模拟电子技术教程（工作手册式）教学课件（共7章）第3章 集成运放基础及负反馈电路.ppt

3.1 差分放大电路 3.2 集成电路与集成运算放大器 3.3 负反馈放大电路及其应用 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.理解差分放大器电路组成、抑制零漂原理，理解差模信号与共模信号及其放大倍数、共模抑制比，会对任意信号进行分解 3.理解集成运算放大器特点及其内电路框图，熟悉运放图形符号和理想运放特点 4.掌握反馈的概念；理解负反馈放大电路的类型、会判别常用负反馈电路的类型；了解负反馈对电路性能的影响 5.了解深度负反馈电路特点、负反馈电路产生自激震振荡条件及其消除方法 集成运算放大器具有体积小、功耗低、性能优异、稳定可靠、通用性强、使用方便等诸多优点，已经成为电子技术中的一种基本放大器件，广泛应用于信号调理、自动控制、电子测量等领域 在我们常用的家用电器中，有很多应用了负反馈电路例如在音响系统中通常设有音调控制电路，通过负反馈电路对声音某部分频率信号进行提升或者衰减，使整个声场更加符合用户的要求一般音响系统中用低音调节和高音调节两个旋钮来对音频信号中的低频成分和高频成分进行提升或衰减图3.0.1所示是一对立体声音箱，在侧面板上有用于调节音量、高音和低音的三个旋钮。

取出内部的音调控制电路板，如图3.0.2所示，其中就有集成运放NE5532和阻容元件构成的负反馈式音调调节电路 图3.0.1 音箱外观 图3.0.2 音调控制电路板 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 operational amplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂移性能 3.1 差分放大电路 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 3.1.1 差动放大器电路组成和静态分析 2. 存在零点漂移(Zero drift)现象 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 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) 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 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 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） 二、差分放大电路组成 图3.1.1差分放大电路 (a)电路图 (b) 直流通路 静态时，IC1=IC2IE，UC1=UC2=VCCIC1Rc1 故： Uo=UC1UC2=0 另一思路，忽略IB影响UB=0，UE=UBE， 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 三、静态分析 如差分放大器两边参数不完全对称，输出会产生什么现象？为什么？ 3.1.2 共模信号、差模信号及其放大倍数 一、差模信号和差模放大倍数 差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即 ui1ui2uid=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Auduod/uid 二、共模信号和共模放大倍数 共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即ui1ui2uic 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 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 其中 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 任意信号输入时，分解成uid和 uic ，分别放大再叠加即 差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成 例3.1.1 已知差动放大电路ui1=100.2mV，ui2=99.8mV，试求共模和差模输入电压 解： 3.1.3 差分电路的动态分析与共模抑制比 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 一、双端输出电路动态分析及共模抑制比 图3.1.2 双端输入双端输出差分电路（a）电路原理图 （b）差模交流通路 （c）共模交流通路 双端输出差分电路原理图如图3.1.2（a）所示，应用叠加定理进行分析。

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 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 双端输出电路的差模交流通路如图3.1.2（b）所示由图可得 式中， 为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之差； 为单管共射电路电压放大倍数； 上式说明双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 上式表明，双端输出的理想差动放大电路对共模信号具有完全抑制作用，为了更好地表征电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比KCMR,，KCMR定义为 KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强 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 二、单端输出电路的共模抑制比 单端输出差动放大电路原理图如图3.1.3（a）所示 图3.1.3 双端输入单端输出电路（a）电路原理图 （b）差模交流通路 （c）共模交流通路 分析表明，该电路的共模抑制比为 式中, 差模输入电阻和输出电阻为：Ri=2(Rb+rbe) Ro=Rc 3.1.4 采用恒流源的差分放大电路 为了提高单端输出差动放大电路的共模抑制比，应当提高Re的数值。

但增大Re会增加Re上的直流压降，影响电路的静态工作点，为使电路正常工作,需提高电源电压，但电源电压又不能任意提高，所以形成矛盾采用恒流源代替R e可很好地解决这一矛盾 恒流源输出电流恒定，具有交流等效电阻很大而直流电阻（两端电压降）不大的特点图3.1.4所示电路就是一个采用恒流源的差动放大电路二极管VD是为补偿晶体管V3发射结温漂而设置的 图3.1.4 具有恒流源的差动放大电路 图中，V3组成分压式工作点稳定电路作为恒流源，保证温度变化时，IE3基本不变，且 3.1.5 失调调及温漂 1输入失调电压(Input offset voltage) 一个完全对称的差分放大器，静态时应该具有“零输入零输出”的性能，即输入电压为零（ui1=ui2=0）时，双端输出电压也为零然而实际的放大器由于存在元器件失配，很难做到完全对称因此在输入电压为零时，双端输出电压不一定为零，相应的输出电压称为失调电压，用UOO表示 为了衡量差动电路失调电压对输入信号影响的大小，一般把UOO折算到输入端，称为输入失调电压，用UIO表示 UIO=UOO/Aud 3.1.5 失调调及温漂 2输入失调电流(Input offset current) 差分放大器两个输入端一般都接有电阻Rs或Rb,在这种情况下，由于两管的值不等，造成ICQ1ICQ2。

