電工電子技術

1、電工電子技術電工電子技術第一篇第一篇電工電子技術電工電子技術首首 頁頁 了解集成運算放大器的一般概況；熟悉集成運算放大器的基本類型及其應用；掌握集成運算放大器的理想化條件，并能運用理想化條件對集成運放電路進行分析；理解運放的基本結構、組成、符號及主要參數(shù)，了解其常用的非線性應用。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁8.1 集成運算放大器 在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構成特定功能的電子電路，稱為集成電路(英文簡稱IC)。集成電路的體積很小，但性能卻很好。自1959年世界上第一塊集成電路問世至今，只不過才經(jīng)歷了四十來年時間，但它已深入到工農(nóng)業(yè)、日常生活及科技領域

2、的相當多產(chǎn)品中。例如在導彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)車、艦船、飛機等軍事裝備中；在數(shù)控機床、儀器儀表等工業(yè)設備中；在通信技術和計算機中；在音響、電視、錄象、洗衣機、電冰箱、空調(diào)等家用電器中都采用了集成電路。 集成電路的技術發(fā)展將直接促進整機的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸張地說，集成電路是工業(yè)的“食糧”和“原油”。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁1. 集成運算放大器概述 集成運算放大器簡稱運放，是一種多端集成電路。集成運放是一種價格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運放主要用來完成模擬信號的求和、微分和積分等運算，故稱為運算放大器?，F(xiàn)在，運放的應用已遠遠超過運算的范圍。它在通信、控制和測量等設備

3、中得到廣泛應用。常見集成電路的封裝形式圓殼式圓殼式 雙列雙列直插式直插式 扁平式扁平式 單列單列直插式直插式 直插式直插式 單列單列扁平式扁平式 電工電子技術電工電子技術首首 頁頁差分差分輸入級輸入級中間放大級中間放大級輸出級輸出級uiu0 集成運放的型號和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示：運放的輸入級。利運放的輸入級。利用差分電路的對稱用差分電路的對稱特性可提高整個電特性可提高整個電路的共模抑制比和路的共模抑制比和電路性能。電路性能。中間級的主要作中間級的主要作用是提高電壓增用是提高電壓增益。一般由多級益。一般由多級放大電路組成。放大電路組成。輸出級常用電壓

4、跟輸出級常用電壓跟隨器或互補電壓跟隨器或互補電壓跟隨器組成，以降低隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶輸出電阻，提高帶負載能力。負載能力。 集成運放內(nèi)部主要有上述三個部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級提供合適的工作電流。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁圖示為常用A741集成運放芯片產(chǎn)品實物圖A741集成運放的8個管腳排列圖如下：12438765調(diào)零端調(diào)零端 反相輸入端反相輸入端 同相輸入端同相輸入端 負電源端負電源端 調(diào)零端調(diào)零端 輸出端輸出端 正電源端正電源端 空腳空腳 電工電子技術電工電子技術首首 頁頁反相輸入端A741集成運放圖形符號U0U+U-A741集成運放外部接線圖同相輸入端1

5、2V12V輸出端子調(diào)零電位器調(diào)零電位器 管腳管腳1和和5分別與調(diào)零電位分別與調(diào)零電位器的兩個固定端相連器的兩個固定端相連 調(diào)零電位器的可調(diào)調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳端與管腳4相連相連6513724電工電子技術電工電子技術首首 頁頁(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0 其數(shù)值很高，一般約為104107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U和U之間的關系。(2)差模輸入電阻ri運放的差動輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。(3)閉環(huán)輸出電阻r0 由于運放總是工作在深度負反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。 指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能

6、正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。(4)最大共模輸入電壓Uicmax2. 集成運放的主要技術指標電工電子技術電工電子技術首首 頁頁 為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數(shù)為：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0=差模輸入電阻ri=輸出電阻r0=0共模抑制比KCMR=3. 理想集成運放及其傳輸特性電工電子技術電工電子技術首首 頁頁集成運放的電壓傳輸特性理想特性理想特性ui(mV)0u0(V)實際特性實際特性 根據(jù)集成運放的實際特性和理想特性，可分別畫出其相應的電壓傳輸特性。集成運放工作在線性區(qū)時輸出電壓與輸入電壓之間的關系 可以看出，當集成運放工作在線性

