《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》教案 第13課 三極管及其應(yīng)用（三）

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課題三極管及其應(yīng)用（三）——認(rèn)識集成運放課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）掌握集成運放的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和工作特性（2）掌握集成運放的典型應(yīng)用（3）能夠正確測試集成運放的性能指標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)：（1）弘揚愛國奮斗精神，樹立建功立業(yè)信念（2）厚植民族自豪感和科技自信心教學(xué)重難點教學(xué)重點：掌握集成運放的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和工作特性，集成運放的典型應(yīng)用教學(xué)難點：能夠正確測試集成運放的性能指標(biāo)教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——測試集成運放的性能指標(biāo)”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行組內(nèi)分工，同時提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，了解集成運放的相關(guān)知識【學(xué)生】完成課前任務(wù)考勤【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】班干部報請假人員及原因任務(wù)導(dǎo)入【教師】提出以下問題：集成運算放大器（簡稱集成運放）的作用是什么？其典型應(yīng)用場景有哪些？傳授新知【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識，介紹放大電路中的反饋、集成運放的結(jié)構(gòu)、集成運放的性能指標(biāo)、集成運放的工作特性、集成運放的典型應(yīng)用等內(nèi)容5.3.1放大電路中的反饋1．反饋的基本概念為了改善放大電路的工作性能，提高其輸出信號的質(zhì)量，通常在放大電路中引入反饋。反饋是指將放大電路輸出端的信號，通過一定的電路形式作用到放大電路的輸入端，對放大電路的輸入量進(jìn)行調(diào)整的措施。放大電路不引入反饋時的狀態(tài)稱為開環(huán)狀態(tài)，引入反饋后，整個系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)狀態(tài)。?【教師】通過多媒體展示“反饋放大電路的組成”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解反饋放大電路由基本放大電路和反饋電路組成。其中，、、分別表示反饋放大電路的輸入量、輸出量和反饋量，反饋放大電路的輸入端同時受到輸入量和反饋量的作用；表示和比較后得到的凈輸入量。設(shè)反饋放大電路的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為，反饋系數(shù)為，則有，，經(jīng)整理，可得（5-22）在式（5-22）中，（）與閉環(huán)電壓放大倍數(shù)密切相關(guān)，它是衡量反饋程度的重要指標(biāo)，稱為反饋深度。引入反饋后，反饋放大電路可根據(jù)輸出量的變化控制凈輸入量的大小，從而自動調(diào)節(jié)信號的放大過程，以改善放大電路的工作性能。2．反饋的分類反饋有多種分類方法：根據(jù)極性的不同，反饋可分為正反饋和負(fù)反饋兩種；根據(jù)信號性質(zhì)的不同，反饋可分為直流反饋和交流反饋兩種；根據(jù)反饋量與輸出量關(guān)系的不同，反饋可分為電壓反饋和電流反饋兩種；根據(jù)反饋量與輸入量關(guān)系的不同，反饋可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋兩種。1）正反饋與負(fù)反饋反饋的極性可根據(jù)反饋對輸出量的影響進(jìn)行區(qū)分。若反饋使輸出量的變化增大，即使凈輸入量增大，則稱之為正反饋；若反饋使輸出量的變化減小，即使凈輸入量減小，則稱之為負(fù)反饋。正反饋多用于振蕩電路和脈沖電路，而負(fù)反饋多用于改善放大電路的性能?！军c撥】對于負(fù)反饋，，而的負(fù)反饋稱為深度負(fù)反饋；對于正反饋，；當(dāng)時，放大電路將進(jìn)入自激振蕩狀態(tài)。正反饋與負(fù)反饋可采用瞬時極性法來判別，具體判別方法為：先假定輸入量在某一瞬時對地的極性，然后據(jù)此逐級判斷電路中各相關(guān)點電流的方向和電位的極性，從而得到輸出量的極性，最后根據(jù)輸出量的極性判斷反饋量的極性。若反饋量使基本放大電路的凈輸入量增大，則引入的反饋是正反饋；若反饋量使基本放大電路的凈輸入量減小，則引入的反饋為負(fù)反饋。2）直流反饋與交流反饋反饋信號中只有直流分量的反饋稱為直流反饋，直流反饋可分為直流正反饋和直流負(fù)反饋兩種，其中直流負(fù)反饋多用于穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點，不常單獨使用。反饋信號中只有交流分量的反饋稱為交流反饋，交流反饋也可分為交流正反饋和交流負(fù)反饋兩種，其中交流負(fù)反饋多用于改善放大電路的性能。實際應(yīng)用中，反饋信號中既有直流分量又有交流分量，即同時存在交、直流反饋。3）電壓反饋與電流反饋在反饋放大電路中，如果反饋量取自基本放大電路輸出端的電壓，則該反饋稱為電壓反饋；如果反饋量取自基本放大電路輸出端的電流，則該反饋稱為電流反饋。