《電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）》 課件 課題四 集成運算放大器及其應(yīng)用

電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）198課題四集成運算放大器及其應(yīng)用199直流穩(wěn)壓電源200任務(wù)一任務(wù)二集成運算放大器的線性應(yīng)用集成運算放大器的非線性應(yīng)用集成運算放大器及其應(yīng)用2011.級間耦合形式集成電路是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型電子器件，它采用半導(dǎo)體集成工藝，把眾多晶體管、電阻器、電容器和導(dǎo)線制作在一塊半導(dǎo)體基片上，做成具有特定功能的獨立電子線路。與分立元件電路相比，集成電路具有體積小、質(zhì)量輕、性能好、可靠性高、耗電少、成本低等優(yōu)點。集成運算放大器是模擬集成電路的一種，是從最初用于模擬電子計算機(jī)中作為直流電壓運算部件發(fā)展起來的。由于集成運算放大器具有良好的性能，因此被廣泛應(yīng)用在計算技術(shù)、自動控制、無線電技術(shù)和各種電量與非電量的測量線路中。202任務(wù)一集成運算放大器的線性應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)203了解差動放大電路的組成與特點熟悉集成運算放大器的圖形符號和工作特性掌握集成運算放大器線性應(yīng)用電路的組成及分析方法掌握采用集成運算放大器的放大電路(反相比例運算放大電路)的安裝、調(diào)試與檢修任務(wù)引入204在課題二任務(wù)1“單管放大電路及其應(yīng)用”中，利用單管放大電路對音樂信號進(jìn)行放大。本任務(wù)是利用集成運算放大器來實現(xiàn)音樂信號的放大，其電路板如圖4-1-1所示。圖4-1-1采用集成運算放大器的放大電路(反相比例運算放大電路)板相關(guān)知識205一、差動放大電路用于放大緩慢變化的信號或某個直流量變化的放大電路稱為直流放大器，對于微弱的信號來說，一般需要多級放大才能達(dá)到要求，考慮到阻容耦合和變壓器耦合都不能傳遞直流信號，因此只能采用直接耦合方式，但是直接耦合方式容易帶來零點漂移現(xiàn)象。圖4-1-2零點漂移1.零點漂移(1)零點漂移的定義所謂零點漂移，是指當(dāng)直流放大器輸入信號為零時(輸入端對地短路)，由于靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定而引發(fā)緩慢、時大時小、時快時慢的不規(guī)則變化，這種變化經(jīng)過逐級放大，使直流放大器輸出端的輸出信號偏離了原來的初始值(零值)而做緩慢、不規(guī)則地上下飄移，如圖4-1-2所示。相關(guān)知識2062.差動放大電路的組成抑制零點漂移較為有效的辦法是采用具有對稱結(jié)構(gòu)的差動放大電路。如圖4-1-3所示，差動放大電路由對稱的兩個共射極基本放大電路，通過射極公共電阻器RE耦合構(gòu)成。對稱的含義是指兩只三極管的特性一致，電路參數(shù)對應(yīng)相等，同時利用RE的負(fù)反饋作用進(jìn)一步抑制每只三極管的零點漂移。圖4-1-3差動放大電路相關(guān)知識2073.對零點漂移的抑制作用當(dāng)輸入電壓ui=0時，ui1=ui2=0，由于電路完全對稱，則VB1=VB2，IB1=IB2，IC1=IC2，VC1=VC2，因此輸出電壓uo=VC1-VC2=0，靜態(tài)時輸出電壓為零。當(dāng)溫度變化時，引起兩只三極管的集電極電流和集電極電壓產(chǎn)生等量的變化，輸出端的漂移電壓相互抵消使輸出電壓仍然為零。相關(guān)知識2084.放大作用(1)差模輸入如圖4-1-4a所示，從差動放大電路的兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相反的信號，將使兩只三極管產(chǎn)生相反的變化，這種輸入信號稱為“差模信號”，這種輸入方式稱為“差模輸入方式”。差動放大電路對差模信號具有放大作用。相關(guān)知識2094.放大作用差模電壓放大倍數(shù)可知，差模電壓放大倍數(shù)與單管放大電路電壓放大倍數(shù)相同，多用一只三極管作為補(bǔ)償，換取對零點漂移的抑制作用。