7、區(qū)(+U0M U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數(shù)相當高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。)(Au00UUU電工電子技術電工電子技術首首 頁頁集成運放工作在線性區(qū)的特點由)(Au00UUU可知，理想運放工作在線性區(qū)時，輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間是線性放大關系。因Au0=，所以可導出0Au00UUU運放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說明 ，UU即理想運放的兩個輸入端電位相等。 兩點等電位相當于短路。理想運放的兩個輸入端并沒有真正短接，但卻具有短接的現(xiàn)象稱為“虛短”。 又由于理想運放的差模輸入電阻ri=，所以可近似地認為兩個輸

8、入端均無電流流入。這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。 “虛短”和“虛斷”是運放工作在線性區(qū)的兩個重要結論。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁集成運放由哪幾部集成運放由哪幾部分組成？各部分的主要分組成？各部分的主要作用是什么？作用是什么？ 工作在線性區(qū)的理想運放工作在線性區(qū)的理想運放有哪兩條重要結論？試說有哪兩條重要結論？試說明其概念？明其概念？你能說明理想你能說明理想運放的特點是運放的特點是什么嗎？什么嗎？電工電子技術電工電子技術首首 頁頁 集成運放的應用分為線性應用和非線性應用兩大類。1. 集成運放的線性應用負號說明輸負號說明輸入輸出反相入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 R

9、uiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值8.2 集成運放的應用(1)反相比例運算電路電工電子技術電工電子技術首首 頁頁反相比例運算電路中，R2是平衡電阻，其值應選擇符合F12/ RRR (2)同相比例運算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011 RuuiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuuRuiiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=ui整理后可得i1F0)1 (uRRu輸出與輸

10、入輸出與輸入的比例值的比例值 顯然同相比例運算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對稱性，與反相比例運算電路相同，R2=R1/RF電工電子技術電工電子技術首首 頁頁(3)反相加法運算電路反相電路存在“虛地”現(xiàn)象，因此2i221i11 RuiRui，因為fiiii321可得u= u+= “地”F03i33 RuiRuif，將各電流代入F03i322i11 iRuRuRuRu如果321RRR整理上式可得)(3i2i1 i1F0uuuRRu若再有F1RR 則)(3 i2i1 i0uuuu實現(xiàn)了反相求和運算u+uu0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if電工電子技術電工電子技術首首 頁

11、頁(4)差分減法運算電路u+ui1ifui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，則2i2323i2uRRRuuu1i2i111 i12/RuuRuuiF20F02/RuuRuuiif因為fii 1不存在不存在“虛地虛地”現(xiàn)現(xiàn)象象所以F2i012ii12/2/RuuRuu整理得)(1 ii21F0uuRRu若R1=RF，則1 ii20uuu實現(xiàn)了輸出對輸入的減法運算。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁(5)基本微分運算電路微分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即dtduCdtduCii1C11可知u= u+= “地”微分電路可用微分電路可用于波形變換，于波形變換，將矩形波變換將矩形波變換成尖脈沖；

12、且成尖脈沖；且u0與與ui相位相位F0i11RudtduCiif因為dtduCRui1F0所以 電路實現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。式中的比例常數(shù)RFC1稱為電路的時間常數(shù)為保證電路的平衡， RF=R2uit0u0t0u+ui1ifuiu0C1RFuCifu0RFR2電工電子技術電工電子技術首首 頁頁(6)基本積分運算電路u+ui1ifuiu0ifu0R1R2積分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即dtiCuufC101可知u= u+= “地”111iRiRiuf因為dtuCRui1101將i1代入u0表達式得 電路實現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的積分。式中的比例常數(shù)R1C1稱為電路的時間

13、常數(shù)。RF 反相比例運放中的反相比例運放中的偏置電阻用電容代偏置電阻用電容代替即為積分電路替即為積分電路CF1i1110 1RuidtiCu，其中所以電工電子技術電工電子技術首首 頁頁2. 集成運放的非線性應用集成運放工作在非線性區(qū)的特點集成運放應用在非線性電路時，處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)下。非線性運用狀態(tài)下，U+ U，“虛短”概念不再成立。當同相輸入端信號電壓U大于反相輸入端信號電壓U時，輸出端電壓U0=UOM，當U小于U時，輸出端電壓U0=UOM。 非線性應用下的運放雖然同相輸入端和反相輸入端信號電壓不等，但由于其輸入電阻很大，所以輸入端的信號電流仍可視為零值。因此，非線性應用下的運放仍然具有

