變化幅度加大。（2）IB1、IB2由負電源由負電源-UEE提供。提供。（1）低償）低償RE的直流壓降，使的直流壓降，使BJT不工作在飽和區。不工作在飽和區。+ uo +ui1+UCCRCT1RBRCT2RBREUEE+ui2+uo1+uo2iBiBiEiCiEiCRP5.1.3 5.1.3 共模抑制比共模抑制比( (CMRR) )例例: Ad=-200，Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.

8、1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分貝分貝)dcAAdc20logAA共模抑制比越大，表示電路放大差模共模抑制比越大，表示電路放大差模信號和抑制共模信號的能力越強。信號和抑制共模信號的能力越強。理想情況下：理想情況下：AC0 K0 KCMR帶恒流源的射極耦合差分式放大電路帶恒流源的射極耦合差分式放大電路電路組成及工作原理電路組成及工作原理 加調零電位器差分放大電路加調零電位器差分放大電路實際電路，參數不能達到實際電路，參數不能達到理想情況，電流利用調零電位理想情況，電流利用調零電位器器RW進行電路調零。進行

9、電路調零。場效應管差分放大電路場效應管差分放大電路改善差分放大電路的輸入特改善差分放大電路的輸入特性以獲得較大的輸入電阻。性以獲得較大的輸入電阻。 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。是發展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。大電路。是發展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。Auo 高高: 80dB140dB rid 高高: 105 1011 ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 KCMR高高: 70dB130dB一一. . 集成運放的特點集成運放的特點1.1. 直接耦合方式，第一級通常采用差分放大電路。直接耦合方式，第一

10、級通常采用差分放大電路。2.2. 用復雜電路實現高性能的放大電路。用復雜電路實現高性能的放大電路。3.3. 用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。電阻。4.4. 采用復合管。采用復合管。5.5. 需要的電容和電感通常外接。需要的電容和電感通常外接。6.6. 二極管一般用三極管的發射結構成。二極管一般用三極管的發射結構成。+UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端二二. . 集成運放電路的組成集成運放電路的組成偏置電路：偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態工作

11、點。為各級放大電路設置合適的靜態工作點。輸輸 入入 級：級：前置級，多采用差分放大電路。要求前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大，Ac小，輸小，輸入端耐壓高。入端耐壓高。中中 間間 級：級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸輸 出出 級：級：功率級，多采用準互補輸出級。要求功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出小，最大不失真輸出電壓盡可能大。電壓盡可能大。動畫 運放的特點運放的特點理想運放：理想運放： rid KCMRR ro 0 0Auouo 運放符號：運放符號：u-u+ uo2.2 理

12、想運算放大器國內符號：國內符號： 同相輸入端同相輸入端反相輸入端反相輸入端輸出端輸出端國際符號：國際符號：VV+_ _Auu-_uo 運放的電壓傳輸特性：運放的電壓傳輸特性：設：電源電壓設：電源電壓VCC=10V。 運放的運放的Auo=104Ui1mV時，運放處于線性區。時，運放處于線性區。VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區線性區非線性區非線性區非線性區非線性區Auo越大，線性區越小，當越大，線性區越小，當Auo 時，線性區時，線性區0Auo越大，運放的線性范圍越小，必須越大，運放的線性范圍越小，必須在在輸出與輸入輸出與輸入之間之間加負反饋加負反

13、饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。才能使其擴大輸入信號的線性范圍。實際特性實際特性+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想特性理想特性運算放大器線性應用時的分析依據運算放大器線性應用時的分析依據1. 1. 輸入電阻輸入電阻 ,兩個輸入端的輸入電流可認兩個輸入端的輸入電流可認為是零，即為是零，即虛斷虛斷。idr 2. 2. 開環電壓放大倍數開環電壓放大倍數 輸出電壓是一個有輸出電壓是一個有限值，限值，uoA ou o0uuuA uu 即即虛短虛短。0,u 如果信號從反向端輸入，同相端接地如果信號從反向端輸入，同相端接地 0u 反相端近于反相端近于“地地”電位，即電位，即虛地虛地。運算放大器