相關(guān)知識2104.放大作用(2)共模輸入如圖4-1-4b所示，從差動放大電路的兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相同的信號，將使兩只三極管產(chǎn)生相同的變化，這種輸入信號稱為“共模信號”，這種輸入方式稱為“共模輸入方式”。實際工作中經(jīng)常遇到共模輸入的情況，例如，外界的干擾信號同時進(jìn)入兩個輸入端，溫度的變化和電源電壓的波動引起的漂移電壓折合到輸入端也相當(dāng)于共模信號，因此需要差動放大電路對共模信號不起放大作用，具有一定的抗共模干擾能力。相關(guān)知識2114.放大作用共模電壓放大倍數(shù)可知，對于完全對稱的差動放大電路，共模輸入時的輸出電壓為零，因此共模電壓放大倍數(shù)也為零。實際上，電路不可能完全對稱，因此Auc應(yīng)盡可能小。相關(guān)知識2124.放大作用(3)共模抑制比差動放大電路的作用是放大有用的差模信號，抑制無用且有害的共模信號，故衡量一個差動放大電路的質(zhì)量，不但要看其對差模信號的放大能力，而且要看其對共模信號的抑制能力，常用差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比(即共模抑制比KCMR)衡量差動放大電路的質(zhì)量。相關(guān)知識2134.放大作用當(dāng)電路完全對稱時，Auc=0，KCMR趨于無窮大。電路對稱性越差，KCMR越小，表明電路抑制零點漂移的能力越差。圖4-1-4差動放大電路的兩種輸入信號a)差模信號b)共模信號相關(guān)知識214二、理想集成運算放大器1.集成運算放大器的圖形符號和外形圖4-1-5理想集成運算放大器的圖形符號(1)理想集成運算放大器的圖形符號(見圖4-1-5)圖中，三角形符號表示放大器，三角形頂角方向為信號傳輸方向，“∞”表示理想條件下開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)無窮大。它有兩個輸入端和一個輸出端。同相輸入端標(biāo)“+”(或P)，輸出端信號與該端輸入信號同相。反相輸入端標(biāo)“-”(或N)，輸出端信號與該端輸入信號反相。相關(guān)知識215圖4-1-6集成運算放大器的外形a)扁平式b)單列直插式c)雙列直插式(2)集成運算放大器的外形集成運算放大器包括扁平式、單列直插式和雙列直插式等多種封裝形式，如圖4-1-6所示。1.集成運算放大器的圖形符號和外形相關(guān)知識2162.理想集成運算放大器的電壓傳輸特性理想集成運算放大器的輸出電壓與輸入電壓(即同相輸入端與反相輸入端之間的電壓差值)之間的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性曲線，如圖4-1-7所示。曲線分為線性區(qū)和非線性區(qū)。在線性區(qū)，輸出電壓uo隨輸入電壓ui(=uP-uN)的變化而線性變化;但是在非線性區(qū)，輸出電壓uo只有兩種可能，即+Uom或者-Uom。圖4-1-7理想集成運算放大器的電壓傳輸特性曲線相關(guān)知識2173.理想集成運算放大器的工作特性1)因理想集成運算放大器的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)接近∞，因此凈輸入電壓uP-uN=0，即uP=uN。這一特性稱為“虛短”。2)因理想集成運算放大器的差模輸入電阻接近∞，因此兩個輸入端的輸入電流均為零，即iP=iN=0。這一特性稱為“虛斷”。(2)理想集成運算放大器工作在非線性區(qū)時1)當(dāng)uP>uN時，uo=+Uom;當(dāng)uP<uN時，uo=-Uom。即uP≠uN。因此理想集成運算放大器工作在非線性區(qū)時，不再具有“虛短”特性。2)兩個輸入端的輸入電流仍為零，即iP=iN=0。因此理想集成運算放大器工作在非線性區(qū)時，仍然具有“虛斷”特性。相關(guān)知識218三、集成運算放大器的線性應(yīng)用電路1.比例運算放大電路(1)反相比例運算放大電路反相比例運算放大電路如圖4-1-8a所示，其特點是輸入信號和反饋信號都加在集成運算放大器的反相輸入端。圖中，Rf為反饋電阻器，R2為平衡電阻器，取值為R2=R1∥Rf。接入R2是為了使集成運算放大器輸入級的差動放大電路對稱，有利于抑制零點漂移。由于同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”特性，則uP=uN=0;根據(jù)“虛斷”特性，凈輸入電流為零，則i1=if。