14、“虛斷”的特點。 非線性區(qū)的運放，輸出電阻仍可以認為是零值。此時運放的輸出量與輸入量之間為非線性關系，輸出端信號電壓或為正飽和值，或為負飽和值。 電工電子技術電工電子技術首首 頁頁 集成運放工作于非線性區(qū)的顯著特點就是運行在開環(huán)或正反饋狀態(tài)下；因運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au極高，所以只要輸入一個很小的信號電壓，即可使運放進入非線性區(qū)。運放工作在非線性區(qū)時，輸入和輸出不成線性關系。i1uiR1URR2u0(1)單門限電壓比較器 單門限電壓比較器只有一個門限電平，當輸入電壓達到此門限值時，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 電壓比較器廣泛應用于模/數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領域中。uiu00U0MU0M 門限

15、電平值門限電平值電工電子技術電工電子技術首首 頁頁電壓比較器應用實例 利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0uiu0 由于門限電壓等于由于門限電壓等于0，因此，因此為過零電壓比較器。為過零電壓比較器。ui0tu00tUCMUCM 輸入電壓只要到達門限電輸入電壓只要到達門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。跳變。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁滯回比較器 滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過程中：當輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電路及曲線圖如下所示：uiR1R4u0R3R2DZU

16、OMU0MUB1UB2當當ui等于或大于等于或大于UB1時時u0ui0門限電平值門限電平值當當ui小等于或小于小等于或小于UB2時時 滯回比較器可構成矩形波、鋸齒波等非正弦信號發(fā)生器電路，也可以實現(xiàn)波形變換。電工電子技術電工電子技術首首 頁頁滯回比較器的特點1、具有雙門限UB1和UB2； 2、電路具有正反饋環(huán)節(jié)；3、電路的抗干擾能力強。滯回比較器應用實例ui (V)t010- -10tu0 (V)07- -7當門限電壓為當門限電壓為0.7V時時輸入波形輸入波形輸出波形輸出波形實現(xiàn)了波形的整形與變換電工電子技術電工電子技術首首 頁頁放大電路輸入信號放大電路輸入信號本身就是一個已產(chǎn)本身就是一個已產(chǎn)

17、生了失真的信號，生了失真的信號，引入負反饋后能否引入負反饋后能否使失真消除？使失真消除？ 滯回特性指的是滯回特性指的是什么什么？如何理解？如何理解？ 什么叫反饋？正反饋什么叫反饋？正反饋和負反饋對電路的影響和負反饋對電路的影響 有何不同？有何不同？ ？ 放大電路引入負放大電路引入負反饋后，對電路反饋后，對電路的工作性能帶來的工作性能帶來什么改善？什么改善？ 電工電子技術電工電子技術首首 頁頁3、何謂、何謂“虛地虛地”？何謂何謂“虛短虛短”？何謂？何謂“虛斷虛斷”？“虛地虛地”端是否可以真的接地？端是否可以真的接地？1、你能畫出電壓比、你能畫出電壓比較器的電路圖和說明較器的電路圖和說明滯回比較器

18、的電壓傳滯回比較器的電壓傳輸特性嗎？輸特性嗎？4、工作在線性區(qū)的、工作在線性區(qū)的集成運放，為什么要集成運放，為什么要引入負反饋？而且反引入負反饋？而且反饋電路為什么要接到饋電路為什么要接到反相輸入端？反相輸入端？2、舉例說明理想集成、舉例說明理想集成運放兩條重要結論在運運放兩條重要結論在運放電路分析中的作用？放電路分析中的作用？5、比較器可以輸出方波、但它與方波發(fā)生器相比較，有什么不同？電工電子技術電工電子技術首首 頁頁uiu00uiu0UR電壓比較器電路圖可簡單的用下圖來表示。 滯回比較器的電壓傳輸特性：輸入電壓ui由小往大變化的過程中，未到達門限電壓UB1時，輸出電壓u0保持不變，到達UB

19、1瞬間，輸出電壓從+UOM值跳變到UOM值 ；當輸入電壓由大往小變化的過程中，未到達門限電壓UB2時， u0保持不變，到達UB2瞬間，輸出電壓從UOM 值跳變到+UOM值，即具有回差特性?；夭铍妷篣OMU0MUB1UB2電工電子技術電工電子技術首首 頁頁 利用理想集成運放“虛斷”和“虛短”兩個重要結論，無論是運放的線性分析還是非線性分析，都帶來很大方便。 例如反相比例運算電路的分析：由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 RuiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值uiu0R2R1RF電工電子技術電工電子技術首首 頁頁u0UURi=ii=0運放近似符合理想條件 即：Riu0輸出電壓u0為有限值。