【My Electronic Notes系列——放大电路与集成运算放大器】

news2024/10/6 8:35:07

 

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序言:

🏆🏆人生在世,成功并非易事,他需要破茧而出的决心,他需要永不放弃的信念,他需要水滴石穿的坚持,他需要自强不息的勇气,他需要无畏无惧的凛然。要想成功,你得付出沉重的代价。

 🍉🍉一、基本共射放大电路

 🍉🍉 二、分压式偏置放大电路

 🍉🍉 三、射极输出器

(重中之重,逢考必考)射极输出器的特点:

 🍉🍉 四、多级放大电路

1.直接耦合

2.阻容耦合

3.变压器耦合

4.多级放大电路的组成

 🍉🍉 五、放大电路的负反馈

 🍉🍉六、运算放大器

1.定义

2.引脚的识别

3.电路组成

4.理想集成运算放大器

5.工作特性

 🍉🍉 七、反相比例运算放大器(电压并联负反馈)

 🍉🍉八、同相比例运算电路(电压串联负反馈)

 🍉🍉 九、反相加法运算电路(电压并联负反馈)

 🍉🍉十、同相比例放大器(特殊)

 🍉🍉十一、减法器


序言:

本文章仅粉丝可见,望谅解🙏🙏

从本篇文章开始就进行电子笔记的一个汇总,属于个人的权限文章,所以设置为粉丝可见,再次望谅解🙏🙏


🏆🏆人生在世,成功并非易事,他需要破茧而出的决心,他需要永不放弃的信念,他需要水滴石穿的坚持,他需要自强不息的勇气,他需要无畏无惧的凛然。要想成功,你得付出沉重的代价。


 一、基本共射放大电路

①VT——三极管,放大电路的核心元件,起电流放大作用。

②Vcc——直流电源,给三极管提供合适偏置(发射结正偏,集电结反偏),同时为输出信号提供能量。

——基极偏置电阻,电源Vcc通过向基极提供合适的偏置电流。 

R_{C}——集电极偏置电阻,将电流放大转换为电压放大,避免交流信号对地断路。 

C_{1}C_{2}——输入、输出耦合电容,起“通交隔直”的作用。

 (发射极是输入、输出回路的COM端)


静态:放大器无交流信号输入时的直流工作状态。

静态工作点Q:静态时,晶体管I_{BQ}I_{CQ}U_{BEQ}U_{CEQ} 称为该放大电路的静态工作点。

(1)直流通路:直流信号在电路中流通的路径。

①画法:将放大电路中的电容视为开路;

②作用:利用直流通路用电位法求静态工作点。

 *I_{BQ}的推导公式:

I_{BQ}R_{B}+U_{BEQ}-V_{CC}=0

I_{BQ}R_{B}=V_{CC}-U_{BEQ}

{\color{Red} I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_{B}}\approx \frac{V_{CC}}{R_{B}}}

 *I_{CQ}的推导公式:

{\color{Red} I_{CQ}=\beta I_{BQ}}

 *U_{CEQ}的推导公式:

I_{CQ}R_{C}+U_{CEQ}-V_{CC}=0

{\color{Red} U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_{C}}

设置静态工作点的目的:

保证VT在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态,保证信号的有效传递,避免出现非线性失真(饱和失真、截止失真)。

截止失真→I_{BQ}↓→\frac{V_{CC}}{R_{B}}(恢复时,使R_{B}↓)


动态:有交流信号输入时放大电路的状态。

直流分量:用大写字母和大写下标表示,如I_{B}I_{C}U_{CE}U_{BE}

交流分量:用小写字母和小写下标表示,如i_{c}u_{ce}u_{be}

交流、直流分量合成:用小写字母和大写下标表示,如i_{B}i_{C}

(2)交流通路:交流信号在电路中流通的路径。

①画法:将放大电路中的电容、直流电源视为短路;

