反之,如果输出电阻Ro很大,满足Ro>>RL条件,则当RL在较大范围内变化时,就可维持输出信号电流的恒定。
如手机电池,它的内阻可以等效看作输出电阻,用了几年后,内阻高了,也就要报废了,因为带不动外面的东西了。
⑷通(频)带BW0.7
由于电路中电抗元件和晶体管结电容的影响,当信号频率过高或者过低时,放大倍数都会下降。
因此,放大器一般只适合于放大某一频段的信号。
当信号频率升高,放大器放大倍数下降为中频放大倍数的0.707倍时,所对应的信号频率fH为上限截止频率;同样,信号频率下降时,当放大倍数降为中频放大倍数的0.707倍时,所对应的信号频率fL为下限截止频率。
BW0.7=fH-fL。
2.2基本放大电路
基本放大电路根据选用的三极管不同,可分为共射、共集、共基放大电路,而根据选用的场效应管不同则分为共源、共漏、共源放大电路。
将上述六类可以归纳为常用的三种器件:
反向电压放大器(共射和共源)、电压跟随器(共集和共漏)、电流跟随器(共基和共栅)。
对三者特点分析如下:
⑴共射极放大电路的输出电压与输入反向,同时具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数,输入电阻和输出电阻值较适中,所以常用在多级放大电路的中间级;
⑵共集放大电路的电压放大倍数接近于1,而且输入电阻大、输出电阻小,所以常用于多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离的中间级。
⑶共基极放大电路的输入电阻和输入电容小,因而频率响应得到很大改善,所以这种接法常常用于高频带和宽频带放大器中。
PS:
电容隔直通交,电感通直隔交。
2.4多级放大电路
多级放大电路由多个基本放大电路级联组成,包括输入级、中间级和输出级等。
多级放大电路的输入级直接与输入信号源相连,一般要求输入级有高的输入电阻,输入级的噪声和漂移应尽可能小;中间级放大级的主要任务是放大信号的幅度,应该有足够大的电压放大倍数;输出级用来驱动负载,要求输出级能够为负载提供足够大的输出功率,这包括足够大的输出电压和足够大的输出电流,而且能够适应负载变化,也要求输出电阻尽可能。
多级放大电路的电压放大倍数是每一级放大倍数的乘积,但在计算每一级电压放大倍数时应将后级的输入电阻作为前级的负载。
2.4.1极间耦合方式
在多级放大电路中,基本放大电路的级与级之间、放大电路与信号源之间、负载与放大电路之间的连接统称为耦合,常见的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。
⑴阻容耦合和变压器耦合
前一级基本放大电路输出信号经过电容耦合后到后一级输入端的耦合方式;前一级基本放大电路输出信号经过变压器耦合后到后一级输入端的耦合方式。
⑵直接耦合
前一级基本放大电路输出信号直接到后一级输入端的耦合方式。
直接耦合放大电路既能放大交流电路,又能放大直流电路,所以又称为直流放大电路。
由于无耦合电容和变压器,便于集成,故广泛应用于集成电路中。
但是它也存在以下两个问题。
①级间耦合问题
由于直接耦合放大电路的各级之间无耦合电容或耦合变压器来隔离直流,故各级电路静态工作点互相牵连。
为了使直接耦合多级放大电路各级的三极管能工作在放大区,并有适合的静态工作点,下面是解决方案之一。
通过后一级发射极接入发射极电阻RE,用RE上产生的电压降提高T2管发射极的电位,使前一级电路中T1管的UCE足够大,不会使T1工作在饱和区。
②零点漂移问题
由于放大电路的元器件长期使用后老化,使得元件参数发生变化,而且三极管的参数也会随温度的变化而变化。
因此,直接耦合放大电路的输入电压为零时的输出电压并不为零,且会出现一定的变化,这种现象就称为零点漂移,简称零漂。
由温度变化引起的零点漂移称为温漂,由于元器件老化引起的叫时漂。
温漂是主要原因,故通常将温漂说成零漂。
零漂的大小用折合到输入端的零点漂移电压的大小来衡量。
具体定义为,当Ui为0时,温度没变化1摄氏度引起的输出电压变化u,其放大倍数为A,那么该放大电路的零点漂移为u/A。
抑制零点漂移常采用差动放大电路和直流负反馈电路。
3集成运算放大电路
3.1集成电路
3.1.1概念
集成电路是把许多分立元件(三极管、各种元件和连接导线)制造在一块半导体基片上,并能实现某种电路功能的器件。