4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋在反饋放大電路中，如果反饋量與輸入量在輸入回路中串聯(lián)，兩者以電壓方式相疊加，則該反饋稱為串聯(lián)反饋；如果反饋量與輸入量在輸入回路中并聯(lián)，兩者以電流方式相疊加，則該反饋稱為并聯(lián)反饋。3．負(fù)反饋放大電路的基本類型?【教師】通過多媒體展示“四種類型負(fù)反饋放大電路的原理框圖”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解引入交流負(fù)反饋的放大電路通常稱為負(fù)反饋放大電路，它有四種基本類型，分別為電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路、電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路、電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路和電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路（1）電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相串聯(lián)，反饋量取自輸出電壓，反饋量與輸入量以電壓的方式相疊加，即。?【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“負(fù)反饋對放大電路性能的影響”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解（2）電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相并聯(lián)，反饋量取自輸出電壓，反饋量與輸入量以電流的方式相疊加，即。（3）電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相串聯(lián)，反饋量取自輸出電流，反饋量與輸入量以電壓的方式相疊加，即。（4）電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相并聯(lián)，反饋量取自輸出電流，反饋量與輸入量以電流的方式相疊加，即。5.3.2集成運放的結(jié)構(gòu)1．集成運放的結(jié)構(gòu)形式?【教師】通過多媒體展示“集成運放的結(jié)構(gòu)”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解集成運放是一種具有很高放大倍數(shù)的多級放大電路，也是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的一種模擬集成電路。集成運放的結(jié)構(gòu)主要有圓殼式、雙列直插式和扁平式等形式2．集成運放的電路結(jié)構(gòu)?【教師】通過多媒體展示“集成運放的電路結(jié)構(gòu)框圖”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解集成運放的電路主要由四部分組成，即輸入級、中間級、輸出級和電源電路集成運放的輸入級一般為差分放大電路，用于提高整個電路的輸入電阻和共模抑制比；中間級為基本放大電路，用于獲得較大的電壓放大倍數(shù)；輸出級為準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級電路，其輸出電阻小，可使整個電路具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力；電源電路用于為各級電路提供電能。5.3.3集成運放的性能指標(biāo)集成運放主要有以下性能指標(biāo)。（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)是指無外加反饋回路時集成運放的差模電壓放大倍數(shù)。的值一般在和之間，由于數(shù)值較大，因此常用分貝（dB）表示，即。的分貝值一般為100～140dB。（2）差模輸入電阻。差模輸入電阻是指輸入差模信號時的輸入電阻。很大，一般大于，有的可達(dá)100MW。（3）開環(huán)輸出電阻。開環(huán)輸出電阻是指集成運放開環(huán)時的動態(tài)輸出電阻。很小，一般為幾歐姆到幾十歐姆。（4）共模抑制比。共模抑制比是指集成運放工作在線性區(qū)時，其開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，即。的值很大，常用分貝（dB）表示，其分貝值一般在100dB以上。（5）最大差模輸入電壓。最大差模輸入電壓是指不會使PN結(jié)反向擊穿的最大電壓，當(dāng)輸入電壓超過這個電壓時，集成運放輸入級一側(cè)的三極管將會出現(xiàn)發(fā)射結(jié)反向擊穿，從而損壞集成運放。（6）最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓是指集成運放所能承受的共模輸入電壓的最大值，當(dāng)輸入電壓超過這個電壓時，集成運放中的三極管將偏離放大區(qū)，此時將顯著減小。（7）輸入失調(diào)電壓及其溫度漂移。在集成運放的實際應(yīng)用中，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓并不為零。為了使輸出電壓也為零，需要在集成運放兩輸入端加上額外的電壓進(jìn)行補(bǔ)償，該補(bǔ)償電壓便是輸入失調(diào)電壓。的值越小越好。的溫度漂移是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作時，隨溫度的變化率。是衡量集成運放電壓漂移特性的重要指標(biāo)，其值越小越好。（8）輸入失調(diào)電流及其溫度漂移。輸入失調(diào)電流反映了集成運放電路的對稱程度。