14、在飽和區時的情況運算放大器在飽和區時的情況 當當 時時，uu oo(sat)Uu 例題uu oo(sat)Uu 當當時，時，注意注意：此時輸入端的輸入電流也等于零此時輸入端的輸入電流也等于零有有“虛斷虛斷”特性，但是沒有特性，但是沒有“虛短虛短”特性。特性。5.3 基本線性運放電路虛擬短路虛擬短路虛擬斷路虛擬斷路放大倍數與負載無關，放大倍數與負載無關， 可以分開分析可以分開分析。i0I uuu-uo_+ u+Ii比例運算比例運算運放在運放在信號運信號運算中的算中的應用應用加減運算加減運算微積分運算微積分運算乘除運算乘除運算指數、對數運算指數、對數運算0uui1= ifoi1FuuRR oFui

15、1uRAuR 虛短虛短虛斷虛斷2.3.2 2.3.2 反相輸入反相輸入比例運算比例運算Foi1RuuR oiuu 當RF= R1時，反相器反相器uo_+ + RFR1RPuii1if電位為電位為0 0，虛地，虛地特點：只有一個輸入信號，并特點：只有一個輸入信號，并且通過電阻引入反相輸入端且通過電阻引入反相輸入端反相反相RP =R1 / RF平衡電阻，使輸入端對地的靜態電阻平衡電阻，使輸入端對地的靜態電阻相等，保證靜態時輸入級的對稱性。相等，保證靜態時輸入級的對稱性。uo_+ + RFR1RPuii1ifoFui1uRAuR 例例1：電路如下圖所示，分別計算開關電路如下圖所示，分別計算開關S斷開

16、和閉合時斷開和閉合時的電壓放大倍數。的電壓放大倍數。uo10KuiR2+ S1K1K1KR1解：解：1. S斷開斷開Au= RF R1 = 10K (1+1) K = 52. 閉合閉合由由虛斷虛斷：i+= i = 0 由由虛短虛短：u=u+= 0相當于兩個相當于兩個1K電阻并聯電阻并聯iiuui325 .01iiiuiii3121211010oofuuui310103ioufoiuuAuuiii1i2if例例2 求電壓放大倍數求電壓放大倍數Au=uo/ui 。i+ =0i- =0,u-= u+=0_+ + RFR1RPuiuoi1iFi-i+R2R3i2 i3uFiF = i2 +i3 = i

17、1uiR1-uFRF=-uFRFuF -uoR2uFR3+uo = - ui R1RF + R2 +RF R2R3R1RF + R2 +RF R2R3Au= RP=R1/(RF + R2 /R3)5.3.1 5.3.1 同相輸入同相輸入u-= u+= uiioi1F0uuuRR Foi1(1)RuuR虛短虛短虛斷虛斷_+ + RFR1R2uiuoi1if特點：只有一個輸入信號，并特點：只有一個輸入信號，并且通過電阻引入同相輸入端且通過電阻引入同相輸入端oFi11uuRAuR電位不為電位不為0 0，沒有沒有“虛地虛地”同相同相i1= if5.3.1 5.3.1 同相輸入同相輸入_+ + RFR1

18、R2uiuoi1if平衡電阻平衡電阻 R2=R1/RFoFi11uuRAuR 思考思考F1FFFoiii11F21RRRRRuuuuRR RRo-+iuuuu 此電路的作用與分離元件的射極輸出器相同，此電路的作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器電壓跟隨器結構特點：結構特點：輸出電壓全部引輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相到反相輸入端，信號從同相端輸入。端輸入。電壓跟隨器是電壓跟隨器是同相同相比例運算放大器的特例。比例運算放大器的特例。_+ + RFR1R2uiuoi1if_+ + uiuo當 (開路)或 時, 稱為電壓跟隨器電壓跟隨器。01FR