为使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引入电流，使相应的IBQ1IBQ2通常将这种因两管不相等而在输入端引入的差值电流称为输入失调电流，用IIO表示，定义为ICQ1=ICQ2时两基极电流之差的绝对值，即 3.1.5 失调调及温漂 3. 温漂(Temperature drift) 失调随温度的变化值称为温漂，环境温度是产生温漂的外部因素，而晶体管参数随温度变化，则是内部因素差分放大器的温漂一般为几V/ 一般，差分放大电路的失调可通过适当的调零装置给予补偿，使之达到零输入零输出，但加接调零装置无法消除温漂减小温漂的有效方法是加接温度补偿电路 1. 差分放大电路具有什么特点？2. 差分放大电路输入信号中既有差模电压信号，又有共模电压信号，电路输出信号电压，一般用什么方法求得？3.差分放大电路为什么要用恒流源替代发射极电阻？4.图3.1.4中能用晶体管代替二极管进行温度补偿吗？为什么？ 5.差分放大电路失调电压一般用什么方法调整？温漂能否用同样的方法消除？消除温漂最有效的方法是什么？ 3.2 集成运算放大器 3.2.1 集成运算放大器简介 集成运算放大器是模拟集成电路的一个重要分支，它实际上是用集成电路工艺制成的具有高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。

它具有通用性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、性能优越等特点，而且外部接线很少，调试极为方便现在已经广泛应用于自动测试、自动控制、计算技术、信息处理以及通讯工程等各个电子技术领域 集成运算放大器的外形，常见的有以下三种： 图3.2.1 集成运放的外形(a) 圆壳式 (b) 双列直插式 (c) 扁平式 (2)电路符号 “”反相输入端（Inverting input terminal），“+”同相输入端(Noninverting input terminal) (3)集成运放的输出输入关系式 图3.2.2 集成运放图形符号(a)国家标准图形符号 (b)习惯通用符号 在运放组成的一个电压放大电路中，分别在同相输入端和反相输入端加上极性与大小相同的电压，输出电压有何异同？ 3.2.2 集成运算放大器内部电路框图 图3.2.3 集成运放内部电路框图 2中间级 中间电压放大级大多由有源负载的共射电路组成，运算放大器的放大倍数主要是由中间级提供的，因此要求中间级有较高的电压放大倍数，一般放大倍数可达几万倍甚至几十万倍以上 1输入级 输入级一般由高性能的恒流源差分放大电路组成，具有温漂小、共模抑制比高、高输入阻抗的特点，从而减少零点漂移，提高共模抑制比。

设置两个输入端可扩大集成运放的应用范围 4偏置电路 偏置电路一般由恒流源组成，用来为各级放大电路提供合适的偏置电流，使之具有合适的静态工作点它们一般也作为放大器的有源负载和差动放大器的发射极电阻 3输出级 输出级由互补对称放大电路组成，以提高集成运放的负载能力，减小大信号工作情况下的非线性失真 3.2.3 理想运放特性 工程中常把集成运放理想化理想运放具有以下特性： (1)开环差模电压放大倍数 Aod (2)开环差模输入电阻 Rid (3)开环差模输出电阻 Rod=0 (4)输入失调电压 UIO=0 (5)输入失调电流 IIO=0 (6)共模抑制比 KCMR 1.集成运放内电路一般由哪4部分组成？为什么输入级用恒流源作发射极电阻的差分放大器？2.理想运放有哪些主要特性？ 3.3.1 反馈放大器的基本概念 将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部），经过一定的电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号（电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈反馈，具有反馈的放大器称为反馈放大器(Feedback amplifier) 3.3 负反馈放大电路及其应用 一个电路是否存在反馈，就是看输出与输入回路之间有没有起联系作用的元件。

若有则存在反馈，若无则不存在反馈 一、负反馈的电路框图 负反馈放大电路的框图(Block diagram)如图3.3.1所示反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成 图3.3.1 负反馈放大器的组成。