當(dāng)時，為集成運放兩輸入端電流之差的絕對值。的溫度漂移是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作時，隨溫度的變化率。是衡量集成運放電流漂移特性的重要指標(biāo)。和的值同樣是越小越好。（9）轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率用于衡量集成運放在大信號作用時對信號變化速率的適應(yīng)能力，它是集成運放在大信號作用下輸出電壓的最大變化率，即（10）供電電壓范圍。集成運放允許的最小和最大安全工作電源電壓（、），稱為集成運放的供電電壓范圍。（11）功耗。功耗是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作時，可以安全耗散的功率。?【教師】講解“小小“中國芯”，大大“航天夢””的案例（詳見教材），引導(dǎo)學(xué)生建立中國夢的理想信念5.3.4集成運放的工作特性1．集成運放的理想模型集成運放的理想模型稱為理想集成運放，它將集成運放的各項性能指標(biāo)理想化，以便在對其分析的過程中抓住主要因素、簡化分析過程。理想集成運放的性能指標(biāo)主要有以下特點。（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。（2）差模輸入電阻。（3）開環(huán)輸出電阻。（4）共模抑制比。（5）輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流及它們的溫度漂移均為零。（6）當(dāng)輸入為零時，輸出恒為零。由于理想集成運放的上述性能指標(biāo)都是理想化的，因此在實際應(yīng)用中分析集成運放時會出現(xiàn)一些誤差，但是這種誤差并不嚴(yán)重，在實際應(yīng)用中是被允許的，這就大大簡化了分析過程。在后面的內(nèi)容里，若無特別說明，均將集成運放看作理想集成運放。2．線性區(qū)的工作特性?【教師】通過多媒體展示“集成運放的傳輸特性曲線”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解集成運放的工作特性主要是指其輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系，它可通過傳輸特性曲線來分析。集成運放的傳輸特性曲線中，BC段為集成運放工作的線性區(qū)，AB段和CD段為集成運放工作的非線性區(qū)（又稱飽和區(qū)）。由于集成運放的電壓放大倍數(shù)極高，因此BC段十分接近縱軸。在理想情況下，可認(rèn)為BC段與縱軸重合。此時，用段表示集成運放工作在線性區(qū)，段和段表示集成運放工作在非線性區(qū)。當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)時，可將其看作一個線性放大元件，其輸出電壓和輸入差值電壓之間的關(guān)系是線性關(guān)系，即（5-23）由于集成運放的，而是有限值，因此可認(rèn)為（5-24）這種特性稱為“虛短”，即兩個輸入端之間的電壓近似為零，相當(dāng)于短路，但不是真正的短路。由于集成運放的，因此可認(rèn)為兩個輸入端的電流近似為零，即（5-25）這種特性稱為“虛斷”，即輸入端相當(dāng)于斷路，但又不是真正的斷路。利用“虛短”和“虛斷”這兩個特性，分析各種運算及處理電路的線性工作情況將十分簡便。3．非線性區(qū)的工作特性當(dāng)處于開環(huán)狀態(tài)或同相輸入端與輸出端之間有通路（正反饋）時，集成運放工作在非線性區(qū)。此時，若反相輸入端與同相輸入端不等，則輸出電壓為正、負(fù)飽和值（或）。當(dāng)時，；當(dāng)時，。此外，當(dāng)集成運放工作在非線性區(qū)時，兩個輸入端的輸入電流也為零?！军c撥】在非線性區(qū)內(nèi)，集成運放不具有“虛短”特性。5.3.5集成運放的典型應(yīng)用由集成運放組成的電路在引入不同的反饋電路后，可實現(xiàn)比例、加法、減法、積分和微分等運算，從而成為各種運算電路。運算電路是集成運放最典型的應(yīng)用，當(dāng)它對輸入信號進(jìn)行運算時，要求輸出信號必須反映出輸入信號的某種運算結(jié)果，這就需要引入深度負(fù)反饋，從而使集成運放工作在線性區(qū)。1．比例運算電路比例運算電路是運算電路中最簡單的電路，它的輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。1）反相比例運算電路?【教師】通過多媒體展示“反相比例運算電路”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解輸入信號從反相輸入端輸入時，輸出信號與輸入信號反相，這樣的比例運算電路稱為反相比例運算電路。其中，同相輸入端通過電阻接地，輸入信號經(jīng)電阻送到反相輸入端，反饋電阻跨接在輸出端和反相輸入端之間。根據(jù)集成運放的“虛斷”和“虛短”特性，可知，得，由此可得（5-26）則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為（5-27）式（5-27）表明，在反相比例運算電路中，輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，該電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)只與外圍電阻有關(guān)，而與集成運放本身的參數(shù)無關(guān)，這就保證了閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的精確性和穩(wěn)定性。式（5-27）中的“”表示輸出電壓與輸入電壓反相。電路中，為平衡電阻，，其作用是消除靜態(tài)電流對輸出電壓的影響。當(dāng)時，，此時基于該電路可制得反相器。2）同相比例運算電路?