19、RFu1(1)1RAR uo+ 5k RL5k +12V例例3：0512655iuuV基準電壓電路基準電壓電路 例4：圖中同相比例運算電路，圖中同相比例運算電路，,k10FR,k21R,k22R,k183RV,1iu求：ouR2R1RF+ui-R3+uo-+-解：此電路為同相比例運算電路，此電路為同相比例運算電路，i323118V0.9V2 18uuRRRo1010.9V5.4V2u式式uRRu1Fo1中的中的u是指加在同相是指加在同相輸入端的輸入電壓輸入端的輸入電壓323FFF1FoiFii11231F2322111RR RRRRRRuuuRuuRRRRR RRR RR3FFoi112311

20、RRRuuuRRRR_+ + R2R1R3ui10k100kuo_+ + R5R4R100kuo1A1A2例5： 求圖中運算電路求圖中運算電路R R5 5的值。的值。155 ,ouu A1：同相比例運算電路A2：反相比例運算電路211111oiiRuuuR55141155100ooiiRRuuuuRk 5500Rk 平衡電阻：平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / Ri3 / RF由由虛短虛短：u= u+= 0i3oi1i2123FiiiuuuuRRRR由由虛斷虛斷：i = 0 if = ii1+ ii2 + ii3 RFRi1ui1uoui2Ri2Ri3+ R2+ui3ii2ii3ifi

21、i1123123()FFFoiiiiiiRRRuuuuRRR 當當R11 = R12 = R13 = R1時時1231()FoiiiRuuuuR 當當R1 = RF時時123()oiiiuuuu 1 1、反相求和運算、反相求和運算5.4.3 5.4.3 加法運算加法運算調節反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響調節反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響其它輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節方便。其它輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節方便。特點：多個輸入信號，均通過特點：多個輸入信號，均通過電阻引入反相輸入端電阻引入反相輸入端5.4 5.4 同相輸入和反相輸入同相輸入和反相輸入放大電路的

22、其他應用放大電路的其他應用ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+由由虛短虛短：u= u+u+由由同相比例運算同相比例運算：Fo1(1)RuuRu+=?u+為為ui2單獨作用時的代數和單獨作用時的代數和2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 2 2、同相求和運算、同相求和運算注意：注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影響，不能同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影響，不能單獨調整。單獨調整。特點：多個輸入信號，均通過電阻引入同相輸入端特點：多個輸入信號，均通過電阻引入同相輸入端思考思考)(1(2i2i

23、1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu Fi2i1oi1i21i1i2i1i2F1i2i1i1i1i2i2F1Fi1i2i1i1i2i2FFi1i2i1i2(1)()()=RRRuuuRRRRRRRR RuR RuRR RRRRRRRRRuuRR注意：在滿足靜態平衡條件下，同相求和電路的各輸入信號的注意：在滿足靜態平衡條件下，同相求和電路的各輸入信號的放大倍數不再互相影響，可以單獨調整。放大倍數不再互相影響，可以單獨調整。ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+例例6：求輸出電壓：求輸出電壓解：解： A1為反相比例運算，為反相比例運算，A2為反向加法電路為反向加法電路ui2uo

24、RFui1Ri1Ri2+ Rp2+RRp1R+ A1A2uo1)(1211oiFiiFouRRuRRu221iiouuRRu1122iiFiiFouRRuRRu_+ + RF R1 R2ui2uoR3ui1uu oi11FuuuuRR i223uuuRR 3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR 解出：解出：5.4.1 5.4.1 減法運算減法運算特點：特點：多個輸入信號，多個輸入信號，同相和反相輸入端均有同相和反相輸入端均有信號接入信號接入用疊加原理求解：用疊加原理求解：_+ + RFR1R2ui2uoR3ui1Fo1i11RuuR 3Fo2i2123(1)()RRuuRRR 3F