它与分立元件电路相比具有体积小、质量轻、工作可靠以及安装与调试方便等优点。
由于集成电路的工艺使得制造电感器很困难,也不宜制造容量大的电容器,故集成电路中大多采用直接耦合电路。
3.1.2分类
按芯片上集成的管子和元件数量的多少,可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路;根据所用器件型号,可分为双极型器件组成的双极型集成电路,以及由场效应管组成的单级型集成电路等;根据电路中器件的工作状态分为线性集成电路、非线性集成电路;根据电路功能,分为电压比较器、乘法器等。
3.1.3集成运算放大器
集成运算放大器(简称集成运放或者运放)是一种内部为直接耦合的高放大倍数多级放大电路,主要包括输入级、中间级、输出级和恒流源偏置。
输入级对抑制零点漂移具有决定性的作用,一般采用差动放大电路;中间级主要提供很大的电压放大倍数,采用共射放大器;输出级需要输出较大的功率,并且带负载能力强(输出电阻小),可采用共集放大电路;恒流源偏置电路为各级电路提供偏置电流,保证各运放有合适的静态工作点。
3.2恒流源电路
恒流源电路是提供恒定输出电流的电路,具有输出电流恒定、温度稳定性好、等效输入电阻小和等效输出电阻大的特点。
恒流源电路在集成电路中多用于直流偏置和有源负载。
3.3差动放大电路
差动放大电路简称差放,具有放大差模信号、抑制共模信号(如温度引起的工作点漂移)的能力。
在电子测量技术中,常在电子仪器、医用仪器的电路中用做信号放大电路。
差动放大电路也是集成运算放大器中重要的基本单元电路。
3.3.1双极型三极管差动放大电路
3.3.1.1电路组成与工作原理
由两个对称的放大电路组合而成,其中RE为两管发射极的耦合电阻。
采用+Vcc,-Vee双电源供电,可扩大电路的线性放大范围。
RE的作用为T1,T2管确定合适的静态工作点电流Ie,并有抑制温漂的作用。
带RE的差放也称为长尾电路,该差动放大电路有两个输入端、两个输出端。
3.3.1.2工作原理
3.3.1.2.1放大差模信号
施加在差放两个输入端的信号为大小(幅值)相同、极性相反的一对输入信号,这种输入形式的信号称为差模信号。
在输入差模信号时,两个三极管的集电极电压一个增加一个降低,则输出电压变化△U不为0,故差动放大电路能够放大差模信号。
3.3.1.2.2抑制共模信号
施加在差放两个输入端的信号为大小(幅值)相同、极性相同的一对输入信号,这种输入形式的信号称为共模信号。
在输入共模信号时,两个三极管的集电极电压同时增加或者同时减小,相应的集电极电压也同时增大同时减小,故差动放大电路不能放大共模信号,即差动放大电路抑制共模干扰。
3.3.1.2.3共模抑制比
在实际工程应用中,用共模抑制比来衡量差动放大电路放大差模信号、抑制共模信号的能力,定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。
共模抑制比越大,说明差放放大差模信号、抑制共模信号能力越强。
3.3.1.2抑制零点漂移的原理
在实际差动放大电路中,零点漂移导致的两个三极管集电极电流与电压有相同的变化,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。
由于差放电路不能放大共模信号,即可抑制零点漂移,故常用于作直接耦合多级放大电路的输入级。
其抑制原理从以下两个方面实现。
3.3.1.2.1发射极电阻RE的作用
T增或uic增—iE1增—iE增—VEE不变—UBE1升—iB1减—iE1减。
RE引入了很强的负反馈作用,能基本控制iE基本不变。
由于RE对共模信号具有很强的抑制作用,故又称为共模抑制电阻。
3.3.1.2.2输出端取电压差抑制法
在差动放大电路对称的理想情况下,输出端取电压差能能够完全抑制共模干扰。
但在实际电路中保持两者对称很难,则仍存在较小的输出漂移电压。
但此时又有RE的作用,输出漂移电压虽然不能完全抵消,但已经大大减小了。
3.3.1.3对一般信号的放大特性
对一般输入信号,将差动放大电路两个输入端信号之差定义为输入信号的差模分量;将信号的平均值定义为输入信号的共模分量。
将信号分解为差模信号和共模信号之后,根据线性电路的叠加定理,可得输出电压。