【教師】通過多媒體展示“同相比例運算電路”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解如果輸入信號從同相輸入端輸入，輸出信號與輸入信號同相，則該比例運算電路便稱為同相比例運算電路，在“→→→地”的回路中，有根據(jù)集成運放的“虛斷”和“虛短”特性可得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為（5-28）式（5-28）表明，與反相比例運算電路一樣，同相比例運算電路輸出電壓與輸入電壓的比例關(guān)系也與集成運放本身的參數(shù)無關(guān)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的精確性和穩(wěn)定性也很高。同相比例運算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，為正值，表示輸出電壓與輸入電壓同相。【點撥】當(dāng)或時，，此時基于同相比例運算電路可制得同相器或電壓跟隨器，作為各種電路的輸入級、中間級或緩沖級等。2．加法運算電路?【教師】通過多媒體展示“反相加法運算電路”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解在反相比例運算電路的基礎(chǔ)上增加幾個輸入支路，便可組成反相加法運算電路。同樣，在同相比例運算電路的基礎(chǔ)上增加幾個輸入支路，便可組成同相加法運算電路。反相加法運算電路的性能較好，應(yīng)用較多，下面主要對其進(jìn)行分析。根據(jù)集成運放的“虛斷”和“虛短”特性，可得，，，由此可得（5-29）式（5-29）表明，在反相加法運算電路中，輸出電壓等于各輸入電壓按不同比例相加之和。當(dāng)時，有（5-30）令，則（5-31）由上述可知，反相加法運算電路也與集成運放本身的參數(shù)無關(guān)，只要電阻足夠精確，就可保證加法運算的精確性和穩(wěn)定性。?【教師】提出以下問題，要求學(xué)生進(jìn)行思考并繪制對于同相加法運算電路，其分析方法和反相加法運算電路是相同的。試分析同相加法運算電路的計算公式，并繪制其電路圖。?【學(xué)生】聆聽、思考、繪制電路圖、回答?【教師】總結(jié)評價學(xué)生的回答3．減法運算電路?【教師】通過多媒體展示“減法運算電路”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解用來實現(xiàn)兩個電壓和相減的減法運算電路，其中兩個輸入端都有信號輸入。從圖中可知因，則有（5-32）當(dāng)、時，有（5-33）令，則（5-34）由式（5-33）可得（5-35）式（5-35）表明，在減法運算電路中，輸出電壓與兩個輸入電壓之差成比例關(guān)系。4．積分運算電路在反相比例運算電路中，用反饋電容代替反饋電阻便可組成積分運算電路。積分運算電路不僅是模擬計算機(jī)電路的基本單元，而且在控制和測量系統(tǒng)中的應(yīng)用也十分廣泛。?【教師】通過多媒體展示“積分運算電路”圖片（詳見教材），并進(jìn)行講解積分運算電路是反相輸入的，且，因此，則（5-36）式（5-36）表明，積分運算電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成比例關(guān)系，負(fù)號表示兩者反相。5．微分運算電路?【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“積分運算電路和微分運算電路”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解微分運算是積分運算的逆運算，因此將積分運算電路中輸入端的電阻和反饋電容互換位置就可組成微分運算電路。由圖可知，由此可得（5-37）式（5-37）表明，輸出電壓與輸入電壓的微分成正比，負(fù)號表示兩者反相。其中，稱為微分時間常數(shù)?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄課堂實踐【教師】準(zhǔn)備器材，帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室進(jìn)行試驗操作1）測量并計算輸入失調(diào)電壓（1）連接電路，連接完畢并檢查無誤后，將直流穩(wěn)壓電源的正負(fù)極分別接CF741型集成運放的引腳7和引腳4。（2）閉合開關(guān)和，使電阻和被短接，用直流電壓表測量此時的輸出電壓，即輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓為（3）將計算結(jié)果填入表5-14中，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若存在誤差，則分析產(chǎn)生誤差的原因。2）測量并計算輸入失調(diào)電流（1）連接電路，接通直流穩(wěn)壓電源。（2）斷開開關(guān)和，將電阻和接入電路。由于電阻和較大，因此流經(jīng)它們的輸入電流和之間的差異將變成輸入電壓的差異，從而影響輸出電壓的大小。此時，測量輸出電壓，并忽略輸入失調(diào)電壓的影響，可得其中，。（3）將計算結(jié)果填入表5-14中，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值比較。若存在誤差，則分析產(chǎn)生誤差的原因。3）測量并計算開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（1）連接電路，接通直流穩(wěn)壓電源。（2）在集成運放的輸入端輸入頻率為100Hz、振幅為30～50mV的正弦交流信號，用雙蹤示波器觀察輸出波形。用交流毫伏表測量和，按下式計算，即（3）將計算結(jié)果填入表5-14中，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若存在誤差，則分析