高职系列教材《电工学与工业电子学》课程教学资源（PPT课件）第9章 直接耦合放大电路和集成运算放大器

第9章直接耦合放大电路和集成运算放大器 91直接耦合放大电路 9,2集成电路基本知识 93集成运算放大器的结构和指标 94集成运放的应用基础 95集成运放在信号运算方面的应用 96信号转换电路 9,7集成运放的非线性应用一电压比较器 98专用集成电路 返回主目录

第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器 9.1 直接耦合放大电路 9.2 集成电路基本知识 9.3 集成运算放大器的结构和指标 9.4 9.5 集成运放在信号运算方面的应用 9.6 信号转换电路 9.7 集成运放的非线性应用——电压比较器 9.8 专用集成电路 返回主目录

第9章直接耦合放大电路和集成运 算放大器 91直接耦合放大电路 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)。采用 阻容耦合或变压器耦合的放大电路是不能放大这种信号的 因为在阻容耦合电路中,电容对这些信号呈现的阻抗极大, 信号被电容隔断,无法传输到下一级。而在变压器耦合的电路 中,信号将被变压器原边线圈的低阻所短路,也无法耦合到 边去。因此,放大这类变化缓慢的信号,只能用直接耦合放大 电路

第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运 算放大器 9.1 直接耦合放大电路 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）。采用 阻容耦合或变压器耦合的放大电路是不能放大这种信号的。 因为在阻容耦合电路中，电容对这些信号呈现的阻抗极大， 信号被电容隔断，无法传输到下一级。而在变压器耦合的电路 中, 信号将被变压器原边线圈的低阻所短路，也无法耦合到副 边去。因此，放大这类变化缓慢的信号，只能用直接耦合放大 电路

、直接耦合放大电路的零点漂移问题 与阻容耦合的放大电路相比,直接耦合放大电路突出的问 题就是零点漂移问题。 从实验中可以发现,对于两级以上的耦合放大电路,即使 在输入端不加信号(即输入端短路),输出端也会出现大小变 化的电压,如图9-1所示。这种现象称作零点漂移,简称零漂。 级数越多,放大倍数越大,零漂现象越严重 亚重的零点漂移将使放大电路不能工作。以图9-1电路 为例,放大电路的总放大倍数为300。当输入端短路时,观察 其输出电压,在半小时内出现了0.5V的漂移

一、直接耦合放大电路的零点漂移问题 与阻容耦合的放大电路相比，直接耦合放大电路突出的问 题就是零点漂移问题。 从实验中可以发现，对于两级以上的耦合放大电路，即使 在输入端不加信号（即输入端短路），输出端也会出现大小变 化的电压，如图 9-1 所示。这种现象称作零点漂移，简称零漂。 级数越多，放大倍数越大，零漂现象越严重。 严重的零点漂移将使放大电路不能工作。 以图 9 -1 电路 为例，放大电路的总放大倍数为300。当输入端短路时，观察 其输出电压， 在半小时内出现了0.5V的漂移

图9-1零点漂移现象

图 9 –1 零点漂移现象 V1 ui ＝ 0 V2 uo1 O uo2 O t t uo2

若用这个放大电路放大一个2mⅣ的信号,则应有 Uo=2×10-3×300=06V的输出。但是,由于零漂的存在,输出 端实际输出可达1.1V,而不是0.6V。因此无法区分信号电压 与漂移电压。 引起零漂的原因很多,如电源电压波动、温度变化等, 其中以温度变化的影响最为严重。当环境温度发生变化时, 晶体管的β、ICBo、Uε随温度而变。这些参数变化造成的影响 相当于在输入端加入信号,使输出电压发生变化 在阻容耦合电路中,各级的零漂被限制在本级内,所以影 响较小。而在直接耦合电路中,前一级的零漂电压将毫无阻拦 地传递到下一级,并逐级放大,所以第一级的零漂影响最为严 重。抑制零漂,应着重在第一级解决

若用这个放大电路放大一个 2mV 的信号 ， 则应有 Uo=2×10-3×300 =0.6V的输出。但是，由于零漂的存在，输出 端实际输出可达1.1V，而不是0.6 V。因此无法区分信号电压 与漂移电压。 引起零漂的原因很多，如电源电压波动、温度变化等， 其中以温度变化的影响最为严重。当环境温度发生变化时， 晶体管的β、ICBO 、UBE随温度而变。这些参数变化造成的影响， 相当于在输入端加入信号，使输出电压发生变化。 在阻容耦合电路中，各级的零漂被限制在本级内，所以影 响较小。而在直接耦合电路中，前一级的零漂电压将毫无阻拦 地传递到下一级，并逐级放大，所以第一级的零漂影响最为严 重。抑制零漂，应着重在第一级解决