25、Foi2i11231(1)()RRRuuuRRRR ui1單獨作用時為反相輸入比單獨作用時為反相輸入比例運算電路，其輸出電壓為：例運算電路，其輸出電壓為：ui2單獨作用時為同相輸入單獨作用時為同相輸入比例運算，其輸出電壓為：比例運算，其輸出電壓為： ui1和和ui2共同作用時，輸出電壓為：共同作用時，輸出電壓為：注意：在滿足靜態平衡條件下，減法電路的各輸入信號的放大注意：在滿足靜態平衡條件下，減法電路的各輸入信號的放大倍數不再互相影響，可以單獨調整。倍數不再互相影響，可以單獨調整。_+ + RFR1R2ui2uoR3ui13FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR 3FFoi2i1

26、1231231FFFi2i11F2231FFi2i121(1)()RRRuuuRRRRR RRR RRuuR RR RRRRRuuRR R2 + + uo RF R1 ui1 ui2 R3 由此可見，輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比，實現了減由此可見，輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比，實現了減法運算。該電路又稱為差動輸入運算電路或差動放大電路。法運算。該電路又稱為差動輸入運算電路或差動放大電路。3FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR 123FRRRR若若 ， ，且且 ， ， 則則: :Foi2i11()RuuuR123FRRRR若若 ， ， 則則: :oi2i1()uuu例例7

27、 7：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓uo。解：A1A1是電壓跟隨器，是電壓跟隨器，i1o1uuA2A2是差動運算電路，是差動運算電路，o11Fi21Fo1uRRuRRui11Fi21F1uRRuRR想一想：為什么要加A1？加入加入A1的作用：的作用：輸入阻抗很高，減少信號的衰減。輸入阻抗很高，減少信號的衰減。例例8：加減運算運算電路：加減運算運算電路利用疊加原理計算得：利用疊加原理計算得：)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設設 R1 R2 Rf R3 R4 R5例例10：求：求 Uo1, Uo2和和Uo3：R116k3k4kR1

28、224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V44411231234oIIIRRRUUUUVRRR 反相求和電路反相求和電路R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V291029108784117.5oIURRURRRRRUV 同相比例電路同相比例電路 297410/437.5oIURR UV R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V減法電路減法電路3651652113.25oooURR URR UV 3651611213.25oooURR URRUV oi1i2i31

29、()3uuuu例例11：求輸出電壓：求輸出電壓uo和輸入電壓和輸入電壓ui1, ui2和和ui3的關系：的關系：利用疊加原理計算得：利用疊加原理計算得：A1A4均為電壓跟隨器均為電壓跟隨器ui1ui3ui2uoi1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF oi1F1duu tRC tuCiCddFF 1i1Rui ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ 0oio1F1dtCtutututR C 由由虛斷：虛斷：由由虛短：虛短：u= u+=01. 1. 積分運算積分運算特點：反相比例電路中的反饋電阻由電容取代。特點：反相比例電路中的反饋電阻由電容取代。icuC+ 電容兩端電壓和電容兩端電

30、壓和電流的關系：電流的關系： 1ccccdututit dtitccdt 0oioo1F1dttutu tutRC 反相積分反相積分積分時間常數積分時間常數5.4.4 5.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路tui0tuo0U-UomTM積分時限積分時限反相積分器：反相積分器：如果如果ui=直流電壓直流電壓,輸出將反相積分，輸出將反相積分，經過一定的時間后輸出飽和。經過一定的時間后輸出飽和。 toi011dFutu tRC 11FUtRC 設設Uom=15V,U=+3V, R1=10k ,CF=1 F求積到飽和值的時間：求積到飽和值的時間：omM11FUUTRC 1omM0.05sFRC UTU積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間輸出電壓隨時輸出電壓隨時間線性變化間線性變化1) 1) 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？輸入為階