3.4集成运算放大器
3.4.1集成运算放大器的技术参数
集成运放的外特性由技术参数来表征:
①输入失调电压UIO和失调电流IIO
输入端为零时,为了使集成运放的输出电压为零,在输入端加的补偿电压(在两个输入端加上的电流)叫做失调电压UIO(失调电流IIO)。
②偏置电流IB
由于集成运放的两输入端为基极,怎么都需要点电流(否则就处于截止状态了),包括反相端的偏置电流IBN和同相端的偏置电流IBP。
若差动输入完全对称,那么IBN=IBP。
在实际情况下Uo=0时,两者不相等,那么输入偏执电流就是两个输入偏置电流的平均值。
③温度漂移
指输入失调电压和输入失调电流随温度漂移的大小。
④最大差模输入电压Uidmax
⑤最大共模输入电压Uicmax
⑥转换速率SR
⑦开环差模电压放大倍数(增益)Aud
在标称电源电压及规定负载下,运放工作在线性区(在无反馈情况下)时,其输出电压变化量与输入差模电压变化量之比定义为Aud。
通常用分贝来表示,即20lgAuddB
⑧开环带宽BW0.7和单位增益带宽BWG
⑨电源电压抑制比KSVR
⑩输入输出电阻,共模抑制比等。
3.4.1理想集成运放的技术参数
所谓理想集成运放就是指具有理想技术参数指标的集成运算放大器,这些理想的技术指标包括:
①开环差模电压放大倍数Aud趋于无穷大。
②共模抑制比KCMR趋于无穷大。
③差模输入电阻Rid趋于无穷大。
④差模输出电阻R趋于0。
⑤输入偏置电流IIB趋于0。
⑥输入失调电压、输入失调电流和温漂趋于0。
3.4.2理想集成运放工作在线性区的特点
当集成运放工作在线性区时,其输出电压与运放两个输入端的电压之间存在着线性关系,即
Uo=Aud×(u+—u-)
⑴差模电压输入等于0(同相输入端电压等于反相输入端电压)
由于Aud趋于无穷大,因此u+—u-等于0。
这说明集成运放的同相输入端与反相输入端两点间的电压差等于0,好像这两点短路了一样。
但实际上并未短路,只是表面上其电性能等效为短路,故将这种现象称为虚短。
⑵输入电流等于零
理想运放输入电阻Rid为无穷大,而输入端电压很有限,故在两个输入端均没有电流。
集成运放的同相输入端和反向输入端的电流都为零,好像这两点被断开,称这种现象为虚断。
虚短和虚断是集成运放工作在线性区的两个重要特点。
3.4.3理想集成运放工作在非线性区的特点
如果输入信号太大,使得集成运放超出了线性放大区的范围,则运放的输出电压就不再随着输入电压线性增大,此时达到饱和。
⑴当u+>u-时,输出最大正向饱和电平UOH;当u+并且UOH不等于UOL。
⑵输入电流等于零。
4信号运算与处理电路
集成运算放大器的基本应用电路,从功能上看有信号的运算、处理与产生电力等。
本章主要讨论模拟信号运算电路与信号处理电路。
信号运算电路包括比例运算、求和运算、积分与微分运算等。
信号处理电路包括有源滤波器和电压比较器。
4.1基本运算电路
4.1.1比例运算电路
4.1.1.1反相与同相比例运算电路
4.1.1.2差动比例运算电路
4.1.2积分和微分运算电路
4.1.2.1积分运算电路(反相)
4.1.2.1微分运算电路
4.2有源滤波器
4.2.1滤波电路的作用
滤波器是一种具有频率选择功能的电路,它能使有用频率信号通过而同时抑制(或衰减)不需要传送的频率范围内的信号。
根据组成可分为无源滤波器和有源滤波器,无源滤波器由电阻和电容组成,有源滤波器由集成运放、R和C构成。
集成运放工作在线性区,主要用于提高通带增益和带负载能力。
4.2.2有源滤波器的分类
对于滤波器的幅频响应,常把能够通过的频率范围定义为通带,而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相频特性,而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。
按通带和阻带的分布位置,滤波器通常可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
4.3电压比较器
电压比较器的功能是用来判断输入电压信号与参考电平之间的相对大小,比较器的输出信号只有两种状态:
高电平输出和低电平输出。
电压比较器中的集成运放工作在非线性区,即当u+大于u-时输出最大正向饱和