②作用:利用交流通路求交流性能指标:输入电阻、输出电阻、电压放大倍数。

 动态性能指标:

①电压放大倍数A_{u}

输出电压有效值与输入电压有效值之比。

A_{u}=\frac{U_{o}}{U_{i}}

A_{u}=\frac{\left ( R_{C} //R_{L}\right )I_{C}}{I_{b}r_{be}}=\frac{R'_{L}\beta I_{b}}{r_{be}I_{b}}=-\beta \frac{R'_{L}}{r_{be}}

其中,

R'_{L}=\frac{R_{C}\times R_{L}}{R_{C}+R_{L}}

r_{be}\approx 300+\left ( 1+\beta \right )\frac{26mV}{I_{EQ}}

空载时:

A_{u}=-\beta \frac{R_{C}}{r_{be}}

②输入电阻R_{i}

从放大电路输入端看进去的等效电阻。

R_{i}=\frac{U_{i}}{I_{i}}(定义式)

由基本共射放大电路的交流通路得:

R_{i}=R_{b}//r_{be}\approx r_{be}\approx 300+\left ( 1+\beta \right )\frac{26mV}{I_{EQ}}

 ③输出电阻R_{o}

输入信号为0,负载开路时,从放大电路输出端看进去的等效电阻。

R_{o}\approx R_{c}

(1)输入电阻R_{i}是反映放大电路从信号源索取电压大小的主要参数,所以R_{i}越大越好。

(2)输出电阻R_{o}是反映放大电路带负载能力的主要参数,所以R_{o}越小越好。


饱和失真:Q过高,使输出的波形负半周出现“平顶现象”

截止失真:Q过低,使输出的波形的正半周出现“平顶现象”

 截止失真:因晶体管进入截止区而出现的失真。

特点:输出波形上部出现平顶。

饱和失真:同上且相反。

特点:输出波形下部出现平顶。

 温度升高,静态工作点上移,可能会引起饱和失真。


 二、分压式偏置放大电路

与基本共射放大电路相比,多了R_{B2}R_{E}C_{E}

R_{B1}R_{B2}:基极上、下偏置电阻

串联分压,使静态时三极管的基极电位固定。

R_{E}:发射极电阻

起稳定静态工作点作用。

C_{E}:旁路电容

可使发射极交流接地,使电阻R_{E}对交流电路无影响。

原理图:

 直流通路的画法:

电容器开路

 交流通路的画法:

①直流电源短路

②耦合电容短路

如图所示:

其公式如下:

 三、射极输出器

直流通路

电路图如图所示:

 交流通路

电路图如图所示:

该电路又称射极跟随器。

u_{i}=u_{o}+U_{BE}

 其公式如下:

 因为u_{o}\approx u_{i},当u_{i}不变,u_{o}也近似不变,可见,负载电阻对输出电压影响很小(输出电阻很小)。

(重中之重,逢考必考)射极输出器的特点:

 四、多级放大电路

定义:多个单级放大电路通过一定的方式连接在一起,组合成多级放大电路。

级间耦合:级与级间的连接方式

要求:

①前后级静态工作点影响应最小。

②信号能顺利传递,传递过程中损耗和失真要尽可能小。

耦合方式分为直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。

1.直接耦合

 优点:能够放大直流信号和变化缓慢的信号。

缺点:前后级静态工作点互相影响,存在“零点漂移”现象。

零点漂移:输入信号=0,输出随外界条件变化而偏离静态值的现象。

第一级用差分放大电路来抑制“零点漂移”

2.阻容耦合

 由于耦合电容的隔直作用,各级静态工作点可独立设置,互不影响。

但不能放大直流信号和变化缓慢的信号。

3.变压器耦合

优点:变压器 一次、二次绕组间不能传递直流信号,因而前后级静态工作点互不影响,由于变压器的阻抗电压、电流的变换作用,可使放大电路传递效率高。

缺点:频率特性差,体积大,不适于集成化。

4.多级放大电路的组成

 ①多级放大电路的总电压放大倍数=各单级放大电路放大倍数的乘积

{\color{Red} A_{u}=A_{u1}A_{u2}...A_{un}}

②多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻

{\color{Red} R_{i}=r_{be1}}

③多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻

{\color{Red} R_{o}=R_{on}}

其特点和用途见表:

 五、放大电路的负反馈

反馈:

将放大电路的输出信号的一部分或全部,通过一定的方式引回到放大电路输入端。

 X_{i}:输入信号

X_{o}:输出信号

X_{f}:反馈信号

X'_{i}:净输入信号

反馈系数:

F=\frac{X_{f}}{X_{o}}

 反馈按照极性区分:

(1)正反馈:反馈信号使净输入信号增加。

(2)负反馈:反馈信号使净输入信号减小。

判定方法:假设在原输入信号作用下,三极管的基极电位某一瞬间的极性为“+”

① 若反馈信号返回三极管基极为“+”,则为正反馈;反之,则为负反馈。

②若反馈信号返回三极管发射极为“+”,则为负反馈,反之,则为正反馈。

 反馈按照成分区分:

(1)直流反馈:直流通路中存在的反馈;(稳定静态工作点)

(2)交流反馈:交流通路中存在的反馈。 (改善放大电路的动态性能)

  反馈按照从放大电路输出端取出的反馈信号区分:

(1)电压反馈:从输出端看,反馈信号取自输出电压(电压负反馈:稳定输出电压)

(2)电流反馈:从输出端看,反馈信号取自输出电流(电流负反馈:稳定输出电流)

 判定方法:若反馈信号取自输出端,则为正反馈;反之,则为负反馈。

   反馈按照反馈网络与输入端连接的不同区分:

(1)串联反馈:反馈网路与放大电路输入端串联。(反馈以电压比较的形式出现)

(2)并联反馈:反馈网络与放大电路输入端并联。(反馈以电流比较的形式出现)

判定方法:若反馈信号直接送回到放大电路的输入端,则为并联反馈。反之,则为串联反馈。

串联反馈使输入电阻增大;

并联反馈使输入电阻减小。

 由于内容过多,分解图如下:

 判定反馈时应注意:

(1)反馈类型和反馈极性的判断方法主要适用于共射电路,对共基电路不适用。

(2)共射电路的相位关系为:b与c反相,b与e同相。

(3)信号经耦合电容,电阻等元件传递时,一般只产生衰减而瞬时极性不会改变。


1.降低{\color{Red} A_{u}}

负反馈使放大器净输入减小,因而输出信号减小。放大倍数减小。(输出信号与原输入信号之比)

2.提高 {\color{Red} A_{u}}的稳定性

3.减小非线性失真

4.改变输入电阻和输出电阻

六、运算放大器

1.定义

运算放大器是一个集成的高放大倍数的多级直接耦合放大器。

按照外形可分为:圆壳式、双列直插式和扁平式

2.引脚的识别

一般可以从顶视图看去,从标有特殊记号的地方开始逆时针方向依次编号。

3.电路组成

 输入级:

①采用具有抑制零点漂移的差分放大电路。

②有同相和反相两个输入端。

③只对输入端的差模信号进行线性放大。

(1)差模信号:大小相等,极性相反的一对信号。A_{uD}=A_{u}

(2)共模信号:大小相等,极性相同的一对信号。A_{uC}=0

共模抑制比:

K_{CMR}=\frac{A_{uD}}{A_{uC}}

当集成运放工作在线性区时,

u_{o}=A_{uD}\left ( u_{+}-u_{-} \right )

中间级:

提供大的电压放大倍数。

输出级:

采用具有放大作用的射极输出器或互补推挽电路,提高输出功率和带负载能力。

总结见表:

4.理想集成运算放大器

(1)A_{uD}=\infty

(2)R_{id}=\infty

(3)R_{od}=0

(4)K_{CMR}=\infty

(5)输入失调电压、输入失调电流以及温漂均为零。

5.工作特性

集成运放有两个工作区域:线性区和非线性区。

(1)线性区

u_{o}=A_{uD}(u_{+}-u_{-})=A_{uD}\cdot u_{i}

由于运放的电压放大倍数很大,为保证正常工作,需到引入负反馈(深度负反馈)

(2)非线性区

在非线性区,输出电压只有正、负最大值两个状态。

 ①虚短u_{+}=u_{-}

由于A_{uD}=\inftyu_{o}为有效值。

u_{o}=A_{uD}(u_{+}-u_{-})=A_{uD}\cdot u_{i}

 A_{uD}=\frac{u_{o}}{u_{i}}=\frac{u_{o}}{u_{+}-u_{-}}

所以,u_{+}-u_{-}=0

所以,u_{+}=u_{-}

相当于两输入端之间短路,但又未真正短路(虚短)

②虚断i_{+}=i_{-}=0

由于R_{id}=\infty,两输入端无电流流进。

相当于两输入端之间断路,但又未真正断路(虚断)

 七、反相比例运算放大器(电压并联负反馈)

(1)电路图如图所示:

 平衡电阻:R_{2}=R_{1}//R_{f}

对于同相输入端:

①虚断:i_{+}=0u_{+}=0

②虚短:u_{-}=u_{+}=0(虚地)

对于反相输入端:

①虚断:i_{-}=0i_{1}=i_{f}

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=-\frac{R_{f}}{R_{1}}\cdot u_{i}}}

u_{o}=-u_{i}时,此时为反相器。

八、同相比例运算电路(电压串联负反馈)

(1)电路图如图所示:

 平衡电阻:R_{2}=R_{1}//R_{f}

 对于同相输入端:

①虚断:i_{+}=0u_{i}=u_{+}

②虚短:u_{-}=u_{+}=u_{i}

对于反相输入端:

虚断:i_{-}=0i_{1}=i_{f}

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=(1+\frac{R_{f}}{R_{1}})u_{i}}}

 当u_{o}=u_{i}时,此时为电压跟随器。

 九、反相加法运算电路(电压并联负反馈)

(1)电路图如图所示:

 对于同相输入端:

①虚断:i_{+}=0u_{+}=0

②虚短: u_{-}=u_{+}=0

对于反相输入端:

虚断: i_{-}=0i_{1}+i_{2}=i_{f}

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=-(\frac{R_{f}}{R_{1}}u_{i1}+\frac{R_{f}}{R_{2}}u_{i2})}}

求和运算:当R_{1}=R_{2}=R_{f}时,

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=-(u_{i1}+u_{i2})}}

十、同相比例放大器(特殊)

(1)电路图如图所示:

 对于同相输入端:

①虚断:i_{+}=0u_{+}=\frac{R'}{R_{2}+R'}u_{i}

②虚短: u_{-}=u_{+}=\frac{R'}{R_{2}+R'}u_{i}

对于反相输入端:

i_{-}=0i_{1}=i_{f}

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=(1+\frac{R_{f}}{R_{1}})\cdot \frac{R'}{R_{2}+R'}u_{i}}}

十一、减法器

(1)电路图如图所示:

 ①u_{i1}单独作用时,u_{i2}=0→反相比例

\mathbf{​{\color{Purple} u_{o1}=-\frac{R_{f}}{R_{1}}u_{i1}}}

u_{i2}单独作用时,u_{i1}=0

\mathbf{​{\color{Purple} u_{o2}=(1+\frac{R_{f}}{R_{1}})\cdot \frac{R'}{R_{2}+R'}u_{i2}}}

\mathbf{​{\color{Blue} u_{o}=u_{o1}+u_{o2}=\frac{R_{f}}{R_{1}}(u_{i2}-u_{i1})}}


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