减小零漂常用的一种方法,是利用两只特性相同的三极管 接成差动式电路。这种电路在模拟集成电路中作为基本单元而 被广泛采用 差动放大电路 差动放大电路又称差动电路,它能比较完善地抑制零点漂 移,常用于要求较高的直流放大电路中。差动电路又是当今集 成电路的主要单元结构 1.电路组成和抑制零漂原理 图9-2所示电路为典型的差动放大电路。两侧的三极管电 路完全对称。即:Ra1=Ra2,Rb1=R2,三极管V1和V2的参数相 同,两管的射极相连并接有公共的射极电阻Re,由两组电源 +UCc和-U正供电

减小零漂常用的一种方法，是利用两只特性相同的三极管， 接成差动式电路。这种电路在模拟集成电路中作为基本单元而 被广泛采用。 二、差动放大电路 差动放大电路又称差动电路，它能比较完善地抑制零点漂 移，常用于要求较高的直流放大电路中。差动电路又是当今集 成电路的主要单元结构。 1. 图 9 -2 所示电路为典型的差动放大电路。两侧的三极管电 路完全对称。即：Rc1 = Rc2，Rb1=Rb2，三极管V1和V2的参数相 同， 两管的射极相连并接有公共的射极电阻Re，由两组电源 +UCC和 -UEE供电

+ 图9-2差动放大电路

图 9 –2 差动放大电路 － ＋ Rc 1 Rc 2 ＋ uod Rb1 Rb2 ＋UCC Re －UEE uo1 uo2 V1 V2 ui1 － ui2 ＋ － uid

由于三极管V1和三极管V2参数完全相同且电路对称,因而 在静态时,U=0,三极管集电极电压U=U2,U。=Ua-U2=0 实现了零输入、零输出的要求 如果温度升高,Ia1和[2同时增大,Ua1和Ua同时下降,两 管集电极电压变化量相等。所以△U。=△U1-△Ua2=0,输出电压 仍然为零,这就说明,零点漂移因为电路对称而抵消了。 2.差模信号和差模放大倍数 在图9-2中,输入信号u分成幅度相同的两个部分:u1和 u12,它们分别加到两只三极管的基极。由图看出:u1和u极性 (或相位)相反

由于三极管V1和三极管V2参数完全相同且电路对称，因而 在静态时，Ui=0，三极管集电极电压 Uc1 = Uc2，Uo=Uc1 -Uc2 =0， 实现了零输入、零输出的要求。 如果温度升高，Ic1和Ic2同时增大，Uc1和Uc2同时下降， 两 管集电极电压变化量相等。所以ΔUo=ΔUc1 -ΔUc2 =0，输出电压 仍然为零，这就说明，零点漂移因为电路对称而抵消了。 2. 在图9- 2中，输入信号uid分成幅度相同的两个部分：ui1和 ui2，它们分别加到两只三极管的基极。由图看出：ui1和ui2极性 （或相位）相反

这种对地大小相等、极性(或相位)相反的电压信号叫 差模信号,用uid表示为 dui1-ui 2 (9-1) 差模信号就是待放大的有用信号。在它的作用下,一只 三极管内电流上升,另一只管内电流下降,于是输出端将有 电压输出。所以差动放大电路对差模信号能进行放大。设差 动放大电路单侧的放大倍数为A,由于电路对称, Uo1=A1…·Uln2UO2=A1(-=Ul 所以输出电压

这种对地大小相等、极性（或相位）相反的电压信号叫 差模信号， 用uid表示为 uid=ui1 -ui2 (9 -1) 差模信号就是待放大的有用信号。在它的作用下，一只 三极管内电流上升，另一只管内电流下降，于是输出端将有 电压输出。所以差动放大电路对差模信号能进行放大。 设差 动放大电路单侧的放大倍数为A1，由于电路对称， UO A Ui d UO A Ui d ) 2 1 , ( 2 1 1 = 1  2 = 1 − 所以输出电压

U。1-Un,=A1·U; 差动放大电路的电压放大倍数为 R,+ (注意:U、U2、Uln、U均为电压有效值。) 式(9-2)说明:差动式放大电路(两管)的电压放大倍 数和单管放大电路的放大倍数相同。差动电路的特点是多用 个放大管来换取对零漂的抑制。 3.共模信号和共模抑制比KCMR 在差动电路中,如果两输入端同时加一对对地大小相等、 极性(或相位)相同的信号电压,这种信号叫共模信号,用 表示

Uod=Uo1 -Uo2=A1·Uid 差动放大电路的电压放大倍数为 b b e C i i d Od d R r R A U U A + = =  −  （注意：Uo1、Uo2、Uid、Uo均为电压有效值。 ） 式（9 -2）说明：差动式放大电路（两管）的电压放大倍 数和单管放大电路的放大倍数相同。差动电路的特点是多用一 个放大管来换取对零漂的抑制。 3. 共模信号和共模抑制比KCMRR 在差动电路中，如果两输入端同时加一对对地大小相等、 极性（或相位）相同的信号电压，这种信号叫共模信号，用uic 表示，uic=uic1=uic2