相關(guān)知識219由圖4-1-8a可得1.比例運算放大電路放大電路的電壓放大倍數(shù)為式中，負(fù)號表示uo與ui反相，因此該放大電路稱為反相放大電路。由于uo與ui成比例關(guān)系，故又稱為反相比例運算放大電路。若取Rf=R1=R，則比例系數(shù)為-1，電路便成為反相器。相關(guān)知識220(2)同相比例運算放大電路同相比例運算放大電路如圖4-1-8b所示，其特點是輸入信號經(jīng)平衡電阻器R2接到同相輸入端。根據(jù)“虛短”特性，uP=uN;根據(jù)“虛斷”特性，iN=0，uP=ui。由圖4-1-8b可得1.比例運算放大電路放大電路的電壓放大倍數(shù)為相關(guān)知識2211.比例運算放大電路圖4-1-8比例運算放大電路a)反相比例運算放大電路b)同相比例運算放大電路相關(guān)知識222uo與ui同相且成比例關(guān)系，因此該放大電路稱為同相放大電路，又稱為同相比例運算放大電路。若令Rf=0，R1=∞(即開路狀態(tài))，則比例系數(shù)為1，電路便成為電壓跟隨器。1.比例運算放大電路相關(guān)知識2232.加法運算電路在反相放大電路的基礎(chǔ)上，若使幾個輸入信號同時加在集成運算放大器的反相輸入端上，則稱為反相加法運算電路；在同相放大電路的基礎(chǔ)上，若使幾個輸入信號同時加在集成運算放大器的同相輸入端上，則稱為同相加法運算電路。圖4-1-9所示為反相加法運算電路。圖4-1-9反相加法運算電路相關(guān)知識2242.加法運算電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”特性，i1+i2=if。經(jīng)整理可得如果R3=R4=Rf=10kΩ，則上式表明，輸出電壓等于各輸入電壓之和，實現(xiàn)了加法運算。式中，負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。由于反相輸入端“虛地”，因此各輸入電壓之間相互影響極小。該電路常用在測量和控制系統(tǒng)中，對各種信號按不同比例進(jìn)行組合運算。相關(guān)知識2253.積分運算電路將反相比例運算放大電路中的反饋電阻器Rf并聯(lián)一個電容器C，即可構(gòu)成積分運算電路，如圖4-1-10所示。圖4-1-10積分運算電路相關(guān)知識2263.積分運算電路當(dāng)輸入階躍電壓時，輸出電壓波形如圖4-1-11a所示;當(dāng)輸入方波電壓，且R1C?tp(tp為脈沖寬度)時，輸出電壓波形如圖4-1-11b所示。圖4-1-11積分運算電路的輸入、輸出電壓波形a)輸入為階躍電壓

b)輸入為方波電壓相關(guān)知識2274.微分運算電路微分運算電路如圖4-1-12所示。若輸入方波電壓，且RfC?tp(tp為脈沖寬度)，則輸出電壓為尖脈沖波形，如圖4-1-13所示。圖4-1-12微分運算電路圖4-1-13微分運算電路的輸入、輸出電壓波形228任務(wù)二集成運算放大器的非線性應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)229熟悉單門限電壓比較器、雙門限電壓比較器的工作特性掌握集成運算放大器非線性應(yīng)用電路的組成及分析方法掌握方波發(fā)生電路的工作原理、安裝、調(diào)試與檢修任務(wù)引入230函數(shù)信號發(fā)生器是一種使用范圍廣泛的多波形通用信號源，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波甚至任意波形，適用于生產(chǎn)測試、儀器維修和實驗室，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、化學(xué)、通信、地球物理學(xué)、工業(yè)控制、軍事和宇航等領(lǐng)域，如圖4-2-1所示。圖4-2-1函數(shù)信號發(fā)生器任務(wù)引入231本任務(wù)是利用集成運算放大器制作方波發(fā)生電路，熟悉其工作原理和調(diào)試、檢修方法，其電路板如圖4-2-2所示，輸出波形如圖4-2-3所示。圖4-2-2方波發(fā)生電路板圖4-2-3方波發(fā)生電路的輸出波形相關(guān)知識232當(dāng)集成運算放大器處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋時，其工作在非線性區(qū)。輸出電壓只有兩種可能的數(shù)值，即uP>uN時，uo=+Uom(高電平)uP<uN時，uo=-Uom(低電平)式中，Uom為輸出飽和電壓。集成運算放大器的非線性特性在數(shù)字電子技術(shù)和自動控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，電壓比較器是典型的集成運算放大器非線性應(yīng)用電路。相關(guān)知識233一、單門限電壓比較器1.單門限電壓比較器的圖形符號和工作特性圖4-2-4a所示為單門限電壓比較器的圖形符號，UR為門限電壓，ui為輸入電壓。圖4-2-4b所示為UR>0時，單門限電壓比較器的傳輸特性曲線。圖4-2-4單門限電壓比較器a)圖形符號b)傳輸特性曲線相關(guān)知識2341.單門限電壓比較器的圖形符號和工作特性當(dāng)UR>0時，單門限電壓比較器的傳輸特性曲線具有以下特點:(1)當(dāng)ui>UR時，輸出電壓uo=-Uom。(2)當(dāng)ui<UR時，輸出電壓uo=+Uom。相關(guān)知識2352.單門限電壓比較器的電路組成單門限電壓比較器電路如圖4-2-5所示。圖4-2-5單門限電壓比較器電路調(diào)節(jié)電位器RP，當(dāng)ui<UR時，uo=+Uom，則發(fā)光二極管V2亮；當(dāng)ui>UR時，uo=-Uom，則V2不亮。相關(guān)知識2362.單門限電壓比較器的電路組成圖4-2-6利用單門限電壓比較器實現(xiàn)波形變換利用單門限電壓比較器可以實現(xiàn)波形的變換。例如，當(dāng)單門限電壓比較器輸入正弦波時，相應(yīng)的輸出電壓是矩形波，如圖4-2-6所示。相關(guān)知識237二、雙門限電壓比較器1.雙門限電壓比較器的圖形符號和工作特性雙門限電壓比較器又稱為遲滯比較器，也稱為施密特觸發(fā)器。它是一個含有正反饋的比較器，其圖形符號和傳輸特性曲線如圖4-2-7所示。相關(guān)知識238雙門限電壓比較器電路如圖4-2-8所示。輸出電壓uo經(jīng)Rf和R1分壓后加到集成運算放大器的同相輸入端，形成正反饋。由于輸出有兩種可能的電壓值，因此門限電壓也有兩個相應(yīng)的值。當(dāng)uo=+Uom時，門限電壓用UTH表示，根據(jù)疊加原理，可得2.雙門限電壓比較器的電路組成相關(guān)知識2392.雙門限電壓比較器的電路組成圖4-2-7雙門限電壓比較器a)圖形符號b)傳輸特性曲線相關(guān)知識2402.雙門限電壓比較器的電路組成圖4-2-8雙門限電壓比較器電路相關(guān)知識241當(dāng)輸入電壓逐漸升高至ui=UTH時，輸出電壓uo發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由+Uom跳變?yōu)?Uom，門限電壓隨之變?yōu)?.雙門限電壓比較器的電路組成當(dāng)輸入電壓逐漸降低至ui=UTL時，輸出電壓再度翻轉(zhuǎn)，由-Uom跳變?yōu)?Uom。兩個門限電壓之差稱為回差電壓，用ΔU表示，可得上式表明，回差電壓ΔU與參考電壓UR無關(guān)。相關(guān)知識242三、窗口比較器1.窗口比較器的工作特性窗口比較器的傳輸特性曲線如圖4-2-9所示。當(dāng)輸入電壓ui處于兩個參考電壓之間，即UTL<ui<UTH時，窗口比較器輸出為低電平(或者負(fù)電壓)；當(dāng)輸入電壓ui不在這兩個參考電壓之間，即ui>UTH或ui<UTL時，窗口比較器輸出為高電平。圖4-2-9窗口比較器的傳輸特性曲線相關(guān)知識243窗口比較器電路如圖4-2-10所示。圖中，參考電壓UTH>UTL，UTH稱為上限參考電壓或上閾值電壓，UTL稱為下限參考電壓或下閾值電壓。在電路輸出部分，兩個單門限電壓比較器分別通過兩只二極管V1、V2輸出。若UTL<ui<UTH，uo1=uo2=-Uom，二極管V1、V2均截止，uo=0V。若ui<UTL，則uo1=-Uom，uo2=+Uom，二極管V1截止，V2導(dǎo)通，uo=uo2=+Uom。若ui>UTH，則uo1=+Uom，uo2=-Uom，二極管V2截止，V1導(dǎo)通，uo=uo1=+Uom。2.窗口比較器的電路組成及分析相關(guān)知識2442.窗口比較器的電路組成及分析圖4-2-10窗口比較器電路相關(guān)知識245四、方波發(fā)生電路1.電路組